電滲析技術在電鍍廢水零排放方面的應用研究

季宏飛，李志猛，陳金明，龔炎華

（中國電子科技集團第43研究所 合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230088）

電鍍行業(yè)在環(huán)保政策的指導下，電鍍廢水“零排放”技術成為水資源可持續(xù)利用的重要手段［1-4］。目前電鍍廢水“零排放”處理主流技術是“物化反應處理+多介質過濾處理+膜濃縮減量化處理+蒸發(fā)結晶處理”［5-7］。膜處理濃縮減量直接決定蒸發(fā)器的設備處理能力及決定項目整體運行成本，目前市面電鍍廢水“零排放”項目噸水處理成本約為40～70元。成本高昂對生產企業(yè)負擔很重，因此降低電鍍廢水“零排放”運行成本迫在眉睫［8-10］。電鍍廢水“零排放”運行成本把控的技術關鍵點在于電鍍廢水的濃縮減量，然而反滲透膜濃縮效率有限，廢水總回用率為80%，如果在膜濃縮末端再通過電滲析濃縮技術，則可以實現(xiàn)96%以上的廢水總回用率，廢水蒸發(fā)量顯著減少，項目總體運營成本得到降低。

電滲析裝置是在外設直流電場的作用下，并利用離子交換膜對溶液中離子進行選擇透過性，將溶液中的陰離子和陽離子進行定向遷移，進而達到對溶液除鹽或濃縮的目的［11-12］。為了降低電鍍廢水“零排放”運行成本，引入電滲析設備末端高倍濃縮是有必要的且具備理論基礎。

通過電滲析技術濃縮反滲透濃水，減少廢水蒸發(fā)量，可以極大降低電鍍廢水“零排放”運營成本，給電鍍廢水“零排放”的節(jié)能降耗提供了新的思路。

1 電滲析原理介紹

在直流電場的作用下，溶質則可以通過離子交換膜實現(xiàn)定向遷移，此現(xiàn)象被稱為電滲析（ED）［13-15］。離子交換膜是一類由大分子或化合物材料所合成的膜，具備了對離子選擇性透過的特點，包含陽離子交換膜（CM）和陰離子交換膜（AM）［16-17］。電滲析膜組器組成的基本單元是膜對，一個膜對是由一個脫鹽室和一個濃縮室組成的［18］，一般一臺工業(yè)應用的電滲析膜組器是由數(shù)百個膜對組成［19］。

圖1 電滲析運行原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operation principle of electrodialysis

以氯化鈉溶液為例，當氯化鈉溶液進入電滲析膜組器中，通入直流電，隔室中的鈉離子會透過陽膜進入相鄰隔室，氯離子會透過陰膜進入相鄰隔室［20-21］，隨著運行時間加長，隔室中的陰陽離子被遷移至相鄰的隔室，結果該隔室溶液濃度會降低，則被稱為淡室，相鄰兩邊隔室會不斷遷入陰陽離子，相鄰兩邊隔室溶液濃度會升高，則被稱為濃縮室［20-21］。因此電滲析膜組器就能夠持續(xù)地產生淡化溶液和濃縮溶液［22］。

2 項目概述及工藝流程

本項目為某電鍍公司廢水“零排放”項目，處理能力為10 m3/h。該項目電鍍廢水通過電絮凝設備進行電解絮凝去除廢水中的有機物及重金屬，然后利用混凝沉淀池進行絮凝沉淀，剩余密度較小的懸浮物通過氣浮機進行去除，再通過多介質過濾器和超濾膜設備進行去除更細小懸浮物及膠體，最后通過反滲透膜設備進行脫鹽減量化，反滲透產水制作的純水回用于生產線，反滲透濃水通過三效蒸發(fā)結晶設備進行處理。

廢水初始電導率檢測為3000 μS/cm，經(jīng)過兩段反滲透濃縮后，檢測其電導率為30000 μS/cm，回用率80%，另外20%反滲透濃縮液需要蒸發(fā)結晶處理，運行成本為50元/t（運行成本包含：電費、蒸汽費、藥品、耗材和污泥處理費等）。由于客戶年處理廢水量為24000 t，廢水處理費用高達120萬元，造成企業(yè)負擔很重。

圖2 廢水零排放工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of zero wastewater discharge

應客戶要求進行升級改造，降低廢水運行成本，經(jīng)過分析蒸發(fā)費用占總運行成本費用約50%，因此能很大地降低運行成本空間，我司提出使用電滲析技術對反滲透濃水高倍濃縮，減少廢水蒸發(fā)量。將電導率30000 μS/cm的反滲透濃水繼續(xù)濃縮，使?jié)饪s液電導率提高至80000 μS/cm以上，為了使電滲析產水能夠通過反滲透設備繼續(xù)脫鹽，因此控制電滲析產水的電導率不高于10000 μS/cm。設計電滲析設備回用率80%，較原“零排放”系統(tǒng)中需要蒸發(fā)的廢水量減少了80%，成功地將運作成本降低至30元/t，每年處理廢水的運作成本節(jié)省了40%。

圖3 電滲析設備工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of electrodialysis equipment

電滲析系統(tǒng)設備是由一臺電滲析器、保安過濾器、換熱器、濃縮水箱、清洗水箱、泵閥儀器儀表和電氣控制等設備組成。其中電滲析器中的離子交換膜使用的是日本富士均相膜。

設備具備倒極功能，為全自動化控制，運行維護方便簡單。

3 電滲析設計參數(shù)

3.1 電滲析膜參數(shù)

隔板外框尺寸280 mm×560 mm×140 mm，單片膜尺寸：270 mm×550 mm，膜總面積為59.4 m2，膜的有效面積為20 m2，單張膜面積為0.1 m2，電滲析膜對共計200對，電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h）（以氯化鈉為例，理論值）。

3.2 電源參數(shù)

富士均相電滲析膜理論上單張每平方米膜需要電流為400 A，即電流密度為400 A/m2，因此本項目單張膜面積為0.1 m2，因此需要電流密度為40 A/m2。1對膜對需要0.6 V電壓值（經(jīng)驗值），電滲析膜對共計200對，理論需要電壓120 V，預留約10%余量，設計電壓為130 V，電源電流-電壓值為40 A-130 V，可倒極。

4 結果分析

本項目設計電滲析膜的總面積為59.4 m2，實際有效面積為20 m2，根據(jù)其特性，出廠理論上可以脫鹽10 kg/h（以氯化鈉為例，電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h）。本項目是硫酸鈉廢水，初始濃淡水電導率均為30000 μS/cm（質量濃度約3%），經(jīng)過電滲析脫鹽，淡水電導率降低至10000 μS/cm（質量濃度約1%），共耗時1.5 h，實際脫鹽量為20 kg，折合1 h脫鹽為13 kg，符合設計預期標準。在運行的過程中，初始電流值為32 A，電壓值為130 V，運行1 h后電流值為14 A，電壓值為70 V，均在實際標準范圍內。運行流量與壓力參數(shù)見表1。

表1 運行流量與壓力參數(shù)Tab.1 Operating flow and pressure parameters

電滲析設備運行發(fā)現(xiàn)5 t廢水經(jīng)過濃縮可以產生淡水4 t（電導率10000 μS/cm），濃水1 t（電導率80000 μS/cm），回用率為80%。

通過電滲析設備進行末端濃縮后，項目廢水總回用率達到96%，只有4%的濃縮液進行蒸發(fā)，較原“零排放”系統(tǒng)中需要蒸發(fā)的廢水量減少了80%，項目運行成本從50元/t降低至30元/t，效果顯著。改造前后回用率及運行成本對照表見表2。

表2 改造前后回用率及運行成本對照Tab.2 Comparison of reuse rate and operating cost before and after transformation

由于普通的電滲析在運行過程中可能會出現(xiàn)污堵、結垢和出水水質不穩(wěn)定等問題，在本項目的電滲析脫鹽裝置中，通過采用頻繁倒極設計克服了上述現(xiàn)象，確保了整個過程的穩(wěn)定運行。

5 結論與展望

本文采用均相膜電滲析系統(tǒng)作為濃縮設備，將反滲透濃水進一步濃縮，均相膜為日本富士進口離子膜，將電鍍廢水電導率從30000 μS/cm濃縮至80000 μS/cm以上，電滲析設備回用率達到80%以上，并驗證了電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h），實現(xiàn)了改造后“零排放”系統(tǒng)總回用率達到96%，只有4%的濃縮液進行蒸發(fā)，較原“零排放”系統(tǒng)中蒸發(fā)廢水量減少了80%，項目運行成本從50元/t降低至30元/t，減少企業(yè)年運行成本40%。成功實現(xiàn)了電滲析技術在電鍍廢水“零排放”系統(tǒng)中的應用，并且大大降低了項目運行成本，為該系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供新的思路，同時為電滲析技術在電鍍廢水“零排放”項目規(guī)模化應用奠定基礎。