工程說(shuō)明

1 背景

隨著地球上淡水資源的日趨匱乏，水資源的合理利用已成當(dāng)下亟待解決的一大難題，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)，隨著國(guó)家相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)成本及可持續(xù)發(fā)展的影響也越來(lái)越大。所以尋找一種合適的水處理除鹽技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的污水回用領(lǐng)域顯得尤為重要。目前傳統(tǒng)的除鹽方法主要有反滲透、電滲析、離子交換等[1]。但這些方法對(duì)前道預(yù)處理要求普遍較高，尤其是鋼鐵等行業(yè)所產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜，沿用這些傳統(tǒng)的方法勢(shì)必對(duì)設(shè)備的前期預(yù)處理提出很高的要求，且增加投資和運(yùn)行成本。電吸附水處理技術(shù)作為一項(xiàng)新興水處理技術(shù)，以其在工業(yè)廢水回用領(lǐng)域獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。

上海某鋼鐵廠(chǎng)冷軋廢水站改造項(xiàng)目對(duì)冷軋堿性含油廢水水進(jìn)行處理，前處理采用MBR工藝，并采用電吸附除鹽系統(tǒng)對(duì)其出水進(jìn)一步除鹽，使電導(dǎo)率小于1500μS/cm，即達(dá)到該鋼廠(chǎng)二類(lèi)串接水標(biāo)準(zhǔn)才能滿(mǎn)足生產(chǎn)回用的目的。經(jīng)過(guò)一年多的連續(xù)運(yùn)行，結(jié)果表明電吸附除鹽設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便、且運(yùn)行中基本不消耗化學(xué)藥劑，其產(chǎn)品水可以替代新鮮水源，能夠?qū)崿F(xiàn)廢水的重新利用。

2 電吸附除鹽技術(shù)基本原理及工藝流程

2.1基本原理

電吸附（electrosorption）除鹽的基本思想是通過(guò)施加外加電壓形成靜電場(chǎng)，強(qiáng)制離子向帶有相反電荷的電極處移動(dòng)，對(duì)電極的充放電進(jìn)行控制，改變電極處的離子濃度，并使之不同于本體濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液的脫鹽。使用一種多孔材料制成的惰性電極，不僅導(dǎo)電性能良好，而且具有很大的比表面積，置于靜電場(chǎng)中時(shí)會(huì)在其與電解質(zhì)溶液界面處產(chǎn)生很強(qiáng)的雙電層[2]。雙電層的厚度只有1～10nm，卻能儲(chǔ)存大量的電解質(zhì)離子。一旦除去電場(chǎng)，被吸附在電極上的陰陽(yáng)離子又會(huì)脫附出來(lái)，并擴(kuò)散到本體溶液中，使溶液濃度升高，然后再用水把脫附出來(lái)的離子沖洗出去，通過(guò)這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)電極材料的再生[3]。其工作原理如圖1所示。

圖1  電吸附原理圖

2.2工藝流程

工藝流程分為二個(gè)步驟：工作流程，反洗（再生）流程，如圖2所示：

圖2  工藝流程

工作階段：原水池中的水通過(guò)提升泵被打入保安過(guò)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(lèi)被吸附，水質(zhì)被凈化。

再生階段：就是模塊的反沖洗過(guò)程（此過(guò)程也稱(chēng)為再生），沖洗經(jīng)過(guò)短接靜置的模塊，使電極再生，反洗流程可根據(jù)進(jìn)水條件以及產(chǎn)水率要求選擇一級(jí)反洗、二級(jí)反洗、三級(jí)反洗或四級(jí)反洗。

3某鋼鐵廠(chǎng)電吸附系統(tǒng)運(yùn)行情況

3.1項(xiàng)目概況

某鋼鐵集團(tuán)冷軋廢水站改造項(xiàng)目對(duì)冷軋堿性含油廢水進(jìn)行處理，前處理采用催化氧化＋生化MBR工藝，MBR工藝出水需進(jìn)行除鹽，使電導(dǎo)率小于1500μS/cm后，達(dá)到二類(lèi)串接水標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足生產(chǎn)回用。 該工程于2009年5月順利完成，進(jìn)入運(yùn)行階段。該工程的成功實(shí)施是我國(guó)在冷軋廢水回用處理領(lǐng)域的一大突破。

設(shè)計(jì)水源：冷軋堿性含油廢水

處理規(guī)模：150m3/h

產(chǎn)水要求：電導(dǎo)率≤1500us/cm，得水率75%，脫鹽率62.5%

產(chǎn)水用途：生產(chǎn)回用（二類(lèi)串接水）

3.2系統(tǒng)總工藝流程

系統(tǒng)總工藝流程如圖3：

圖-3系統(tǒng)工藝流程

3.3設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）電吸附除鹽設(shè)備進(jìn)水水質(zhì)

電吸附除鹽設(shè)備處理的廢水為MBR工藝出水，其進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)：

電導(dǎo)率≤4000μS/cm；CODCr≤70mg/l；懸浮物≤5mg/l；濁度≤5NTU；油≤3mg/L；氯離子≤800mg/l；pH：6~9；溫度5~40℃。

（2）電吸附除鹽模塊

數(shù)量：24組，48個(gè)

清洗周期：正常工作條件下不大于2次/年

運(yùn)行方式：常溫常壓，連續(xù)運(yùn)行

電極壽命：≥5年

電極材料：高比表面積（比表面積＞1000m2/g）復(fù)合材料

耐受性：抗強(qiáng)酸（98%硫酸，30%鹽酸）、強(qiáng)堿（30%NaOH）

極對(duì)電壓：1.0~1.5V

3.4考核數(shù)據(jù)分析與討論

系統(tǒng)考核自5月24日上午9時(shí)開(kāi)始，25日下午15時(shí)結(jié)束，考核期間，每小時(shí)記錄一次系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并于24、 25日分四次對(duì)產(chǎn)水取樣，檢測(cè)油及氯離子含量。 為驗(yàn)證模塊對(duì)CODCr的去除效果，對(duì)原水產(chǎn)水分兩次取樣檢測(cè)CODCr的含量，以及濃排水中CODCr 的含量。

（1）在平均進(jìn)水電導(dǎo)率在1335μS/cm的情況下，平均出水電導(dǎo)率為277μS/cm，電導(dǎo)去除率（即除鹽率）為79.3%，系統(tǒng)產(chǎn)水2873 m3的情況下，反洗水量為788.3 m3，產(chǎn)水率為78.5%。由于進(jìn)水電導(dǎo)較低，因此模塊所加的電壓只有220V，此時(shí)模塊噸水耗電量0.55 KWh。

圖-4進(jìn)水電導(dǎo)與外供水電導(dǎo)曲線(xiàn)

（2）由于前一處理單元系統(tǒng)來(lái)水量較小，不能保證系統(tǒng)在150 m3/h下連續(xù)運(yùn)行，性能考核期間選取21-24小時(shí)階段，將系統(tǒng)的處理量調(diào)整至滿(mǎn)負(fù)荷即150 m3/h，在平均進(jìn)水電導(dǎo)1325μS/cm的情況下，平均出水電導(dǎo)為286μS/cm，電導(dǎo)去除率為78.4%；產(chǎn)水509 m3的情況下，反洗水量為136 m3，產(chǎn)水率為78.9%。模塊噸水耗電量為0.55 KWh，與流量調(diào)節(jié)前運(yùn)行指標(biāo)基本一致。

從圖-4進(jìn)水電導(dǎo)與外供水電導(dǎo)曲線(xiàn)上可以看出，系統(tǒng)考核期間外供水電導(dǎo)穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足該車(chē)間生產(chǎn)用水的要求。

（3）考核期間取電吸附進(jìn)水及出水，測(cè)氯離子及油的含量，結(jié)果如表1，進(jìn)水氯離子含量平均為275 mg/l，出水為34.8 mg/l，去除率為87.3%，高于79.3%的電導(dǎo)去除率，說(shuō)明模塊對(duì)氯離子具有較高的選擇吸附性[4]；進(jìn)水中油的含量為2.20 mg/l，出水為2.02 mg/l，降低8.2%，說(shuō)明油類(lèi)不會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)累積。

表1：取樣檢測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

 

取樣	進(jìn)水氯離子（mg/l）	出水氯離子（mg/l）	去除率%	進(jìn)水油類(lèi)（mg/l）	出水油類(lèi)（mg/l）	去除率%
取樣1#	280	32.0	88.6	2.26	1.97	12.8
取樣2#	278	32.0	88.5	2.20	1.91	13.2
取樣3#	264	39.0	85.2	2.11	2.01	4.7
取樣4#	278	36.0	87.1	2.23	2.18	2.2
平均值	275	34.8	87.3	2.20	2.02	8.2

（4）為驗(yàn)證模塊對(duì)CODCr的去除效果，分兩次取樣檢測(cè)模塊進(jìn)水CODCr分別為16 mg/l 、52 mg/l，模塊出水CODCr為10 mg/l 、16 mg/l，CODCr的去除率分別為37.5%、69.2%，檢測(cè)電吸附濃水池排污水的CODCr含量為26 mg/l，以上數(shù)據(jù)表明在該項(xiàng)目中模塊對(duì)CODCr有明顯的去除效果，去除不是單純的吸附與脫附過(guò)程而是實(shí)現(xiàn)了降解，所以濃水CODCr沒(méi)有明顯的提高，可以直接達(dá)標(biāo)排放。

3.5成本分析

由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，不使用任何藥劑，所以成本僅為電耗及過(guò)濾材料消耗：

（1）電耗：考核期間共耗電1579kWh，產(chǎn)水量2873m3，噸水耗電量為0.55kWh。電費(fèi)以0.67元/kWh計(jì)，噸水處理費(fèi)用為0.369元。

（2）過(guò)濾材料消耗：保安過(guò)濾器濾袋使用時(shí)間按6天計(jì)算，濾袋所需費(fèi)用為：70元/只*20只*28小時(shí)/（6天*24小時(shí)），共計(jì)272元，噸水處理費(fèi)用為0.095元。

運(yùn)行時(shí)模塊的噸水處理費(fèi)用合計(jì)為:0.336+0.095=0.464元。

3.6考核結(jié)果

（1）性能考核期間，電吸附系統(tǒng)平均進(jìn)水電導(dǎo)率1335µS/cm，電吸附產(chǎn)水電導(dǎo)率平均值為277µS/cm，去除率為79.3%；進(jìn)水氯離子平均含量為275mg/l出水平均氯離子含量為34.8 mg/l，去除率為87.3%；平均產(chǎn)水率為78.5%，噸水耗電量為0.55kWh，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)回用要求。

（2）通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)出水及濃水CODCr的測(cè)定表明，模塊對(duì)CODCr有明顯的降解作用，且系統(tǒng)濃水CODCr不超標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

（3）通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)出水油含量的測(cè)定表明，模塊對(duì)進(jìn)水油含量指標(biāo)要求很低，且連續(xù)運(yùn)行時(shí)，油不會(huì)在模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)累積，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，即電吸附系統(tǒng)可抗油類(lèi)污染。

（4）電吸附系統(tǒng)性能考核期間，電吸附模塊、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、分析測(cè)量?jī)x表和閥門(mén)性能良好。

（5）經(jīng)計(jì)算在現(xiàn)有來(lái)水情況下，系統(tǒng)的噸水處理成本為0.46元。

4總結(jié)

通過(guò)實(shí)際的工程運(yùn)行考核結(jié)果表明，電吸附技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1） 電吸附產(chǎn)水水質(zhì)比較穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足冶金行業(yè)用于生產(chǎn)回用的要求；

（2） 由于電吸附技術(shù)在工作過(guò)程中只對(duì)水里面的陰陽(yáng)離子做功，只消耗一部分電能，所以其運(yùn)行成本較低 ，但隨著原水含鹽量的增加其能耗也會(huì)相對(duì)上升；

（3） 電吸附技術(shù)對(duì)COD有一定的降解作用，由于每個(gè)行業(yè)或企業(yè)不同所以其COD的種類(lèi)也不同，電吸附技術(shù)去除COD的效果也不盡相同，一般在50%左右，而且排放的尾水不濃縮，可以直接達(dá)標(biāo)排放；

（4） 電吸附技術(shù)可以抗擊油類(lèi)污染；

（5） 電吸附除鹽系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)方便。

綜上，電吸附除鹽技術(shù)具有廣泛的適應(yīng)性，特別是在鋼鐵行業(yè)，由于其需要處理的水質(zhì)惡劣、成分比較復(fù)雜，水質(zhì)波動(dòng)較大，尤其是能夠發(fā)揮其抗沖擊性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，電吸附技術(shù)作為一項(xiàng)新興的水處理技術(shù)能夠滿(mǎn)足鋼鐵行業(yè)對(duì)除鹽技術(shù)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫曉慰, 朱國(guó)富. 電吸附水處理技術(shù)(EST)的原理及構(gòu)成[J]. 工業(yè)用水與廢水. 2002, 33(4): 18-20

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