中水回用電滲析中試實驗研究

楊海燕 周文凡 江 臣 王 恒 薛紅艷

（1. 中油股份獨山子石化分公司研究院設備研究所，新疆 獨山子 833699；2. 中油股份獨山子石化分公司科技信息處，新疆 獨山子 833699）

0 引言

為進一步論證電滲析工藝在公司中水回用工程的適應性和可行性，需要通過中試試驗來驗證在較長時間連續運行和較大處理量下電滲析的處理效果，為將來工業化設計應用提供重要的技術支撐。電滲析中試實驗目的：（1）在較長時間連續運行（15d）和較大流量（0.2～0.5m3·h-1）條件下，驗證電滲析技術在公司中水回用循環水過程中，同步降低電導率和COD的性能。建立電滲析的電流、電壓與水流量、脫鹽率之間關系；（2）考察電滲析膜污染防治效果。中水里面有明顯的懸浮物，中試實驗時，長期的連續運行，會導致膜污染十分嚴重，電滲析性能會明顯下降。同時中水硬度較高，也產生無機鹽結垢。中試試驗中將采用保安過濾器預處理、頻繁倒極、酸洗等操作來驗證解決膜污染問題的效果；（3）依據較長時間的運行數據，對電滲析技術用于中水回用循環水，進行技術經濟分析，考察設備成本、使用壽命、運行成本、水回收率、以及維護成本等因素，對電滲析技術應用中水回用循環水，做出客觀的分析和準確的結論，為工業化設計，提供重要的參考。

1 中水電滲析中試實驗技術方案

1.1 技術原理

為提高循環水濃縮倍率，不但要降低中水的COD、濁度，還要降低電導率及氯離子、硫酸根等易腐蝕或結垢離子。中水脫鹽主要方法有離子交換、電滲析等技術。電滲析脫鹽的基本原理是利用離子交換膜的選擇透過性。陽離子交換膜只允許陽離子通過，阻檔陰離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，在外加直流電場的作用下，水中離子作定向遷移，使一路水中大部份離子遷移到另一路水中去，從而達到含鹽水淡化、降低電導率的目的。相比較而言，電滲析進水水質要求低，設備簡單，水處理成本較低，操作方便。

1.2 主要控制參數

淡水濃水流量、電滲析電壓、電滲析電流、離子交換膜尺寸和對數。

1.3 儀器設備

電滲析中試設備配置表如表1所示。

1.4 設備水處理流程

原水-原水泵-袋式過濾器-原水箱-離心泵-電滲析，得到極水、脫鹽水、和濃鹽水。極水循環回原水箱，脫鹽水和濃鹽水經電導率表測量后，接塑料軟管外排。

2 實驗過程及結果分析

2.1 實驗過程

表1 電滲析中試設備配置表

中水通過原水泵經袋式過濾器進入原水箱，再通過電滲析進水泵進入電滲析設備，以流量計調節脫鹽水、濃水、極水流量，流量控制在100～500L·h-1。打開電滲析電源，電壓在40～60V可調節。考察電壓、中水流量、脫鹽率等，以濃水電導率3000us/cm作為中水回收率確定的標準，以脫鹽水和濃鹽水的比例計算電滲析工藝的水回收率。電滲析產水和濃水外排到地漏，極水循環回到原水箱，每隔兩小時倒極運行以減輕膜污染。測量不同進水流量（濃水固定100L·h-1，淡水100、200、300、400、500L·h-1）及不同電壓（30、40、50、60V）下產水的電導率，探索電滲析脫鹽率與電壓、進水流量之間的關系。測量數據如表2所示，綜合脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設備處理效率、濃水電導率等指標，選擇60V操作電壓、淡水流量400L·h-1、濃水流量100L·h-1作為運行條件，連續運行15d，并按固定時間間隔對原水、產水、濃水的水質進行分析，考察長期運行下電滲析工藝對中水水質改善效果和膜污染防治效果。

2.2 結果分析

長期運行過程中水質分析主要包括電導率、COD、pH、堿度、硬度、濁度、脫鹽率、噸水能耗等指標。各指標隨運行時間變化情況如下列各圖表所示。

圖1 濃水淡水電導率隨運行時間變化關系圖

圖2 電滲析脫鹽率隨運行時間變化關系圖

表2 不同操作電壓和進水流量下的產水電導率

表3 電滲析對腐蝕性離子脫除效果

（1）由圖1、圖2可以看出，電滲析工藝對中水具有明顯的脫鹽效果，原水電導率從600～790μs·cm-1降到230～340μs·cm-1，以電導率指標為計算標準脫鹽率可達58～62%。相應的，根據電滲析的工作原理，濃水的電導率提升至1800～2800μs·cm-1。同時，從腐蝕性離子濃度（如表3所示）也可以觀察電滲析工藝對中水的脫鹽效果：原水中氯離子和硫酸根離子的濃度分別從42.51、97.82mg·L-1降至8.82、48.22mg·L-1，脫除的離子主要進入濃水中，因此濃水的氯離子和硫酸根離子濃度分別升至181.17、232.41mg·L-1；

圖3 濃水淡水COD隨運行時間變化關系圖

（2）從圖3可以看出，電滲析工藝對中水可以降低部分COD，原水COD從17～29mg·L-1經電滲析裝置后降至2～13mg·L-1，而濃水的COD則上升至30～86mg·L-1，從而可以判斷電滲析工藝能降低COD值主要是因為溶解性荷電有機物在電場作用下從淡室遷移到濃室中；

圖4 濃水淡水濁度隨運行時間變化關系圖

（3）從圖4可以看出，原水經過電滲析裝置后濁度明顯降低，而且淡水和濃水濁度都下降至相近水平，而不是像COD和電導率那樣淡水降低濃水升高。而且在實驗過程中觀察到原水經過電滲析裝置后，水質明顯變清澈，這說明中水里的不溶性物質在電滲析膜堆中被截留，而這將不可避免的造成電滲析膜污染，降低電滲析裝置的脫鹽效果。而且實驗過程中電滲析進水壓力逐漸升高，說明隔室水流阻力上升，進一步說明膜污染的發生；

（4）電滲析裝置的脫鹽效果也因為膜污染問題逐漸下降，隨著電滲析裝置連續運行240h后，脫鹽率（如圖2所示）逐漸從剛開始運行時的67%降至56%。為減輕膜污染，配制20L百分之二的檸檬酸溶液對膜進行循環酸洗2h，酸洗后電滲析脫鹽率部分恢復至62%；

圖5 濃水淡水pH隨運行時間變化關系圖

圖6 淡水堿度隨運行時間變化關系圖

（5）從圖5可以看出，中水經過電滲析處理后，產水pH值些許降低，而濃水pH值相應上升，pH值的變化可以從堿度變化（如圖6所示）解釋：中水經過電滲析處理后，堿性離子從淡室定向遷移至濃室中，原水堿度從90～129mg·L-1降至淡水堿度15～56mg·L-1；

圖7 淡水硬度隨運行時間變化關系圖

（6）從圖7為中水經過電滲析處理前后的硬度變化情況，可以看出中水硬度經過電滲析處理后有明顯降低，從107～170mg·L-1降至5～63mg·L-1。硬度降低原因是中水中的鈣、鎂離子在電滲析電場作用下從淡室定向遷移至濃室中；

圖8 電滲析噸水能耗隨運行時間變化關系圖

（7）從圖8可以看出，在電滲析長期運行過程中，電滲析噸水能耗保持在0.04～0.06KW·h較低水平，充分體現出電滲析工藝能耗低的優勢。

3 結語

（1）綜合考慮脫鹽率、水回收率、噸水能耗、設備處理效率、濃水電導率等指標，通過參數摸索試驗選定60V操作電壓、淡水流量400L·h-1、濃水流量100L·h-1作為中試連續運行的最優條件；

（2）經過連續15d左右中試試驗，電滲析工藝處理中水的脫鹽效果穩定，脫鹽率可達58～62%，噸水能耗保持在0.04～0.06KW·h較低水平；氯離子、硫酸根離子等腐蝕性離子濃度的去除率分別可達79.25%、50.71%；

（3）中水經過電滲析處理后，堿性離子從淡室定向遷移至濃室中，堿度從90～129mg·L-1降至淡水堿度15～56mg·L-1，硬度從107～170mg·L-1降至淡水硬度5～63mg·L-1；

（4）實驗過程中，采取每隔2h手動倒極（工業上可實現自動倒極操作），可控制電滲析膜的污染問題，實現電滲析工藝長時間連續運行。若電滲析的脫鹽率下降10%左右時，可配制少量2%的檸檬酸溶液對膜進行循環酸洗2h，即可恢復電滲析膜的脫鹽效果。