頻繁倒極電滲析技術在循環水系統的應用

董祥德 ,王炳春,曾慶波

(1.濰坊亞星化學股份有限公司，山東 濰坊 261000;2.山東省海洋化工科學研究院，山東 濰坊 262737)

循環涼水系統在工業生產中廣泛采用。循環水系統就功能來說，首先要實現降溫的目的。在運行過程中，要防止循環水結垢和氯離子對設備和管道的腐蝕，除了在循環水中加入緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑外，還要控制陰陽離子的濃度，即控制一定的濃縮倍數。常規的方法是對循環水系統進行排污，即排放鈣離子、氯離子含量較高的循環水。根據補水水質的不同，各企業控制的濃縮倍數不同。循環水系統除正常蒸發損失外，為控制濃縮倍數而排放水，造成水資源的極大浪費。我國北方地區水資源缺乏，在可預見的未來，自來水水質會越來越差，水資源會越來越緊張。回收循環水系統排污水，提高循環水的利用率，具有非常重要的經濟和社會效益。

1 循環水處理運行現狀

濰坊亞星化學股份有限公司(以下簡稱“濰坊亞星”)現有6座循環水站。總循環量在25 000 m3/h以上，每年循環水系統排污水，如控制濃縮倍數為3，有1/3的補充水外排。大量水的外排，造成水資源的極大浪費。

為除去循環水中的鹽分，節約循環水，濰坊亞星做了大量調研工作，也對一些節水技術進行了試驗，如電化學法水處理等技術。電化學法水處理技術的工作原理是利用電化學反應，將水中的Ca2+、Mg2+以固體沉淀的形式除去，降低循環水的硬度。單程Ca2+、Mg2+的去除率在10%左右，但陰離子Cl-無法去除。循環水中高含量的Cl-會對設備和管道造成腐蝕。

在廣泛調研的基礎上，濰坊亞星采用了山東省某公司研發的頻繁倒極電滲析技術進行循環水的處理。

2 頻繁倒極電滲析技術

頻繁倒極電滲析技術是在電滲析技術的基礎上進行了完善和改進。電滲析是利用直流電為驅動力進行脫鹽和濃縮，陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽淡化和濃縮兩個系統。當向隔室通入鹽水后，在直流電場作用下，陽離子向負極遷移，并只能通過陽離子交換膜；陰離子向正極遷移，只能通過陰離子交換膜：從而使淡室中的鹽水被淡化，濃室中的鹽水被濃縮。一般情況下，淡水作為產水被回收利用，濃水作為廢水排掉[1]。

電滲析法沒有類似常規離子交換樹脂制水的再生操作，可大量減少再生劑用量。但常規電滲析法在運行過程中易在電極和離子膜上產生和累積鈣、鎂的碳酸鹽污垢，由于結垢問題，不能長周期運行，此技術發展速度緩慢，未得到推廣。

頻繁倒極電滲析的原理和電滲析法基本相同。只是在運行過程中，每隔一定時間(一般為15～20 min)，正負電極極性相互倒換一次，因此稱其為頻繁倒極電滲析。它能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，以確保離子交換膜效率的長期穩定性及淡水的水質和水量。它的出現是電滲析技術的一次重大突破。其最大的優點在于：水回收率高(可達85%～95%),能耗低,除鹽率可高達95%,離子交換膜抗污染能力強，使用壽命長達4年以上。此技術可用在食品脫鹽、工藝廢水脫鹽、工業無離子水制備等領域[2],在反滲透法無離子水制備中濃水的回收應用中取得了良好的效果，在循環水處理中也取得了良好效果。

3 試驗結果

通過前期的調研，本著技術可行、經濟合理的原則，為控制技術和投資決策風險，采用該技術對現有循環水的外排水進行了試驗，試驗結果如表1所示(設定回收率80%)。

表1 循環水處理試驗結果

4 運行情況

根據小試結果，認為此技術處理效果比較理想，用于回收循環水的排污水是可行的。濰坊亞星決定在一座4 000 m3/h循環量的涼水塔進行試用。此涼水塔現狀為：溫差在8～10 ℃，每天有500 m3外排水。按照進水量31 m3/h，回收率為80%進行項目設計,設計參數如下：進水水量31 m3/h，進水電導率3 000～3 500 μS/cm，進水硬度(以碳酸鈣計)≤800 mg/L,淡水出水量25 m3/h,淡水電導率≤1 000 μS/cm,淡水硬度(以碳酸鈣計)≤150 mg/L,淡水中Cl-質量濃度≤200 mg/L。

循環水電滲析除鹽項目從2016年10月19日開始試運行，從試運行效果看，達到了設計要求，循環水的硬度、Cl-等指標都有較大程度的降低，循環水水質得到明顯改善。運行工藝參數如下：原水流量22 t/h,濃水外排量4 t/h,淡水回用量18 t/h;原水電導率2 150 μS/cm，淡水電導率700 μS/cm，濃水電導率11 000 μS/cm;原水硬度(以碳酸鈣計)515 mg/L，淡水硬度(以碳酸鈣計)117 mg/L;原水中Cl-質量濃度318 mg/L，淡水中Cl-質量濃度113 mg/L。能源、物料消耗如下：回收水量12 960 m3/月，運行總電壓407 V，運行總電流17.8 A,阻垢劑25 kg/月,亞硫酸鈉12 kg/月,鹽酸6 t/月。

在試運行過程中，由于設計進水量為31 m3/h，受生產裝置不能停車的影響，暫時的進水口開口較小，實際進水量22 m3/h。連續運行3天后，循環水水質明顯變好，接近自來水水質，因此，頻繁倒極電滲析裝置采用間歇運行的方式進行。

4 效果評價

按年均運行330天、每天24 h計，頻繁倒極電滲析裝置運行費用：設備折舊費0.4元/(t·水)，藥劑費0.1元/(t·水)，電費[以0.65元/(kW·h)計]0.78元/(t·水)。合計總運行費用1.28元/(t·水)。濰坊亞星工業用水綜合水價格5.6元/m3，因此，頻繁倒極電滲析裝置收益為4.32元/(t·水)，每天回收水400 m3計，每年收益57萬元。

[1] 朱琳.EDI技術在電廠水處理中的運用[C].全國火電100 MW級機組技術協作會第五屆年會論文集，2006:354-358.

[2] 王沖，楊建軍，劉振寧，等.長慶油田第二凈化廠EDI水處理裝置運行分析[J].投資與合作，2013(9)：257-258.