電吸附除鹽技術在中水回用中的應用研究

工程圖片

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電吸附除鹽技術在中水回用中的應用研究

朱廣東 郭洪飛 孫曉慰

（愛思特凈化設備有限公司，北京 100176）

摘要：采用電吸附除鹽設備，對某再生水廠出水進行深度除鹽處理，其平均除鹽率為78.3%；在原水氯化物平均濃度為134.5mg/L，產水平均值11.6 mg/L，平均去除率達到了90.6%，噸水電耗為0.57kwh，系統產水率為76%。由此可見，電吸附技術應用于該再生水廠的中水回用完全是可行的。

關鍵詞：電吸附技術 除鹽 再生水 回用

 

The Application Study on Middle Water Reused by electro-Sorb technology

Zhu Guangdong, Guo Hongfei，Sun Xiaowei

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

Abstract: The Electro-Sorb process was used for desalination of effluent in a reclaimed water plant,and the average rate
of desalination is 78.3%;The average concentration of chloride of influent is 134.5 mg/L, the results show that the average
concentration of effluent is 11.6 mg/L ,and the removal rate is 90.6%. The power consumption is 0.57kWh/t, and the recovery
rate is 76%.Therefor, application of Electro-Sorb Technology on Middle Water Reused is completely feasible in the reclaimed
water plant.

Keywords: Electro-Sorb Technology; Desalination; Reclaimed Water ; Reused ;
 

1 項目概況

巖東排水有限公司以“保護環境、凈化水質、服務社會、促進發展”為宗旨，負責北侖城區的污水處理、再生水回用和承接污水處理設施的運行管理業務。下轄的巖東再生水廠投資1.04億元于2008年8月建成投產一期規模10萬噸/日再生水工程，再生水主要用于寧波鋼鐵、臺塑石化、寶新不銹鋼廠、海螺水泥廠等大工業用水。再生水在這些企業主要用作冷卻循環水，為提高循環冷卻水的濃縮倍數，減少新鮮水補充量，降低運行費用，這些企業都對補充水中的氯離子含量和總含鹽量提出了高于國家標準的要求。盡管目前再生水廠出水水質各項參數均滿足國家標準《城市污水再生利用城市雜用水水質》（GB/T18920-2002）和《工業循環冷卻水設計規范》（GB50050-95）中規定的回用水水質標準，但回用水用戶提出了更高的水質標準，他們有權選擇性價比優異的水源。對于巖東再生水廠來水說，氯離子含量超出用戶要求已成為再生水回用的關鍵制約因素。為解決這個問題巖東排水有限公司擬將12萬立方/天的再生水首先進行電吸附深度除鹽處理中試研究，使其產品水滿足以上企業的用水要求。
 

2 基礎資料

水源：寧波北侖巖東再生水廠經混合、反應、沉淀、D型濾池過濾殺菌后的預處理水。

表1 設計進、出水指標表：

項目	單位	電吸附系統進水	電吸附系統產水
pH		6～9	6～9
SS	mg/L	≤5	≤5
濁度	NTU	≤2	≤2
色度	倍	≤10	≤10
＊電導率	μS/cm	≤1000	≤800
＊總溶解性固體	mg/L	≤650	≤500
＊氯化物	mg/L	≤180	≤27
余氯	mg/L	0.1-0.2	—
堿度	mg/L	≤100	≤100

 

3 電吸附除鹽技術基本原理

由電化學基礎理論可知，將固體電極浸在水溶液中，施加電壓時，在固體電極/溶液的兩相界面處，電荷會在極短距離內分布、排列。作為補償，帶正電荷的正極會吸引溶液中的負離子（相反，負極就會吸引正離子），從而形成雙電層[1]。雙電層結構相當于一個電容器，可以充放電，即雙電層所帶的電荷量的大小與雙電層的電容值和雙電層上的電位差成正比。所以，在一個完整的電化學體系中，且在不發生法拉第反應的情況下，當給兩個對應電極的雙電層充電時，由于離子富集到電極周圍，溶液本體中的濃度降低；相反，給雙電層去掉電壓，雙電層放電，被富集的離子將擴散到本體溶液中，使本體溶液的離子濃度增大。
 

電吸附（EST）除鹽的基本思想就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，對雙電層的充放電進行控制，改變雙電層處的離子濃度，并使之不同于本體濃度，從而實現對水溶液的除鹽[2]。由于電吸附技術采用的材料，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。雙電層的厚度只有1~10nm，卻能吸引大量的電解質離子，并儲存一定的能量。一旦除去電場，吸引的離子被釋放到本體溶液中，溶液中的濃度升高，然后通過沖洗模塊使電極得到再生，通過這一過程去除離子，如圖1所示。

圖1 電吸附除鹽原理圖
 

4 工藝流程

電吸附工藝流程分為二個步驟：工作流程，反洗流程。

流程如圖2所示：

圖-2 電吸附系統工藝流程圖

工作流程：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。

反洗流程：就是模塊的反沖洗過程，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。
 

5 數據與分析

試驗時間（連續運行并考核）：2009年7月31日至2009年8月21日，共分為兩個階段，第一階段原水為為實際的預處理出水，時間為7月31日~8月11日；第二階段向原水中添加一定的氯化鈉以提高原水中氯化物的含量，時間為8月13日~8月21日。

檢測電導、總硬度、氯化物等指標，并提出水質分析報告單，數據分析如下。
 

5.1 電導率

水的電導率與其所含的無機離子的總量一定的關系，如水中的的無機酸、堿、鹽等。當它們的濃度較低時，電導率隨濃度的增大而增大，因此常用于推測水中離子的總濃度或含鹽量。電吸附技術對電導率的去除效果如下圖所示。

圖3 電吸附原水和產水電導率及去除率的變化情況

從運行和檢測結果看，原水和產水的電導率均比較穩定，只是在第二階段試驗時向原水中添加了一定量的氯化鈉，以增加原水中氯化物的含量，所以其原水電導率有所上升，其原水平均電導率為854μS/cm，產水平均電導率為181μS/cm，平均去除率為78.3%。
 

5.2 氯化物

圖4 原水和產水氯離子濃度的變化情況

由圖可知，在第一階段和第二階段，原水中氯化物含量變化較大的情況下，電吸附產水的氯離子濃度一直很穩定，可見電吸附除鹽技術對氯離子有較好的去除效果。在原水氯化物平均濃度為134.5mg/L時，產水平均值11.6 mg/L，平均去除率達到了90.6%。這是由于陰離子一般不會形成水和離子，其離子半徑相對較小，有利于吸附行為的發生，所以氯離子的去除率要高于陽離子甚至是其它陰離子[3]。
 

5.3 總硬度

圖5 原水和產水總硬度的變化情況

從圖5可以看出，電吸附技術對總硬度的去除效果比較穩定，在原水平均濃度為127.9mg/L時，產水平均值52.5 mg/L，平均去除率為59.1%。
 

5.4 COD

圖6 電吸附原水和產水COD的變化情況

由圖6可知，電吸附技術對該種原水中的COD也有一定的去除效果。在原水的COD為28.6 mg/L的情況下，電吸附產水的COD平均濃度為10.9 mg/L。去除率為53.1%。
 

5.5 氨氮

圖7 原水和產水氨氮含量的變化情況

從圖上可以看出，電吸附技術對氨氮的去除效果較低，在原水為0.2294 mg/L的情況下，產水的平均含量為0.1581 mg/L，去除率只有44.17%，可見相對于其它離子來說電吸附技術對氨氮的去除率偏低，當然這可能是原水中氨氮的含量本來就比較低的緣故。
 

5.6 硝酸鹽氮

圖8 硝酸鹽氮含量的變化情況

有圖可見，電吸附技術對硝酸鹽氮的去除效果非常好，大大高于對氨氮的去除效果，究其原因可能是電吸附技術對以離子態形式存在的物質去除效果較好，而對于以分子尤其是以有機物形式存在的物質去除效果相對較差。在原水硝酸鹽氮含量為5.73 mg/L的情況下，產水的平均濃度為0.42 mg/L，去除率達到了92.65%。
 

5.7總磷

圖9 原水和產水總磷的變化情況

由圖可知，此次試驗原水中總磷的濃度波動較大，其總體的去除效果與氨氮差不多，在原水為0.5649 mg/L的情況下，產水為0.3149 mg/L，平均去除率為42.41%。
 

5.8 噸水電耗與產水率

此次中試采用的電吸附除鹽系統的處理量為0.5~1.0m3/h，連續運行20天，總共產水451 m3 ，總排水108 m3，耗電量為257kwh，其噸水電耗為0.57kwh，電價按0.7元/kwh計，其噸水運行成本為0.39元；系統產水率為76%。
 

6 結論

采用電吸附除鹽技術對巖東排水有限公司再生水廠出水進行除鹽中試試驗研究，并取得了很好的效果，在原水波動較大的情況下，產水一直比較穩定，具體結果如下：

（1）原水平均電導率為854μS/cm，產水平均電導率為181μS/cm，平均去除率為78.3%；

（2）原水氯化物平均濃度為134.5mg/L，產水平均值11.6 mg/L，平均去除率達到了90.6%

（3）總硬度原水平均為127.9mg/L，產水平均值52.5 mg/L，平均去除率為59.1%；

（4）原水COD為28.6 mg/L，電吸附產水的COD平均濃度為10.9 mg/L，去除率為53.1%

（5）氨氮原水為0.2294 mg/L，產水的平均含量為0.1581 mg/L，去除率44.17%；

（6）原水硝酸鹽氮含量為5.73 mg/L，產水平均濃度為0.42 mg/L，去除率達到了92.65%；

（7）原水總磷為0.5649 mg/L的情況下，產水為0.3149 mg/L，平均去除率為42.41%；

（8）其噸水電耗為0.57kwh，電價按0.7元/kwh計，其噸水運行成本為0.39元，系統產水率為76%；

由此可見，電吸附技術完全能夠滿足處理該種水質的需求，尤其對氯化物的去除效果較好，在保證產水水質的情況下，系統的運行成本也比較低，所以電吸附技術應用于該再生水廠的中水回用系統完全是可行的。

 

參考文獻

[1] 查全性. 電極過程動力學導論（第3版）[M]. 北京: 科學出版社，2002.

[2] 孫曉慰. 電吸附水處理技術及設備. 工業水處理, 2002, 22(8): 1- 3.

[3] Dengsong Zhang, Liyi Shi, Jianhui Fan, et.al.Removal of NaCl from salt water solution using carbon nanotubes/activated carbon composite electrodes[J]. Materials Letters, 2006, 60:360-363.