电渗析技术在废水处理中的应用进展

王凤侠 卫新来 刘俊生

摘 要：本文介绍了电渗析的原理及影响因素，总结了电渗析技术在处理高盐废水、氨氮废水、重金属废水、放射性废水、有机废水等方面的应用，并对电渗析技术在废水处理应用与发展趋势进行了展望.

关键词：电渗析;废水处理;离子交换膜

中图分类号：X703.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）12-0036-06

地球上的淡水资源占水资源的2.5%-3.5%，其中人类能使用的更少，仅占0.3%-0.8%[1].我国人均水资源占有量仅为世界人均水资源占有量的1/4，且我国的城市67%以上存在缺水问题[2].我国水资源有限，废水的回收再利用在一定程度上能缓解我国水资源的短缺.废水中含有盐、重金属、放射性物质、有机物质、病毒、微生物等，不经处理的废水排放，不仅浪费资源，还会污染周围环境，会对动物和人产生危害.

传统的废水处理方式以氧化还原法、生化处理法、蒸发浓缩技术等为主[3]，但这些方法存在高投资、操作繁琐、处理条件不易满足、能耗高等缺点.与传统的废水处理方法相比，电渗析技术反应条件温和、易操作，装置简单易于自动化，不需要再外加试剂，是一种非常高效的废水处理技术[4，5].电渗析技术是在外加电场的作用下，使不同的电荷的离子透过离子交换膜达到不同物质分离的技术[6-8].

电渗析技术可应用在湿法冶金、化工分离、化学反应、轻工与食品加工、海水脱盐、工业废水处理等方面[9，10].按废水的性质分类，电渗析技术可处理高盐废水、氨氮废水、重金属废水、放射性废水、有机废水等[11-15].电渗析技术能量消耗低，易操作，试剂消耗少，是一种环境友好的分离技术.

1 电渗析技术的原理及影响因素

电渗析处理的过程中，带有电荷的离子选择性通过离子交换膜，阴阳离子的定向迁移，从而达到盐分脱离或某些产物的纯化[16，17].溶液中带正电荷的组分在电流作用下向负电荷移动，带负电荷的则相反，溶液中不带电荷的组分不受电位差的推动的影响[18].电渗析反应器内有多组交替安置的阴阳离子交换膜组件，在外加电场作用下将淡盐室带电荷组分迁移到浓盐室.电渗析过程示意图，如图1所示.

电渗析技术的传质推动力是电能，电压、电流的大小是电渗析技术的关键[19].若电流过小，则达不到预期效果，若电流过大极有可能造成极化现象，被处理溶液的带电离子不能迅速补充到离子交换膜与溶液之间，离子浓度趋于零，则停滞层大量水会被电离产生H+和OH-.范爱勇[20]等用双极膜电渗析从琥珀酸钠中分离琥珀酸，实验探索了不同的操作电流对琥珀酸浓度、电流效率以及能耗等的影响，结果表明在2.0A的电流下操作最佳，对1L浓度为0.5mol/L的琥珀酸钠进行处理后产生的琥珀酸质量浓度约52.55g/L，平均能耗为3.24kW·h/kg，电流效率可达88%.

在电渗析过程中流量过小处理效率较低，也会造成膜堆沉淀，流量过大会对膜堆造成很大的冲击，缩短膜的寿命.通常增大流量，处理效率会增大，处理时间会缩短.随着流量的增大，流速变大，使脱酸浓缩两室的溶液搅拌更加激烈，膜与溶液间的界面层的停滞层厚度变薄，易发生极化.刘颖[21]等对电渗析过程运行参数和工艺进行综合优化，探讨结果表明当淡水流量为150L/h，浓水流量为120L/h，采用一级两段膜堆构型，两段膜对数比为27/23时，电渗析系统的脱盐率可达90%，有望实现低能耗海水淡化.电渗析装置运行中操作电压、电流、流量、溶液初始浓度等均会对电渗析的工作效率产生影响，选择合适的条件不仅会提高电渗析工作效率、增加膜的使用寿命还可降低能耗.

2 电渗析技术的应用

2.1 高盐废水资源化利用

高盐废水通常指总溶解固体物（TDS）质量分数大于1%的废水，废水中含大量的Cl-、SO42-、Na+、Ca2+、Mg2+等离子[22].高盐废水多产生于金属冶炼、煤转化、化工、制药等产业生产过程中.高盐废水含有多种盐类，若不经过处理直接排放，会造成土壤盐碱化[23-25].

较成熟的处理高盐废水的方法有蒸发浓缩法、热浓缩法、生化法、膜分离法等[26-30].蒸发浓缩设备简单，容易操作，该工艺技术适用于高盐废水中COD相对较低、盐分易结晶的废水，其工艺流程较长、能耗高、处理效率低.热浓缩法操作简单，淡水水质好，但有些设备初期投入成本大，热能利用率低.当含盐量高于2%时，不宜选用生化法[31]，高盐废水含有较高的化学需氧量，较少的生化需氧量，并且有些废水含有较多的有毒物质，宜先除去较多的盐分，再选择合适的生化处理方法.膜分离法由于其不需要外加化学物质，是一种新兴高效的废水处理方法，处理高盐废水的膜分离方法有电渗析、反渗透技术等.与其他膜分离法相同，电渗析同样有膜易污染、进水水质有要求的技术难题.但同时电渗析技术由于其操作简单、能耗低、污染小等优点，进年来成为处理废水的一种高效的工艺.

吸附剂是工业生产过程中常用到的一类物质，一些吸附剂再生过程会产生高浓度含废水.离子交换树脂吸附水中的离子，降低水中的硬度、碱度和阴阳离子，离子交换树脂再生废水中含有高盐和高氯离子，对污水处理有较大的冲击性，应选用合适的处理方法对废水进行处理.王慧等[32]采用频繁倒极电渗析法处理离子交换树脂再生废水，其工艺对再生废水的脱盐率、氯离子、总硬度的去除率分别为85.46%、91.13%、59.38%，对盐分有脱除效率的同时氯离子能达到回用水标准.

在稀土厂生产过程中每天排放的废水中硫酸铵平均浓度为50000mg/L，氯化铵平均浓度为 60000mg/L左右，若不對这类废水进行处理不仅浪费铵资源和水资源，更会对环境造成污染.薛德明[33]等尝试用离子交换膜电渗析法对硫酸铵废水进行浓缩回收，研究表明这类铵盐呈现良好的电渗析脱除性能和浓缩性能，在一定条件下铵盐浓度可达到5mg/L以下，高盐浓缩液可作为液体铵肥直接利用，淡化水可达标排放或经过深度处理作为回用水.

靖阳等[34]以实际焦化废水深度处理工程项目产生的反渗透浓水为研究对象，采用电渗析法处理二级反渗透废水，进水水质TDS为10000-20000 mg/L，出水水质TDS为250-500mg/L，电渗析产生的少量的浓水的TDS值已超过40000mg/L，经进一步处理可实现污水零排放.夏敏等[35]研究了双极膜电渗析技术在工业高含盐废水中的应用，图2为高含盐废水零排放处理流程，其中浓缩和浓缩液处理阶段包含电渗析技术.与传统电渗析不同，双极膜电渗析能将水快速解离生成H+和OH-，通过离子交换膜将盐转化为相应的酸和堿[36-37]，经双极膜电渗析处理的高盐废水最终产物为相应的酸和碱，使废水得到资源化利用.电渗析-反渗透技术连用常作为废水处理的末端处理工艺，以更低的投资和大致相当的能耗，将蒸发水量减少了40%，这也使得零排放系统的整体投资与运行能耗进一步显著降低[38].研究表明电渗析可减少高盐废水对环境污染的同时能实现高盐废水资源化利用.

2.2 处理氨氮废水

废水中含有氨氮易导致废水富营养化，水体富营养化后藻类及其他微生物大量繁殖，从而导致水中溶解氧的下降，溶解氧下降导致水中生物和植物生存困难，水体出现恶臭腐烂现象.高浓度氨氮废水中还含有酚类、碱和重金属等物质，其危害大，不易处理[39].在生产过程中氨氮对金属铜具有腐蚀性，氨氮在管道中易与微生物形成生物垢，阻塞管道并影响换热效率[40].处理低氨氮废水常采用生物硝化反硝化法[41].处理高氨氮废水常采用吹脱法，其脱氨率仅为70%，无法达到国家排放标准，且投资大，低温时效率低，二次污染严重[42].

为解决碳酸钴企业废水处理过程中存在氨氮回收利用率低、能耗大的问题，柴子绯等[43]采用电渗析对反渗透浓缩后的废水继续进行浓缩，进水铵盐质量分数为2%-3%，经电渗析处理后质量分数在13%左右，高铵盐废水经蒸发结晶产品可外卖，实现资源回收利用.有学者采用电渗析法和PP中空纤维膜法，处理高浓度无机氨氮废水，实验结果表明电渗析电压为50V时，浓水氨氮浓度为3400.0mg/L，淡水为11.5mg/L，淡水出水率为86%[44].杨晓奕[42]等也用电渗析法和PP中空纤维膜法分离回收了氨氮，进水浓度2000-3000mg/L，氨氮去除率在85%以上，同时可获得8.9%的浓氨水.用此法处理含氨氮的废水，不仅有效地分离回收了氨氮，且出处理效率高、无试剂的二次污染，处理后的废水可以达标排放.

垃圾渗滤液中含有高浓度氨氮，陈日耀等[45]研究采用阴阳离子双隔膜三室电解槽，以铁为阳极，石墨作阴极，采用电渗析技术，将垃圾渗滤液中氨氮富集到阴极液中，以化学沉淀法去除，经处理后氨氮浓度可降至200mg/L以下.程昊等[46]采用改性壳聚糖、海藻酸钠双隔膜电渗析处理垃圾渗滤液，渗滤液中氨氮浓度从1392mg/L降至169mg/L，阴极室氨氮浓度为1063mg/L，经进一步处理阴极室废水可达标排放.以上研究表明，电渗析可作为垃圾渗滤处理的一种技术，且去除氨氮效果较好，不会产生其他污染.

2.3 分离废水中重金属

含重金属的废水通过直接食用或经过食物链的积累进入人和其他生物体内，并且不易排出，具有生物富集性，对人和其他生物具有潜在的危害[47].处理含重金属的废水，传统的中和法需要大量的外加试剂，同时不能富集回收废液中的重金属离子.离子交换树脂需频繁再生树脂，产生大量废液，增加处理成本.离子交换、吸附和膜过滤是处理重金属离子废水常用的方法[48].用于去除各种离子，如Cr3+，Cr6+，Cu2+，Mn2+，Pb2+，Fe3+，Ni2+等[49-51].

金铜矿山在开采和生产的过程中产生大量含铜、铁的酸性废水，铜堆浸实验厂排出的废水的酸度和重金属含量都较高.陈明等[52]采用电渗析方法处理含铜酸性废液，在多段电渗析处理后，淡化室中的废水中Cu2+和H+的去除率分别为97.08%、99.20%，能有效去除大部分的铜离子，同时浓缩液中富集了Cu2+、Fe3+等离子.Xing Y Q等[53]研究经电渗析处理的废水中Cr6+的浓度由最初的40-100mg/L降低至0.09-0.49mg/L，浓室回收液中Cr6+的浓度达到6300mg/L.

在处理含铀工艺废水，电渗析的作用为浓缩和后级深度净化，电渗析进水水质铀含量为0.003mg/L，出水水质铀含量为0mg/L，去除率达到100%[54].杨飞等[55]采用电渗析对浓缩的铀多金属矿选冶废水进行浓缩净化处理，经处理后所含重金属离子可达到纯净水的标准.

2.4 处理放射性废水

含放射性物质的废水来源于工业产生的废水、有色冶金产生的废水、同位素研究产生的废水及核设施运行中产生废水等.放射性物质不仅对动物及人类产生影响，对农作物及植物也会产生极大影响.传统的放射性废水处理主要是过滤、蒸发、离子交换等工艺.近年来随着膜技术的发展，也有人逐渐采用电渗析技术来处理放射性废水[56].

有人采用U靶经反应堆辐照再冷却5天后的含裂变同位素溶液，加入到苦咸水中作原废液进行研究，经电渗析循环实验，其放射性废水总脱除率在98%左右，放射性物质净化率达97.6%[57].邵刚等[58]采用二级电渗析处理低放射性废水，原水比活度为370-3700Bq/L，经二级电渗析处理后水中比活度为14.8-37Bq/L，低放射性物质净化率为98%.张维润[56]采用二级四段电渗析处理某基地低放射性废水，浓水体积减少到原废水的5%，现场应用结果总比活度净化率98%，净化水质达到排放要求.用电渗析技术处理含有Cs、Co、U的废水，废水比活度约50Bq/L，净化水比活度为0.02Bq/L，净化水可直接排放[59].研究表明电渗析技术是一种可以应用于放射性废水处理的技术，其在放射性废水处理尚处于试用阶段，主要受限于电渗析离子膜的稳定性.

2.5 分离废水中有机物

有机化合物成分复杂，有些组分毒性较大，不易降解，易在生物体聚集，有些甚至致癌，研究适宜的去除废水中有机物的工艺很有必要.处理有机废水的方法有物理法和化学法、低温等离子处理技术、曝气生物滤池处理，物理法和化学法处理不彻底且需要外加试剂易造成二次污染，低温等离子处理技术、曝气生物滤池处理的处理条件均受到限制，与此相比电渗析技术是一种更为高效清洁的处理技术[60]，特别是在处理含有有机物的同时含有其他复杂成分的废水时，电渗析技术表现出其独特的优势.

农药废水不仅毒性有机物殘留量高并且含有大量的盐分，给农药废水的处理增加了难度.关莹[61]尝试采用四室电渗析反应器对实际农药生产二级处理出水进行深度处理，其盐分脱除率为95.8%，TOC去除率为72.3%，出水水质较好，通过改进工艺，采用自制三室多极电解电渗析反应器，与传统电渗析相比可有效降解废水中的特征有机污染物三环唑，同时降低了能耗.

高COD的有机废液通常采用生化处理法，但在含盐量较高的情况下无法直接对COD进行生化处理.造纸废水含有较高的COD和盐，有人采用微滤-电渗析工艺处理造纸废水，其出水COD浓度可低于20mg/L[62].Luiz等[63]用电渗析处理高盐、高有机物浓度的生物炼制废水，脱盐率可达到96%，有机物损失0.3%-6.3%.赵则龙[64]采用电渗析技术分离废水中3-氯丙烯醇与无机盐，优化工艺参数后，3-氯丙烯醇回收率大于95%.研究表明，电渗析技术在处理高盐的高有机物废水过程中，能有效分离废水中的有机物.

电渗析与其他处理技术联用处理高含量有机废水也受到关注[65，66].魏江波[67]等采用渗透汽化法-电渗析技术去除费托合成废水中含氧有机物.通过二级渗透汽化分离，有机物质量可提高约53%，在优化条件下，20分钟内废水中的乙酸的去除率可以达到91%.电渗析作为预处理技术与其他技术连用可以降低乙酸对于设备的腐蚀，具有较好的经济效益和环境效益.

3 结语与展望

电渗析技术以其高效经济等的优点正在逐渐在废水领域内得到应用.电渗析技术依托工艺的改进和膜材料的创新发展.在工艺改进方面各个行业的不同废水水质有其局限性，电渗析技术的工艺应与废水的性质相适宜.电渗析处理技术作用于废水中含有电荷的物质，因此能同时处理废水中多种物质，能简化废水处理流程.电渗析能处理不同性质的废水，对于多种复杂成分的废水，电渗析技术能充分发挥其优势.

电渗析技术处理废水对进水水质有一定的要求，处理后的水质可能并未达到排水要求，电渗析技术与其他水处理技术连用，如电渗析-离子交换树脂连用、反渗透-电渗析-超滤连用等技术也会受到更多的关注.开发高性能的离子交换膜是电渗析技术进步的关键.对电性相同，价态不同的离子有选择性的离子交换膜，可以有效提高电渗析分离效率.近年来我国新兴的膜材料在一定程度上促进电渗析技术的发展.高选择性的同时，耐污性能好的离子交换膜，将会是电渗析技术开发和研究的重点.电渗析在废水资源化利用和资源回收方面的应用也将会受到更多的关注.

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