鋼廠循環(huán)水進(jìn)行深度除鹽處理，對(duì)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(diǎn)考察對(duì)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(yàn)過(guò)程及方法

1.1 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)用水采用國(guó)華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司3號(hào)機(jī)組循環(huán)水排污水，水質(zhì)情況見(jiàn)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(guò)帶電電極吸附水中離子及帶電粒子，實(shí)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(yáng)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(chǎng)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了水的除鹽及凈化。電極在吸附過(guò)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(chǎng)消失，吸附的離子就會(huì)從電極表面解析下來(lái)，隨水流排出，實(shí)現(xiàn)電極的再生。

1.3 試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)采用電吸附裝置由北京愛(ài)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(guò)濾器1臺(tái)，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(guò)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(guò)保安過(guò)濾器進(jìn)入模塊，通過(guò)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(gè)中間水箱抽水，經(jīng)保安過(guò)濾器后進(jìn)入模塊，對(duì)工作結(jié)束的模塊進(jìn)行再生，再生時(shí)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(shí)，可以使用加酸計(jì)量泵在再生過(guò)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(yàn)采用加堿、沉淀、石英砂過(guò)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(lái)決定，當(dāng)堿度和硬度同時(shí)較高時(shí)，加入適量的氫氧化鈉，對(duì)堿度和硬度的去除率越高。同時(shí)考慮到抑制除鹽過(guò)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(guò)加堿軟化、沉淀、通過(guò)石英砂過(guò)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(jiàn)圖 3。

圖 3 預(yù)處理工藝流程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

電吸附除鹽試驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段自2013年3月21日開(kāi)始至4月20日，主要考察對(duì)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(duì)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(yùn)。3月29日至4月4日期間試驗(yàn)裝置啟動(dòng)，由于試驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)水電導(dǎo)率波動(dòng)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(kāi)始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)期間每天對(duì)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(cè)定項(xiàng)目有堿度、硬度、電導(dǎo)率、濁度、氯化物等，測(cè)定方法按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行。根據(jù)中試裝置的工作時(shí)間、流量和排污時(shí)間、流量來(lái)統(tǒng)計(jì)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(lái)計(jì)算噸水能耗和藥劑消耗。

2.1 預(yù)處理對(duì)堿度和硬度的影響

原水堿度和硬度較高，為深度除鹽帶來(lái)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)預(yù)處理階段對(duì)堿度的去除率在50%～90%，平均去除率為75.5%；預(yù)處理對(duì)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(duì)堿度的去除效果較好。由于沒(méi)有足夠的堿度參與反應(yīng)，總硬度的去除率相對(duì)較低。如果向原水中加入適量藥劑以增加原水的堿度，同時(shí)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(guò)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(duì)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(yàn)以電導(dǎo)率的去除率來(lái)判斷電吸附的除鹽能力。試驗(yàn)第1階段水溫較低，原水電導(dǎo)率波動(dòng)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(yàn)開(kāi)始產(chǎn)水電導(dǎo)率變化較大的主要原因是運(yùn)行初期對(duì)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(shí)對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，即便產(chǎn)生了碳酸鈣或硫酸鈣結(jié)垢，經(jīng)過(guò)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(duì)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(yàn)，試驗(yàn)方法及內(nèi)容與第1階段相同。此次試驗(yàn)期間，原水電導(dǎo)率在2 900～6 500 μS/cm，相對(duì)第1階段原水電導(dǎo)率大幅增加且波動(dòng)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(gè)模塊施加電壓49 V，8月1—5日，提高到單個(gè)模塊施加電壓51 V，脫鹽率仍保持在75%左右。試驗(yàn)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(shí)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(jiàn)，試驗(yàn)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(yàn)水源來(lái)自機(jī)組的循環(huán)排污水，通過(guò)投加硫酸調(diào)整高濃縮倍率運(yùn)行，所以試驗(yàn)用水的總堿度較低；預(yù)處理過(guò)程中對(duì)硬度的去除率較低，但電吸附深度除鹽過(guò)程對(duì)硬度的去除率較高，這也為實(shí)際工程實(shí)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(gè)重要指標(biāo)。試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程中對(duì)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(shí)，及時(shí)調(diào)整加酸量以保證相應(yīng)的堿度去除率。加酸過(guò)量時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水及外排水pH過(guò)低；當(dāng)加酸量太少時(shí)會(huì)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(yàn)主要考察指標(biāo)之一。試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程中原水氯化物波動(dòng)較大，而產(chǎn)水氯化物比較穩(wěn)定，電吸附裝置對(duì)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(yàn)根據(jù)工作流量計(jì)、反洗流量計(jì)、工作時(shí)間、反洗時(shí)間及預(yù)處理水量來(lái)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)水率，其中工作流量400 L/h、排污流量500 L/h、工作時(shí)間∶排污時(shí)間=22∶7，統(tǒng)計(jì)得到綜合產(chǎn)水率為71.5%。電吸附能耗主要消耗在工作時(shí)的加電吸附，一般來(lái)講去除鹽分越多能耗越高。采用在線監(jiān)測(cè)電流表、電壓表計(jì)算得出試驗(yàn)?zāi)芎脑?.3～2.9 kW·h/t，平均噸水能耗為2.67 kW·h。

試驗(yàn)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(jì)算使用量為0.6‰左右，但實(shí)際加藥量比計(jì)算值略高，主要原因是手動(dòng)加藥條件比較簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)手段有限，造成浪費(fèi)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(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致鹽酸使用量增加）。

2.7 運(yùn)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(jì)，項(xiàng)目計(jì)劃投資費(fèi)用為1 778 萬(wàn)元，產(chǎn)水運(yùn)行成本為1.5 元/ m3（其中能耗費(fèi)為0.82 元/m3，能耗以1.78 kW·h/m3計(jì)）。按黃河水取水水價(jià)和排污費(fèi)合計(jì)費(fèi)用4.6元/m3計(jì)算，年利潤(rùn)為348萬(wàn)，5 a即可收回工程投資費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)論

試驗(yàn)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(guò)程基本不需要酸、堿和鹽溶液，切斷電極電源即可完成，不會(huì)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(duì)進(jìn)水的預(yù)處理要求較低，即使前期處理過(guò)程出現(xiàn)一些問(wèn)題對(duì)電吸附模塊的沖擊性也較小，不會(huì)造成不可修復(fù)的損毀。使用過(guò)程中pH、余氯、有機(jī)物、錳、鐵等一般對(duì)電吸附模塊沒(méi)有影響，停運(yùn)時(shí)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(shì)；從經(jīng)濟(jì)效益分析，電吸附除鹽裝置每噸產(chǎn)水的運(yùn)行成本低于黃河水取水水價(jià)和排污費(fèi)合計(jì)費(fèi)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(shì)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)