頻繁倒極電滲析技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用

董祥德 ,王炳春,曾慶波

(1.濰坊亞星化學(xué)股份有限公司，山東 濰坊 261000;2.山東省海洋化工科學(xué)研究院，山東 濰坊 262737)

循環(huán)涼水系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用。循環(huán)水系統(tǒng)就功能來(lái)說(shuō)，首先要實(shí)現(xiàn)降溫的目的。在運(yùn)行過程中，要防止循環(huán)水結(jié)垢和氯離子對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕，除了在循環(huán)水中加入緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑外，還要控制陰陽(yáng)離子的濃度，即控制一定的濃縮倍數(shù)。常規(guī)的方法是對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行排污，即排放鈣離子、氯離子含量較高的循環(huán)水。根據(jù)補(bǔ)水水質(zhì)的不同，各企業(yè)控制的濃縮倍數(shù)不同。循環(huán)水系統(tǒng)除正常蒸發(fā)損失外，為控制濃縮倍數(shù)而排放水，造成水資源的極大浪費(fèi)。我國(guó)北方地區(qū)水資源缺乏，在可預(yù)見的未來(lái)，自來(lái)水水質(zhì)會(huì)越來(lái)越差，水資源會(huì)越來(lái)越緊張?；厥昭h(huán)水系統(tǒng)排污水，提高循環(huán)水的利用率，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 循環(huán)水處理運(yùn)行現(xiàn)狀

濰坊亞星化學(xué)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“濰坊亞星”)現(xiàn)有6座循環(huán)水站?？傃h(huán)量在25 000 m3/h以上，每年循環(huán)水系統(tǒng)排污水，如控制濃縮倍數(shù)為3，有1/3的補(bǔ)充水外排。大量水的外排，造成水資源的極大浪費(fèi)。

為除去循環(huán)水中的鹽分，節(jié)約循環(huán)水，濰坊亞星做了大量調(diào)研工作，也對(duì)一些節(jié)水技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，如電化學(xué)法水處理等技術(shù)。電化學(xué)法水處理技術(shù)的工作原理是利用電化學(xué)反應(yīng)，將水中的Ca2+、Mg2+以固體沉淀的形式除去，降低循環(huán)水的硬度。單程Ca2+、Mg2+的去除率在10%左右，但陰離子Cl-無(wú)法去除。循環(huán)水中高含量的Cl-會(huì)對(duì)設(shè)備和管道造成腐蝕。

在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，濰坊亞星采用了山東省某公司研發(fā)的頻繁倒極電滲析技術(shù)進(jìn)行循環(huán)水的處理。

2 頻繁倒極電滲析技術(shù)

頻繁倒極電滲析技術(shù)是在電滲析技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和改進(jìn)。電滲析是利用直流電為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行脫鹽和濃縮，陰、陽(yáng)離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽淡化和濃縮兩個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)向隔室通入鹽水后，在直流電場(chǎng)作用下，陽(yáng)離子向負(fù)極遷移，并只能通過陽(yáng)離子交換膜；陰離子向正極遷移，只能通過陰離子交換膜：從而使淡室中的鹽水被淡化，濃室中的鹽水被濃縮。一般情況下，淡水作為產(chǎn)水被回收利用，濃水作為廢水排掉[1]。

電滲析法沒有類似常規(guī)離子交換樹脂制水的再生操作，可大量減少再生劑用量。但常規(guī)電滲析法在運(yùn)行過程中易在電極和離子膜上產(chǎn)生和累積鈣、鎂的碳酸鹽污垢，由于結(jié)垢問題，不能長(zhǎng)周期運(yùn)行，此技術(shù)發(fā)展速度緩慢，未得到推廣。

頻繁倒極電滲析的原理和電滲析法基本相同。只是在運(yùn)行過程中，每隔一定時(shí)間(一般為15～20 min)，正負(fù)電極極性相互倒換一次，因此稱其為頻繁倒極電滲析。它能自動(dòng)清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，以確保離子交換膜效率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及淡水的水質(zhì)和水量。它的出現(xiàn)是電滲析技術(shù)的一次重大突破。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于：水回收率高(可達(dá)85%～95%),能耗低,除鹽率可高達(dá)95%,離子交換膜抗污染能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)達(dá)4年以上。此技術(shù)可用在食品脫鹽、工藝廢水脫鹽、工業(yè)無(wú)離子水制備等領(lǐng)域[2],在反滲透法無(wú)離子水制備中濃水的回收應(yīng)用中取得了良好的效果，在循環(huán)水處理中也取得了良好效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過前期的調(diào)研，本著技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則，為控制技術(shù)和投資決策風(fēng)險(xiǎn)，采用該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有循環(huán)水的外排水進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示(設(shè)定回收率80%)。

表1 循環(huán)水處理試驗(yàn)結(jié)果

4 運(yùn)行情況

根據(jù)小試結(jié)果，認(rèn)為此技術(shù)處理效果比較理想，用于回收循環(huán)水的排污水是可行的。濰坊亞星決定在一座4 000 m3/h循環(huán)量的涼水塔進(jìn)行試用。此涼水塔現(xiàn)狀為：溫差在8～10 ℃，每天有500 m3外排水。按照進(jìn)水量31 m3/h，回收率為80%進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)參數(shù)如下：進(jìn)水水量31 m3/h，進(jìn)水電導(dǎo)率3 000～3 500 μS/cm，進(jìn)水硬度(以碳酸鈣計(jì))≤800 mg/L,淡水出水量25 m3/h,淡水電導(dǎo)率≤1 000 μS/cm,淡水硬度(以碳酸鈣計(jì))≤150 mg/L,淡水中Cl-質(zhì)量濃度≤200 mg/L。

循環(huán)水電滲析除鹽項(xiàng)目從2016年10月19日開始試運(yùn)行，從試運(yùn)行效果看，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，循環(huán)水的硬度、Cl-等指標(biāo)都有較大程度的降低，循環(huán)水水質(zhì)得到明顯改善。運(yùn)行工藝參數(shù)如下：原水流量22 t/h,濃水外排量4 t/h,淡水回用量18 t/h;原水電導(dǎo)率2 150 μS/cm，淡水電導(dǎo)率700 μS/cm，濃水電導(dǎo)率11 000 μS/cm;原水硬度(以碳酸鈣計(jì))515 mg/L，淡水硬度(以碳酸鈣計(jì))117 mg/L;原水中Cl-質(zhì)量濃度318 mg/L，淡水中Cl-質(zhì)量濃度113 mg/L。能源、物料消耗如下：回收水量12 960 m3/月，運(yùn)行總電壓407 V，運(yùn)行總電流17.8 A,阻垢劑25 kg/月,亞硫酸鈉12 kg/月,鹽酸6 t/月。

在試運(yùn)行過程中，由于設(shè)計(jì)進(jìn)水量為31 m3/h，受生產(chǎn)裝置不能停車的影響，暫時(shí)的進(jìn)水口開口較小，實(shí)際進(jìn)水量22 m3/h。連續(xù)運(yùn)行3天后，循環(huán)水水質(zhì)明顯變好，接近自來(lái)水水質(zhì)，因此，頻繁倒極電滲析裝置采用間歇運(yùn)行的方式進(jìn)行。

4 效果評(píng)價(jià)

按年均運(yùn)行330天、每天24 h計(jì)，頻繁倒極電滲析裝置運(yùn)行費(fèi)用：設(shè)備折舊費(fèi)0.4元/(t·水)，藥劑費(fèi)0.1元/(t·水)，電費(fèi)[以0.65元/(kW·h)計(jì)]0.78元/(t·水)。合計(jì)總運(yùn)行費(fèi)用1.28元/(t·水)。濰坊亞星工業(yè)用水綜合水價(jià)格5.6元/m3，因此，頻繁倒極電滲析裝置收益為4.32元/(t·水)，每天回收水400 m3計(jì)，每年收益57萬(wàn)元。

[1] 朱琳.EDI技術(shù)在電廠水處理中的運(yùn)用[C].全國(guó)火電100 MW級(jí)機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì)第五屆年會(huì)論文集，2006:354-358.

[2] 王沖，楊建軍，劉振寧，等.長(zhǎng)慶油田第二凈化廠EDI水處理裝置運(yùn)行分析[J].投資與合作，2013(9)：257-258.