電吸附技術在鋼鐵行業中的工程應用

摘要：采用電吸附除鹽工藝對冷軋廢水進行除鹽處理，在電吸附除鹽設備運行一年之后，再一次對系統出水進行了考核：在電吸附系統平均進水電導率1335µS/cm、進水氯離子平均含量為275mg/L的情況下，電吸附產水電導率平均值為277µS/cm、平均氯離子含量為34.8 mg/L，去除率分別為79.3%和87.3%；平均產水率為78.5%，噸水耗電量為0.55kWh，結果還表明電吸附技術還對CODCr有明顯的降解作用，且系統濃水可以實現達標排放。

關鍵詞：電吸附技術 冷軋廢水 除鹽 鋼鐵行業

 

Project application of electro-Sorb technology in iron and steel industry

Zhu Guangdong, Guo Hongfei，Sun Xiaowei

(EST Purification Equipment Co., Ltd, Beijing 100176, China)

Abstract: The Electro-Sorb process was used for desalination of cold rolling wastewater, and the Electro-
Sorb equipment has been operated over one year, and the effluent of the system was checked again. The average conductivity
of influent is 1335µS/cm, concentration of chloride is 275mg/L. The results show that the average conductivity of effluent is
277µS/cm, the concentration of chloride is 34.8 mg/L，the removal rate is 79.3% and 87.3% respectively, and the recovery
rate is 78.5%, the power consumption is 0.55kWh/t. The results indicate that the CODCr was degradated obviously by the
Electro-Sorb Technology, and the discharge water of the system is able to reach drainage standard.

Keywords: Electro-Sorb Technology; Cold rolling wastewater; Desalination; Iron and steel industry ;
 

1 背景

隨著地球上淡水資源的日趨匱乏，水資源的合理利用已成當下亟待解決的一大難題，是國家經濟可持續發展戰略的重要一環，隨著國家相關政策的陸續出臺，對企業的生產成本及可持續發展的影響也越來越大。所以尋找一種合適的水處理除鹽技術，并廣泛應用于各行業的污水回用領域顯得尤為重要。目前傳統的除鹽方法主要有反滲透、電滲析、離子交換等[1]。但這些方法對前道預處理要求普遍較高，尤其是鋼鐵等行業所產生的廢水成分復雜，沿用這些傳統的方法勢必對設備的前期預處理提出很高的要求，且增加投資和運行成本。電吸附水處理技術作為一項新興水處理技術，以其在工業廢水回用領域獨特的技術優勢，近年來得到了廣泛的關注。

上海某鋼鐵廠冷軋廢水站改造項目對冷軋堿性含油廢水水進行處理，前處理采用MBR工藝，并采用電吸附除鹽系統對其出水進一步除鹽，使電導率小于1500μS/cm，即達到該鋼廠二類串接水標準才能滿足生產回用的目的。經過一年多的連續運行，結果表明電吸附除鹽設備運行穩定、維護方便、且運行中基本不消耗化學藥劑，其產品水可以替代新鮮水源，能夠實現廢水的重新利用。
 

2 電吸附除鹽技術基本原理及工藝流程

2.1基本原理

電吸附（electrosorption）除鹽的基本思想是通過施加外加電壓形成靜電場，強制離子向帶有相反電荷的電極處移動，對電極的充放電進行控制，改變電極處的離子濃度，并使之不同于本體濃度，從而實現對水溶液的脫鹽。使用一種多孔材料制成的惰性電極，不僅導電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場中時會在其與電解質溶液界面處產生很強的雙電層[2]。雙電層的厚度只有1～10nm，卻能儲存大量的電解質離子。一旦除去電場，被吸附在電極上的陰陽離子又會脫附出來，并擴散到本體溶液中，使溶液濃度升高，然后再用水把脫附出來的離子沖洗出去，通過這一過程實現電極材料的再生[3]。其工作原理如圖1所示。

圖1 電吸附原理圖

2.2工藝流程

工藝流程分為二個步驟：工作流程，反洗（再生）流程，如圖2所示：

圖2 工藝流程

工作階段：原水池中的水通過提升泵被打入保安過濾器，固體懸浮物或沉淀物在此道工序被截流，水再被送入電吸附（EST）模塊。水中溶解性的鹽類被吸附，水質被凈化。

再生階段：就是模塊的反沖洗過程（此過程也稱為再生），沖洗經過短接靜置的模塊，使電極再生，反洗流程可根據進水條件以及產水率要求選擇一級反洗、二級反洗、三級反洗或四級反洗。
 

3某鋼鐵廠電吸附系統運行情況

3.1項目概況

某鋼鐵集團冷軋廢水站改造項目對冷軋堿性含油廢水進行處理，前處理采用催化氧化＋生化MBR工藝，MBR工藝出水需進行除鹽，使電導率小于1500μS/cm后，達到二類串接水標準滿足生產回用。 該工程于2009年5月順利完成，進入運行階段。該工程的成功實施是我國在冷軋廢水回用處理領域的一大突破。

設計水源：冷軋堿性含油廢水

處理規模：150m3/h

產水要求：電導率≤1500us/cm，得水率75%，脫鹽率62.5%

產水用途：生產回用（二類串接水）
 

3.2系統總工藝流程

系統總工藝流程如圖3：

圖-3系統工藝流程
 

3.3設計參數

（1）電吸附除鹽設備進水水質

電吸附除鹽設備處理的廢水為MBR工藝出水，其進水水質指標：

電導率≤4000μS/cm；CODCr≤70mg/l；懸浮物≤5mg/l；濁度≤5NTU；油≤3mg/L；氯離子≤800mg/l；pH：6~9；溫度5~40℃。

（2）電吸附除鹽模塊

• 數量：24組，48個
• 清洗周期：正常工作條件下不大于2次/年
• 運行方式：常溫常壓，連續運行
• 電極壽命：≥5年
• 電極材料：高比表面積（比表面積＞1000m2/g）復合材料
• 耐受性：抗強酸（98%硫酸，30%鹽酸）、強堿（30%NaOH）
• 極對電壓：1.0~1.5V

3.4考核數據分析與討論

系統考核自5月24日上午9時開始，25日下午15時結束，考核期間，每小時記錄一次系統的運行數據，并于24、 25日分四次對產水取樣，檢測油及氯離子含量。 為驗證模塊對CODCr的去除效果，對原水產水分兩次取樣檢測CODCr的含量，以及濃排水中CODCr 的含量。

（1）在平均進水電導率在1335μS/cm的情況下，平均出水電導率為277μS/cm，電導去除率（即除鹽率）為79.3%，系統產水2873 m3的情況下，反洗水量為788.3 m3，產水率為78.5%。由于進水電導較低，因此模塊所加的電壓只有220V，此時模塊噸水耗電量0.55 KWh。

圖-4進水電導與外供水電導曲線

（2）由于前一處理單元系統來水量較小，不能保證系統在150 m3/h下連續運行，性能考核期間選取21-24小時階段，將系統的處理量調整至滿負荷即150 m3/h，在平均進水電導1325μS/cm的情況下，平均出水電導為286μS/cm，電導去除率為78.4%；產水509 m3的情況下，反洗水量為136 m3，產水率為78.9%。模塊噸水耗電量為0.55 KWh，與流量調節前運行指標基本一致。

從圖-4進水電導與外供水電導曲線上可以看出，系統考核期間外供水電導穩定，完全滿足該車間生產用水的要求。

（3）考核期間取電吸附進水及出水，測氯離子及油的含量，結果如表1，進水氯離子含量平均為275 mg/l，出水為34.8 mg/l，去除率為87.3%，高于79.3%的電導去除率，說明模塊對氯離子具有較高的選擇吸附性[4]；進水中油的含量為2.20 mg/l，出水為2.02 mg/l，降低8.2%，說明油類不會在系統內累積。

表1：取樣檢測指標統計

取樣	進水氯離子 （mg/l）	出水氯離子 （mg/l）	去除率 %	進水油類 （mg/l）	出水油類 （mg/l）	去除率 %
取樣1#	280	32.0	88.6	2.26	1.97	12.8
取樣2#	278	32.0	88.5	2.20	1.91	13.2
取樣3#	264	39.0	85.2	2.11	2.01	4.7
取樣4#	278	36.0	87.1	2.23	2.18	2.2
平均值	275	34.8	87.3	2.20	2.02	8.2

（4）為驗證模塊對CODCr的去除效果，分兩次取樣檢測模塊進水CODCr分別為16 mg/l 、52 mg/l，模塊出水CODCr為10 mg/l 、16 mg/l，CODCr的去除率分別為37.5%、69.2%，檢測電吸附濃水池排污水的CODCr含量為26 mg/l，以上數據表明在該項目中模塊對CODCr有明顯的去除效果，去除不是單純的吸附與脫附過程而是實現了降解，所以濃水CODCr沒有明顯的提高，可以直接達標排放。
 

3.5成本分析

由于系統在運行過程中，不使用任何藥劑，所以成本僅為電耗及過濾材料消耗：

（1）電耗：考核期間共耗電1579kWh，產水量2873m3，噸水耗電量為0.55kWh。電費以0.67元/kWh計，噸水處理費用為0.369元。

（2）過濾材料消耗：保安過濾器濾袋使用時間按6天計算，濾袋所需費用為：70元/只*20只*28小時/（6天*24小時），共計272元，噸水處理費用為0.095元。

運行時模塊的噸水處理費用合計為:0.336+0.095=0.464元。
 

3.6考核結果

• （1）性能考核期間，電吸附系統平均進水電導率1335µS/cm，電吸附產水電導率平均值為277µS/cm，去除率為79.3%；進水氯離子平均含量為275mg/l出水平均氯離子含量為34.8 mg/l，去除率為87.3%；平均產水率為78.5%，噸水耗電量為0.55kWh，完全滿足生產回用要求。
• （2）通過對模塊進出水及濃水CODCr的測定表明，模塊對CODCr有明顯的降解作用，且系統濃水CODCr不超標，可以實現達標排放。
• （3）通過對模塊進出水油含量的測定表明，模塊對進水油含量指標要求很低，且連續運行時，油不會在模塊內實現累積，不影響系統正常運行，即電吸附系統可抗油類污染。
• （4）電吸附系統性能考核期間，電吸附模塊、配電系統、控制系統、分析測量儀表和閥門性能良好。
• （5）經計算在現有來水情況下，系統的噸水處理成本為0.46元。
   

4總結

通過實際的工程運行考核結果表明，電吸附技術具有如下特點：

• （1） 電吸附產水水質比較穩定，能夠滿足冶金行業用于生產回用的要求；
• （2） 由于電吸附技術在工作過程中只對水里面的陰陽離子做功，只消耗一部分電能，所以其運行成本較低 ，但隨著原水含鹽量的增加其能耗也會相對上升；
• （3） 電吸附技術對COD有一定的降解作用，由于每個行業或企業不同所以其COD的種類也不同，電吸附技術去除COD的效果也不盡相同，一般在50%左右，而且排放的尾水不濃縮，可以直接達標排放；
• （4） 電吸附技術可以抗擊油類污染；
• （5） 電吸附除鹽系統自動化程度高、運行穩定、操作維護方便。

綜上，電吸附除鹽技術具有廣泛的適應性，特別是在鋼鐵行業，由于其需要處理的水質惡劣、成分比較復雜，水質波動較大，尤其是能夠發揮其抗沖擊性的技術優勢。因此，電吸附技術作為一項新興的水處理技術能夠滿足鋼鐵行業對除鹽技術的要求。

電吸附技術在鋼鐵行業中的工程應用

朱廣東 郭洪飛 孫曉慰

（愛思特凈化設備有限公司，北京 100176）