電滲析對高鹽廢水中各組分去除率

電滲析通過外加直流電場使水中的陰陽離子發(fā)生遷移并選擇性地透過陰陽離子交換膜，從而實現(xiàn)濃縮和脫鹽的目的。

進口均相膜電滲析在濃縮效果、能耗和穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于國產(chǎn)異相膜電滲析，但由于進口設備價格過高，而且電滲析淡水通常無法實現(xiàn)直接回用，因此，電滲析在國內(nèi)高鹽廢水零排放領域未得到規(guī)?；こ虘?。

然而，隨著技術的發(fā)展，我國部分廠家逐漸掌握了低成本的均相膜電滲析制造技術，從而使電滲析在高鹽廢水零排放領域的推廣應用成為可能。為此，通過研究電滲析對高鹽廢水的處理效果并掌握運行規(guī)律，對于實現(xiàn)電滲析的工程化應用具有重要的指導意義。

由于電滲析只對水中帶電荷的離子或組分具有遷移作用，而且遷移效果與電壓、膜面積、離子種類等條件有關，為此，筆者通過對高鹽廢水中不同離子或組分在電滲析中的去除或遷移效果進行試驗研究，得到電滲析對不同離子或組分的去除率和遷移率數(shù)據(jù)，從而為電滲析的工程化應用提供參考。

1、試驗部分

1.1?試驗裝置

試驗裝置采用日本旭硝子（AGC）品牌的均相膜電滲析，膜對數(shù)量為100對，有效膜面積為5.1m2，配套整流器規(guī)格為DC60V×20A。試驗搭建的中試裝置見圖1。

1.2?試驗方法

本次試驗分為3個部分，每個部分的試驗步驟如下：

（1）在原水箱中注入約80L經(jīng)過預處理去除硬度和懸浮物的高鹽廢水，關閉閥門①、③、④，開啟閥門②，啟動試驗裝置，通過便攜式TDS儀監(jiān)測淡水側(cè)TDS變化，TDS每降低約10000mg/L取樣一次，淡水TDS降低至10000mg/L左右停止取樣，測定水樣的TDS、Cl-、SO42-和NO3-濃度，根據(jù)公式①分別計算脫鹽率和3種離子的去除率。分析比較Cl-、SO42-和NO3-的去除率隨系統(tǒng)脫鹽率的變化趨勢。

式中：η――系統(tǒng)脫鹽率或離子去除率，%；Ce――電滲析淡水TDS或離子濃度，mg/L；Ci――電滲析進水TDS或離子濃度，mg/L。

（2）開啟閥門①、③、④，關閉閥門②，通入高鹽廢水，控制系統(tǒng)在低脫鹽率和高脫鹽率下連續(xù)穩(wěn)定運行，間隔4―6h取樣一次，并測定水樣的TDS、Cl-、SO42-和NO3-濃度，根據(jù)公式①分別計算脫鹽率和3種離子的去除率。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析比較在穩(wěn)定運行條件下的系統(tǒng)脫鹽率和離子去除率。

（3）開啟閥門①、③、④，關閉閥門②，通入高鹽廢水，維持系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行，間隔4―6h取樣一次，并測定水樣的COD、NH4+和SiO2濃度，根據(jù)公式①分別計算COD和NH4+的去除率，根據(jù)公式②計算SiO2的遷移率。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析電滲析對COD、NH4+和SiO2的去除或遷移效果。

式中：δ――離子遷移率，%；Co――電滲析濃水離子濃度，mg/L；Ci――電滲析進水離子濃度，mg/L。

2、結(jié)果與討論

2.1?Cl-、SO42-和NO3-的去除率

試驗用高鹽廢水水質(zhì)見表1，不同系統(tǒng)脫鹽率所對應的各離子去除率見圖2。

由圖2可見，在任意系統(tǒng)脫鹽率下，3種陰離子的去除率大小依次為η（NO3-）＞η（Cl-）＞η（SO42-）。系統(tǒng)初始脫鹽率為16.0%，對應的Cl-、SO42-和NO3-去除率分別為23.0%、12.5%和48.1%；系統(tǒng)終點脫鹽率為89.5%，對應的Cl-、SO42-和NO3-去除率分別為97.0%、56.3%和97.7%。

隨著系統(tǒng)脫鹽率的升高，3種陰離子的去除率總體呈現(xiàn)增加的趨勢，但增加的快慢即離子去除速率相差很大。對比發(fā)現(xiàn)，3種陰離子去除速率由大到小依次為v（Cl-）＞v（NO3-）＞v（SO42-）。其中，Cl-和NO3-去除率隨著系統(tǒng)脫鹽率的升高而迅速增加，去除速率較大且基本呈線性關系。相比之下，SO42-去除率則呈現(xiàn)不同的結(jié)果，當系統(tǒng)脫鹽率≤70%時，SO42-去除率幾乎沒有明顯變化，最高只有14.6%，去除速率很低；當系統(tǒng)脫鹽率＞70%時，SO42-去除率迅速增加，去除速率變大。

3種陰離子去除率和去除速率的不同表明，在電滲析直流電場的作用下，3種陰離子隨電流的遷移速率存在明顯區(qū)別，Cl-和NO3-遷移較快，能迅速轉(zhuǎn)移至濃水側(cè)，而SO42-遷移很慢，更多留在了淡水側(cè)。為此，可以利用電滲析的這種特性實現(xiàn)對一價和二價陰離子的分離，在本試驗中，控制系統(tǒng)脫鹽率為70%左右可以達到最佳的分離效果。

2.2?系統(tǒng)脫鹽率與Cl-、SO42-、NO3-的去除率

低脫鹽率和高脫鹽率下，電滲析進水、淡水和濃水各指標平均濃度見表2、表3，系統(tǒng)脫鹽率和各離子去除率見圖3、圖4。

由圖3、圖4可見，兩種情況下，系統(tǒng)脫鹽率和各離子去除率都較為穩(wěn)定，可見電滲析系統(tǒng)具有較好的運行穩(wěn)定性，并可以通過控制電壓、電流和膜面積等參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率。平均系統(tǒng)脫鹽率為65.6%時，Cl-、SO42-和NO3-的平均去除率分別為70.8%、20.1%和81.8%；平均系統(tǒng)脫鹽率為82.3%時，Cl-、SO42-和NO3-的平均去除率分別為87.0%、57.3%和83.9%。在不同的系統(tǒng)脫鹽率下，Cl-和SO42-去除率變化較大，而NO3-去除率變化很小，這一點在2.1節(jié)不同離子去除率的結(jié)論中也可以得到驗證。

2.3?COD、NH4+去除率和SiO2遷移率

系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行后，電滲析進水、淡水和濃水各指標平均濃度見表4，COD、NH4+去除率和SiO2遷移率見圖5。

由圖5可見，系統(tǒng)在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，平均NH4+去除率為68.4%，平均COD去除率為63.8%，去除率不高，平均SiO2遷移率僅為4.7%，表明僅有極少量的SiO2可以遷移至濃水側(cè)，絕大部分仍然留在淡水側(cè)。

由于電滲析只能通過電場遷移帶電組分，因此對非電介質(zhì)SiO2無遷移作用，SiO2只會隨水分子極少量地轉(zhuǎn)移至濃水側(cè)，本試驗數(shù)據(jù)與周占明等的研究結(jié)果相符合。另外，高鹽廢水中有機物成分十分復雜，部分離子型有機物可隨電流遷移至濃水側(cè)，而另一部分非離子型有機物則留在淡水側(cè)，因此電滲析對COD的去除率與廢水中有機物的成分有直接關系。

2.4?電滲析與反滲透參數(shù)對比

在高鹽廢水零排放處理中，電滲析與反滲透的作用都是對濃鹽水進行脫鹽和濃縮處理。為此，通過將電滲析的試驗數(shù)據(jù)與某煤化工高鹽廢水零排放項目的高壓反滲透（運行壓力<100bar）運行數(shù)據(jù)進行對比，以探討電滲析在工程上代替高壓反滲透的可行性。

電滲析試驗數(shù)據(jù)與高壓反滲透運行數(shù)據(jù)對比見表5。

由表5可知，電滲析除對NO3-的去除率高于高壓反滲透外，對其他組分的去除率都明顯低于高壓反滲透，其系統(tǒng)脫鹽率也明顯低于高壓反滲透，但系統(tǒng)回收率和濃水TDS要高很多。因此，相比高壓反滲透，電滲析的脫鹽效果較差，但濃縮效果很好。另外，盡管電滲析的系統(tǒng)脫鹽率較低，但系統(tǒng)脫鹽率的大小可以靈活調(diào)節(jié)，從而提升了電滲析在不同使用工況下的適應性。

與此同時，電滲析對SiO2沒有任何去除效果，使其在淡水側(cè)富集，而高壓反滲透對SiO2的去除率很高，使其在濃水側(cè)富集；電滲析對于非離子型有機物沒有去除效果，使其留在淡水側(cè)，而高壓反滲透對所有有機物都有很高的去除率，有機物幾乎都被截留在濃水側(cè)。電滲析的這一特性有效避免了SiO2和有機物在濃水側(cè)富集，從而保證了后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的正常運行，而SiO2和有機物則可以隨淡水回流至前端的預處理系統(tǒng)進行去除。

通過綜合分析可以看出，電滲析盡管脫鹽效果較差，但可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率，而且因其具有很高的濃縮效果，以及對SiO2和COD的特殊選擇性，使其在高鹽廢水零排放項目中的應用成為可能。

3、結(jié)語

（1）電滲析對3種陰離子的去除速率從大到小依次為v（Cl-）＞v（NO3-）＞v（SO42-），同一系統(tǒng)脫鹽率下的離子去除率從大到小依次為η（NO3-）＞η（Cl-）＞η（SO42-）。

（2）系統(tǒng)脫鹽率為69.7%時，對應的Cl-、NO3-和SO42-去除率分別為82.8%、92.0%和14.6%，此時對一價陰離子和二價陰離子的分離效果最好。因此，可以利用電滲析的這一特性實現(xiàn)對高鹽廢水中一價鹽和二價鹽的初步分離。

（3）通過控制電壓、電流和膜對面積等參數(shù)可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)脫鹽率，而且電滲析在不同脫鹽率下具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，使其在不同工況下的適應性大大提升。

（4）SiO2和非離子型有機物均不受電滲析直流電場的影響，平均SiO2遷移率僅為4.7%，平均COD去除率為63.8%。

（5）對比高壓反滲透，電滲析的脫鹽效果較差，需要進行二級脫鹽，但其濃縮效果很好，平均濃水TDS可達到212912mg/L，遠高于高壓反滲透的152433mg/L。

（6）電滲析具有濃縮效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定性較強、系統(tǒng)脫鹽率可靈活調(diào)節(jié)以及不富集SiO2和有機物等優(yōu)點，具備較好的工程化應用前景。（來源：內(nèi)蒙古久科康瑞環(huán)?？萍加邢薰荆?/span>