中水回用电渗析中试实验研究

杨海燕 周文凡 江 臣 王 恒 薛红艳

（1. 中油股份独山子石化分公司研究院设备研究所，新疆 独山子 833699；2. 中油股份独山子石化分公司科技信息处，新疆 独山子 833699）

0 引言

为进一步论证电渗析工艺在公司中水回用工程的适应性和可行性，需要通过中试试验来验证在较长时间连续运行和较大处理量下电渗析的处理效果，为将来工业化设计应用提供重要的技术支撑。电渗析中试实验目的：（1）在较长时间连续运行（15d）和较大流量（0.2～0.5m3·h-1）条件下，验证电渗析技术在公司中水回用循环水过程中，同步降低电导率和COD的性能。建立电渗析的电流、电压与水流量、脱盐率之间关系；（2）考察电渗析膜污染防治效果。中水里面有明显的悬浮物，中试实验时，长期的连续运行，会导致膜污染十分严重，电渗析性能会明显下降。同时中水硬度较高，也产生无机盐结垢。中试试验中将采用保安过滤器预处理、频繁倒极、酸洗等操作来验证解决膜污染问题的效果；（3）依据较长时间的运行数据，对电渗析技术用于中水回用循环水，进行技术经济分析，考察设备成本、使用寿命、运行成本、水回收率、以及维护成本等因素，对电渗析技术应用中水回用循环水，做出客观的分析和准确的结论，为工业化设计，提供重要的参考。

1 中水电渗析中试实验技术方案

1.1 技术原理

为提高循环水浓缩倍率，不但要降低中水的COD、浊度，还要降低电导率及氯离子、硫酸根等易腐蚀或结垢离子。中水脱盐主要方法有离子交换、电渗析等技术。电渗析脱盐的基本原理是利用离子交换膜的选择透过性。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻档阴离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部份离子迁移到另一路水中去，从而达到含盐水淡化、降低电导率的目的。相比较而言，电渗析进水水质要求低，设备简单，水处理成本较低，操作方便。

1.2 主要控制参数

淡水浓水流量、电渗析电压、电渗析电流、离子交换膜尺寸和对数。

1.3 仪器设备

电渗析中试设备配置表如表1所示。

1.4 设备水处理流程

原水-原水泵-袋式过滤器-原水箱-离心泵-电渗析，得到极水、脱盐水、和浓盐水。极水循环回原水箱，脱盐水和浓盐水经电导率表测量后，接塑料软管外排。

2 实验过程及结果分析

2.1 实验过程

表1 电渗析中试设备配置表

中水通过原水泵经袋式过滤器进入原水箱，再通过电渗析进水泵进入电渗析设备，以流量计调节脱盐水、浓水、极水流量，流量控制在100～500L·h-1。打开电渗析电源，电压在40～60V可调节。考察电压、中水流量、脱盐率等，以浓水电导率3000us/cm作为中水回收率确定的标准，以脱盐水和浓盐水的比例计算电渗析工艺的水回收率。电渗析产水和浓水外排到地漏，极水循环回到原水箱，每隔两小时倒极运行以减轻膜污染。测量不同进水流量（浓水固定100L·h-1，淡水100、200、300、400、500L·h-1）及不同电压（30、40、50、60V）下产水的电导率，探索电渗析脱盐率与电压、进水流量之间的关系。测量数据如表2所示，综合脱盐率、水回收率、吨水能耗、设备处理效率、浓水电导率等指标，选择60V操作电压、淡水流量400L·h-1、浓水流量100L·h-1作为运行条件，连续运行15d，并按固定时间间隔对原水、产水、浓水的水质进行分析，考察长期运行下电渗析工艺对中水水质改善效果和膜污染防治效果。

2.2 结果分析

长期运行过程中水质分析主要包括电导率、COD、pH、碱度、硬度、浊度、脱盐率、吨水能耗等指标。各指标随运行时间变化情况如下列各图表所示。

图1 浓水淡水电导率随运行时间变化关系图

图2 电渗析脱盐率随运行时间变化关系图

表2 不同操作电压和进水流量下的产水电导率

表3 电渗析对腐蚀性离子脱除效果

（1）由图1、图2可以看出，电渗析工艺对中水具有明显的脱盐效果，原水电导率从600～790μs·cm-1降到230～340μs·cm-1，以电导率指标为计算标准脱盐率可达58～62%。相应的，根据电渗析的工作原理，浓水的电导率提升至1800～2800μs·cm-1。同时，从腐蚀性离子浓度（如表3所示）也可以观察电渗析工艺对中水的脱盐效果：原水中氯离子和硫酸根离子的浓度分别从42.51、97.82mg·L-1降至8.82、48.22mg·L-1，脱除的离子主要进入浓水中，因此浓水的氯离子和硫酸根离子浓度分别升至181.17、232.41mg·L-1；

图3 浓水淡水COD随运行时间变化关系图

（2）从图3可以看出，电渗析工艺对中水可以降低部分COD，原水COD从17～29mg·L-1经电渗析装置后降至2～13mg·L-1，而浓水的COD则上升至30～86mg·L-1，从而可以判断电渗析工艺能降低COD值主要是因为溶解性荷电有机物在电场作用下从淡室迁移到浓室中；

图4 浓水淡水浊度随运行时间变化关系图

（3）从图4可以看出，原水经过电渗析装置后浊度明显降低，而且淡水和浓水浊度都下降至相近水平，而不是像COD和电导率那样淡水降低浓水升高。而且在实验过程中观察到原水经过电渗析装置后，水质明显变清澈，这说明中水里的不溶性物质在电渗析膜堆中被截留，而这将不可避免的造成电渗析膜污染，降低电渗析装置的脱盐效果。而且实验过程中电渗析进水压力逐渐升高，说明隔室水流阻力上升，进一步说明膜污染的发生；

（4）电渗析装置的脱盐效果也因为膜污染问题逐渐下降，随着电渗析装置连续运行240h后，脱盐率（如图2所示）逐渐从刚开始运行时的67%降至56%。为减轻膜污染，配制20L百分之二的柠檬酸溶液对膜进行循环酸洗2h，酸洗后电渗析脱盐率部分恢复至62%；

图5 浓水淡水pH随运行时间变化关系图

图6 淡水碱度随运行时间变化关系图

（5）从图5可以看出，中水经过电渗析处理后，产水pH值些许降低，而浓水pH值相应上升，pH值的变化可以从碱度变化（如图6所示）解释：中水经过电渗析处理后，碱性离子从淡室定向迁移至浓室中，原水碱度从90～129mg·L-1降至淡水碱度15～56mg·L-1；

图7 淡水硬度随运行时间变化关系图

（6）从图7为中水经过电渗析处理前后的硬度变化情况，可以看出中水硬度经过电渗析处理后有明显降低，从107～170mg·L-1降至5～63mg·L-1。硬度降低原因是中水中的钙、镁离子在电渗析电场作用下从淡室定向迁移至浓室中；

图8 电渗析吨水能耗随运行时间变化关系图

（7）从图8可以看出，在电渗析长期运行过程中，电渗析吨水能耗保持在0.04～0.06KW·h较低水平，充分体现出电渗析工艺能耗低的优势。

3 结语

（1）综合考虑脱盐率、水回收率、吨水能耗、设备处理效率、浓水电导率等指标，通过参数摸索试验选定60V操作电压、淡水流量400L·h-1、浓水流量100L·h-1作为中试连续运行的最优条件；

（2）经过连续15d左右中试试验，电渗析工艺处理中水的脱盐效果稳定，脱盐率可达58～62%，吨水能耗保持在0.04～0.06KW·h较低水平；氯离子、硫酸根离子等腐蚀性离子浓度的去除率分别可达79.25%、50.71%；

（3）中水经过电渗析处理后，碱性离子从淡室定向迁移至浓室中，碱度从90～129mg·L-1降至淡水碱度15～56mg·L-1，硬度从107～170mg·L-1降至淡水硬度5～63mg·L-1；

（4）实验过程中，采取每隔2h手动倒极（工业上可实现自动倒极操作），可控制电渗析膜的污染问题，实现电渗析工艺长时间连续运行。若电渗析的脱盐率下降10%左右时，可配制少量2%的柠檬酸溶液对膜进行循环酸洗2h，即可恢复电渗析膜的脱盐效果。