电吸附除盐技术在中水回用中的应用研究

1 项目概况
  岩东排水有限公司以“保护环境、净化水质、服务社会、促进发展”为宗旨，负责北仑城区的污水处理、再生水回用和承接污水处理设施的运行管理业务。下辖的岩东再生水厂投资1.04亿元于2008年8月建成投产一期规模10万吨/日再生水工程，再生水主要用于宁波钢铁、台塑石化、宝新不锈钢厂、海螺水泥厂等大工业用水。再生水在这些企业主要用作冷却循环水，为提高循环冷却水的浓缩倍数，减少新鲜水补充量，降低运行费用，这些企业都对补充水中的氯离子含量和总含盐量提出了高于国家标准的要求。尽管目前再生水厂出水水质各项参数均满足国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）和《工业循环冷却水设计规范》（GB50050-95）中规定的回用水水质标准，但回用水用户提出了更高的水质标准，他们有权选择性价比优异的水源。对于岩东再生水厂来水说，氯离子含量超出用户要求已成为再生水回用的关键制约因素。为解决这个问题岩东排水有限公司拟将12万立方/天的再生水首先进行电吸附深度除盐处理中试研究，使其产品水满足以上企业的用水要求。
  2 基础资料
  水源：宁波北仑岩东再生水厂经混合、反应、沉淀、D型滤池过滤杀菌后的预处理水。
  

表1  设计进、出水指标表：

  

项目 单位 电吸附系统进水 电吸附系统产水 pH 　 6～9 6～9 SS mg/L ≤5 ≤5 浊度 NTU ≤2 ≤2 色度 倍 ≤10 ≤10 ＊[size=+0]电导率 μS/cm ≤1000 ≤800 ＊[size=+0]总溶解性固体 mg/L ≤650 ≤500 ＊[size=+0]氯化物 mg/L ≤180 ≤27 余氯 mg/L 0.1-0.2 — 碱度

3.电吸附除盐技术基本原理
  由电化学基础理论可知，将固体电极浸在水溶液中，施加电压时，在固体电极/溶液的两相界面处，电荷会在极短距离内分布、排列。作为补偿，带正电荷的正极会吸引溶液中的负离子（相反，负极就会吸引正离子），从而形成双电层[1]。双电层结构相当于一个电容器，可以充放电，即双电层所带的电荷量的大小与双电层的电容值和双电层上的电位差成正比。所以，在一个完整的电化学体系中，且在不发生法拉第反应的情况下，当给两个对应电极的双电层充电时，由于离子富集到电极周围，溶液本体中的浓度降低；相反，给双电层去掉电压，双电层放电，被富集的离子将扩散到本体溶液中，使本体溶液的离子浓度增大。
  电吸附（EST）除盐的基本思想就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，对双电层的充放电进行控制，改变双电层处的离子浓度，并使之不同于本体浓度，从而实现对水溶液的除盐[2]。由于电吸附技术采用的材料，不仅导电性能良好，而且具有很大的比表面积，置于静电场中时会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层。双电层的厚度只有1~10nm，却能吸引大量的电解质离子，并储存一定的能量。一旦除去电场，吸引的离子被释放到本体溶液中，溶液中的浓度升高，然后通过冲洗模块使电极得到再生，通过这一过程去除离子，如图1所示。
  

图1 电吸附除盐原理图

  4工艺流程
  电吸附工艺流程分为二个步骤：工作流程，反洗流程。
  流程如图2所示：
  

图-2 电吸附系统工艺流程图

  工作流程：原水池中的水通过提升泵被打入保安过滤器，固体悬浮物或沉淀物在此道工序被截流，水再被送入电吸附（EST）模块。水中溶解性的盐类被吸附，水质被净化。
  反洗流程：就是模块的反冲洗过程，冲洗经过短接静置的模块，使电极再生，反洗流程可根据进水条件以及产水率要求选择一级反洗、二级反洗、三级反洗或四级反洗。
  5数据与分析
  试验时间（连续运行并考核）：2009年7月31日至2009年8月21日，共分为两个阶段，第一阶段原水为为实际的预处理出水，时间为7月31日~8月11日；第二阶段向原水中添加一定的氯化钠以提高原水中氯化物的含量，时间为8月13日~8月21日。
  检测电导、总硬度、氯化物等指标，并提出水质分析报告单，数据分析如下。
  5.1 电导率
  水的电导率与其所含的无机离子的总量一定的关系，如水中的的无机酸、碱、盐等。当它们的浓度较低时，电导率随浓度的增大而增大，因此常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。电吸附技术对电导率的去除效果如下图所示。
  

图3 电吸附原水和产水电导率及去除率的变化情况

  从运行和检测结果看，原水和产水的电导率均比较稳定，只是在第二阶段试验时向原水中添加了一定量的氯化钠，以增加原水中氯化物的含量，所以其原水电导率有所上升，其原水平均电导率为854μS/cm，产水平均电导率为181μS/cm，平均去除率为78.3%。
  5.2 氯化物
  图4 原水和产水氯离子浓度的变化情况
  由图可知，在第一阶段和第二阶段，原水中氯化物含量变化较大的情况下，电吸附产水的氯离子浓度一直很稳定，可见电吸附除盐技术对氯离子有较好的去除效果。在原水氯化物平均浓度为134.5mg/L时，产水平均值11.6 mg/L，平均去除率达到了90.6%。这是由于阴离子一般不会形成水和离子，其离子半径相对较小，有利于吸附行为的发生，所以氯离子的去除率要高于阳离子甚至是其它阴离子[3]。
  5.3 总硬度
  

图5 原水和产水总硬度的变化情况

  从图5可以看出，电吸附技术对总硬度的去除效果比较稳定，在原水平均浓度为127.9mg/L时，产水平均值52.5 mg/L，平均去除率为59.1%。
  5.4 COD
  

图6 电吸附原水和产水COD的变化情况

  由图6可知，电吸附技术对该种原水中的COD也有一定的去除效果。在原水的COD为28.6 mg/L的情况下，电吸附产水的COD平均浓度为10.9 mg/L。去除率为53.1%。
  5.5 氨氮
  

图7 原水和产水氨氮含量的变化情况

  从图上可以看出，电吸附技术对氨氮的去除效果较低，在原水为0.2294 mg/L的情况下，产水的平均含量为0.1581 mg/L，去除率只有44.17%，可见相对于其它离子来说电吸附技术对氨氮的去除率偏低，当然这可能是原水中氨氮的含量本来就比较低的缘故。
  5.6 硝酸盐氮
  

图8 硝酸盐氮含量的变化情况

  有图可见，电吸附技术对硝酸盐氮的去除效果非常好，大大高于对氨氮的去除效果，究其原因可能是电吸附技术对以离子态形式存在的物质去除效果较好，而对于以分子尤其是以有机物形式存在的物质去除效果相对较差。在原水硝酸盐氮含量为5.73 mg/L的情况下，产水的平均浓度为0.42 mg/L，去除率达到了92.65%。
  5.7总磷
  

图9 原水和产水总磷的变化情况

  由图可知，此次试验原水中总磷的浓度波动较大，其总体的去除效果与氨氮差不多，在原水为0.5649 mg/L的情况下，产水为0.3149 mg/L，平均去除率为42.41%。
  5.8 吨水电耗与产水率
  此次中试采用的电吸附除盐系统的处理量为0.5~1.0m3/h，连续运行20天，总共产水451 m3 ，总排水108 m3，耗电量为257kwh，其吨水电耗为0.57kwh，电价按0.7元/kwh计，其吨水运行成本为0.39元；系统产水率为76%。
  6 结论
  采用电吸附除盐技术对岩东排水有限公司再生水厂出水进行除盐中试试验研究，并取得了很好的效果，在原水波动较大的情况下，产水一直比较稳定，具体结果如下：
  （1）原水平均电导率为854μS/cm，产水平均电导率为181μS/cm，平均去除率为78.3%；
  （2）原水氯化物平均浓度为134.5mg/L，产水平均值11.6 mg/L，平均去除率达到了90.6%
  （3）总硬度原水平均为127.9mg/L，产水平均值52.5 mg/L，平均去除率为59.1%；
  （4）原水COD为28.6 mg/L，电吸附产水的COD平均浓度为10.9 mg/L，去除率为53.1%
  （5）氨氮原水为0.2294 mg/L，产水的平均含量为0.1581 mg/L，去除率44.17%；
  （6）原水硝酸盐氮含量为5.73 mg/L，产水平均浓度为0.42 mg/L，去除率达到了92.65%；
  （7）原水总磷为0.5649 mg/L的情况下，产水为0.3149 mg/L，平均去除率为42.41%；
  （8）其吨水电耗为0.57kwh，电价按0.7元/kwh计，其吨水运行成本为0.39元，系统产水率为76%；
  由此可见，电吸附技术完全能够满足处理该种水质的需求，尤其对氯化物的去除效果较好，在保证产水水质的情况下，系统的运行成本也比较低，所以电吸附技术应用于该再生水厂的中水回用系统完全是可行的。
  参考文献
  [1] 查全性. 电极过程动力学导论（第3版）[M]. 北京: 科学出版社，2002.
  [2] 孙晓慰. 电吸附水处理技术及设备. 工业水处理, 2002, 22(8): 1- 3.
  [3] Dengsong Zhang, Liyi Shi, Jianhui Fan, et.al.Removal of NaCl from salt water solution using carbon nanotubes/activated carbon composite electrodes[J]. Materials Letters, 2006, 60:360-363.

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