鋼廠循環(huán)水進(jìn)行深度除鹽處理，對水中含鹽量、氯化物、總堿度、總硬度、濁度等指標(biāo)進(jìn)行分析，重點考察對循環(huán)水的除鹽效果及影響因素，為電吸附除鹽技術(shù)處理并回用該類水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性提供依據(jù)。

1 試驗過程及方法

1.1 試驗用水水質(zhì)

試驗用水采用國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司3號機(jī)組循環(huán)水排污水，水質(zhì)情況見表1。循環(huán)水補(bǔ)充水為石灰深度處理后中水與工業(yè)水（黃河水）的混合水，屬于高含鹽量、高氯離子水質(zhì)。

表 1 電廠循環(huán)冷卻排污水水質(zhì)

1.2 技術(shù)原理

電吸附除鹽技術(shù)主要是通過帶電電極吸附水中離子及帶電粒子，實現(xiàn)水中帶電物質(zhì)在電極表面的富集，從而達(dá)到凈化或淡化被處理水質(zhì)的一種新型水處理技術(shù)〔5〕。電吸附除鹽的工作原理如圖1所示。

圖 1 電吸附除鹽技術(shù)基本原理

原水從陰、陽電極組成模塊的一端進(jìn)入，從另一端流出。在模塊間直流電場的作用下，水中帶電粒子分別向帶相反電荷的電極遷移，并被電極（多孔狀物質(zhì)）吸附。隨著離子、帶電粒子在電極表面富集濃縮，并儲存在電極表面的雙電層中，模塊中水的溶解鹽類、膠體顆粒及其他帶電物質(zhì)的濃度大大降低，從而實現(xiàn)了水的除鹽及凈化。電極在吸附過程中逐漸達(dá)到飽和后出水電導(dǎo)率將升高，系統(tǒng)模塊需要進(jìn)行再生恢復(fù)。切斷模塊外加的直流電源，直流電場消失，吸附的離子就會從電極表面解析下來，隨水流排出，實現(xiàn)電極的再生。

1.3 試驗裝置及流程

試驗采用電吸附裝置由北京愛思特水務(wù)科技有限公司提供，其工藝流程如圖 2所示。

圖 2 電吸附裝置流程

電吸附裝置配備1 t/h石英砂過濾器1臺，制水能力0.3～0.5 t/h的除鹽模塊1組，配有4只水箱，分別為原水箱、產(chǎn)水箱和2只中間水箱。在工作階段，經(jīng)過預(yù)處理的循環(huán)水排污水進(jìn)入原水箱，經(jīng)工作泵增壓后經(jīng)過保安過濾器進(jìn)入模塊，通過模塊處理后產(chǎn)水經(jīng)相應(yīng)管路流到產(chǎn)水箱。在再生階段，按照不同的再生工藝使用不同的水泵，可以分別從原水箱和兩個中間水箱抽水，經(jīng)保安過濾器后進(jìn)入模塊，對工作結(jié)束的模塊進(jìn)行再生，再生時出水濃度較高的水作為污水排掉，濃度較低的水進(jìn)入中間水箱，作為下一次再生的沖洗用水。當(dāng)預(yù)處理后原水仍然有較高的堿度和硬度，可能導(dǎo)致模塊產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)垢時，可以使用加酸計量泵在再生過程中向再生沖洗進(jìn)水加入適量酸液，以防止模塊內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢。

1.4 預(yù)處理工藝

待處理的循環(huán)冷卻排污水中堿度、硬度、硫酸根離子含量較高，容易發(fā)生結(jié)垢污堵。試驗采用加堿、沉淀、石英砂過濾等預(yù)處理措施，以有效控制溶液中難溶鹽飽和指數(shù)，避免發(fā)生結(jié)垢堵塞。硬度和堿度的去除效果由原水中的堿度、硬度及其之間的比例來決定，當(dāng)堿度和硬度同時較高時，加入適量的氫氧化鈉，對堿度和硬度的去除率越高。同時考慮到抑制除鹽過程中硫酸鈣結(jié)垢的產(chǎn)生，要求更高的硬度去除率。經(jīng)過加堿軟化、沉淀、通過石英砂過濾器后，可將原水濁度降低到5 NTU以下。預(yù)處理工藝流程見圖 3。

圖 3 預(yù)處理工藝流程

2 試驗結(jié)果及分析

電吸附除鹽試驗分2個階段進(jìn)行，第1階段自2013年3月21日開始至4月20日，主要考察對鹽、堿度、硬度 、氯化物等的去除效果；第2階段自7月24日至8月5日，主要考察水質(zhì)季節(jié)變化對電吸附除鹽能力的影響。3月21—28日期間主要調(diào)試設(shè)備和預(yù)處理聯(lián)合試運。3月29日至4月4日期間試驗裝置啟動，由于試驗開始產(chǎn)水電導(dǎo)率波動較大，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗后產(chǎn)水電導(dǎo)率較穩(wěn)定，于4月5日開始正式試驗。試驗期間每天對原水和產(chǎn)水分別取樣2次，每次取樣500～1 000 mL進(jìn)行水質(zhì)分析，測定項目有堿度、硬度、電導(dǎo)率、濁度、氯化物等，測定方法按《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行。根據(jù)中試裝置的工作時間、流量和排污時間、流量來統(tǒng)計產(chǎn)水量及產(chǎn)水率；依據(jù)電表和鹽酸、氫氧化鈉消耗量來計算噸水能耗和藥劑消耗。

2.1 預(yù)處理對堿度和硬度的影響

原水堿度和硬度較高，為深度除鹽帶來結(jié)垢風(fēng)險。試驗預(yù)處理階段對堿度的去除率在50%～90%，平均去除率為75.5%；預(yù)處理對硬度的去除率在10%～55%，平均去除率為38.5%。原水的硬度明顯比堿度高，加入適量氫氧化鈉溶液后，大部分重碳酸鹽參與反應(yīng)，故預(yù)處理對堿度的去除效果較好。由于沒有足夠的堿度參與反應(yīng)，總硬度的去除率相對較低。如果向原水中加入適量藥劑以增加原水的堿度，同時按比例增加堿液的投加量，硬度去除率可以增加到80%以上。經(jīng)過預(yù)處理階段的加堿沉淀操作和后面的加酸調(diào)節(jié)pH操作，原水電導(dǎo)率略有上升，一般能升到50～150 μS/cm，對后續(xù)的電吸附深度除鹽影響甚微。

2.2 除鹽效果

電導(dǎo)率能夠表征水中含鹽量的多少，試驗以電導(dǎo)率的去除率來判斷電吸附的除鹽能力。試驗第1階段水溫較低，原水電導(dǎo)率波動較大（2 500～4 000 μS/cm），平均電導(dǎo)率為3 277 μS/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率在600～1 000 μS/cm，平均產(chǎn)水電導(dǎo)率為882 μS/cm，平均去除率為74.9%。試驗開始產(chǎn)水電導(dǎo)率變化較大的主要原因是運行初期對堿度、硬度的預(yù)處理效果不理想，模塊產(chǎn)生輕微的碳酸鈣及硫酸鈣結(jié)垢，及時對電吸附模塊進(jìn)行化學(xué)清洗，電吸附模塊的除鹽性能恢復(fù)如初。試驗結(jié)果表明，即便產(chǎn)生了碳酸鈣或硫酸鈣結(jié)垢，經(jīng)過清洗后電吸附模塊性能可以*恢復(fù)，如圖 4所示。

圖 4 第1階段電導(dǎo)率的去除效果

針對夏季循環(huán)水濃縮倍率升高、循環(huán)水電導(dǎo)率大幅增加的情況，進(jìn)行第2階段的電吸附除鹽試驗，試驗方法及內(nèi)容與第1階段相同。此次試驗期間，原水電導(dǎo)率在2 900～6 500 μS/cm，相對第1階段原水電導(dǎo)率大幅增加且波動較大，平均原水電導(dǎo)率為4 185 μS/cm；產(chǎn)水電導(dǎo)率在763～1 811 μS/cm，平均產(chǎn)水電導(dǎo)率為1 127 μS/cm，平均去除率為72.7%。由于原水電導(dǎo)率升高，為了達(dá)到預(yù)期的除鹽效果，自7月24—31日向單個模塊施加電壓49 V，8月1—5日，提高到單個模塊施加電壓51 V，脫鹽率仍保持在75%左右。試驗結(jié)果表明，綜合考慮能耗和脫鹽效果，調(diào)整模塊施加電壓可以實現(xiàn)除鹽效果的優(yōu)化，如圖 5所示。

圖5 第2階段電導(dǎo)率的去除效果

2.3 總硬度去除效果

總硬度關(guān)系到工業(yè)水的使用，其含量直接影響系統(tǒng)是否結(jié)垢。考察了總硬度的去除效果，如圖 6所示。

圖6 總硬度的去除效果

由圖6可見，試驗期間原水總硬度在9～13 mmol/L，基本比較穩(wěn)定，平均值為10.5 mmol/L，產(chǎn)水總硬度在1.4～3.4 mmol/L，平均值為2.28 mmol/L，總硬度平均去除率為78.0%。

總硬度的去除還與原水總堿度有關(guān)，當(dāng)原水總堿度較高，總硬度去除率也較高。試驗水源來自機(jī)組的循環(huán)排污水，通過投加硫酸調(diào)整高濃縮倍率運行，所以試驗用水的總堿度較低；預(yù)處理過程中對硬度的去除率較低，但電吸附深度除鹽過程對硬度的去除率較高，這也為實際工程實施中整體水質(zhì)控制提供了依據(jù)。

2.4 總堿度去除效果

水的總堿度是指水中含有能接受氫離子的物質(zhì)的量，以pH表示酸堿的強(qiáng)度，是控制結(jié)垢的一個重要指標(biāo)。試驗期間原水總堿度在6～7.2 mmol/L，非常穩(wěn)定，平均值為6.6 mmol/L，產(chǎn)水總堿度在0.5～3.3 mmol/L，平均值為1.6 mmol/L，總堿度平均去除率為75.5%。

試驗過程中對堿度的去除包括加酸去除堿度和電吸附模塊的吸附作用，當(dāng)原水堿度發(fā)生明顯變化時，及時調(diào)整加酸量以保證相應(yīng)的堿度去除率。加酸過量時會導(dǎo)致產(chǎn)水及外排水pH過低；當(dāng)加酸量太少時會導(dǎo)致堿度去除率下降。

2.5 氯化物去除效果

氯離子是試驗主要考察指標(biāo)之一。試驗期間原水氯化物在370～500 mg/L，平均值為456.8 mg/L，產(chǎn)水氯化物在40～110 mg/L，平均值為95.6 mg/L，氯離子平均去除率為79.0%。

試驗過程中原水氯化物波動較大，而產(chǎn)水氯化物比較穩(wěn)定，電吸附裝置對氯化物的去除效果明顯，去除率高達(dá)80%左右。循環(huán)排污水經(jīng)電吸附技術(shù)處理后可作為電廠工業(yè)水回用。

2.6 產(chǎn)水率、能耗及藥劑消耗量

本次試驗根據(jù)工作流量計、反洗流量計、工作時間、反洗時間及預(yù)處理水量來統(tǒng)計產(chǎn)水率，其中工作流量400 L/h、排污流量500 L/h、工作時間∶排污時間=22∶7，統(tǒng)計得到綜合產(chǎn)水率為71.5%。電吸附能耗主要消耗在工作時的加電吸附，一般來講去除鹽分越多能耗越高。采用在線監(jiān)測電流表、電壓表計算得出試驗?zāi)芎脑?.3～2.9 kW·h/t，平均噸水能耗為2.67 kW·h。

試驗期間使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的工業(yè)鹽酸和30%左右氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉溶液平均加藥量折合為噸產(chǎn)水的0.8‰（即每噸產(chǎn)水需要加入0.8 kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鈉）。理論計算使用量為0.6‰左右，但實際加藥量比計算值略高，主要原因是手動加藥條件比較簡單，監(jiān)測手段有限，造成浪費較嚴(yán)重。

鹽酸消耗量為噸產(chǎn)水加酸量0.2～0.4 L，平均噸產(chǎn)水加酸量為0.3 L。由于采用加堿軟化方法后原水的堿度、硬度均大幅下降，加酸量也隨之減少。如果加堿軟化法控制得更好，鹽酸使用量還可以有一定幅度的下降（氫氧化鈉加藥量過多或過少都會導(dǎo)致鹽酸使用量增加）。

2.7 運行成本分析核算

按照電吸附除鹽工藝處理能力200 m3/h，原水平均電導(dǎo)率3 200 μS/cm，處理后水質(zhì)電導(dǎo)率＜1 000 μS/cm，系統(tǒng)產(chǎn)水率達(dá)到約75%的設(shè)計，項目計劃投資費用為1 778 萬元，產(chǎn)水運行成本為1.5 元/ m3（其中能耗費為0.82 元/m3，能耗以1.78 kW·h/m3計）。按黃河水取水水價和排污費合計費用4.6元/m3計算，年利潤為348萬，5 a即可收回工程投資費用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，電吸附除鹽裝置可以有效去除電廠循環(huán)水中的離子，產(chǎn)水電導(dǎo)率、總硬度、堿度、氯化物及濁度等能夠滿足回用要求。與傳統(tǒng)的除鹽工藝相比，電吸附除鹽裝置的再生過程基本不需要酸、堿和鹽溶液，切斷電極電源即可完成，不會因采用其他再生液而造成二次污染。由于電吸附模塊中通道較寬，對進(jìn)水的預(yù)處理要求較低，即使前期處理過程出現(xiàn)一些問題對電吸附模塊的沖擊性也較小，不會造成不可修復(fù)的損毀。使用過程中pH、余氯、有機(jī)物、錳、鐵等一般對電吸附模塊沒有影響，停運時也不需要特別的保養(yǎng)和保護(hù)，較電滲析和反滲透更具有操作上的優(yōu)勢；從經(jīng)濟(jì)效益分析，電吸附除鹽裝置每噸產(chǎn)水的運行成本低于黃河水取水水價和排污費合計費用，因此電吸附技術(shù)在電廠污水回用領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢