EDI在高鹽廢水“零排放”中的應用（上）
【www.mrvz.cn南京純水設備】高鹽廢水“零排放”是當今很多企業(yè)需求面臨的十分嚴峻的環(huán)保問題，而離子膜電滲析由于其共同的分別機制可以完成高鹽廢水中無機鹽的分別、濃縮和資源化應用，從而完成水和鹽的回收應用。
本文綜述了離子膜電滲析目前在高鹽廢水“零排放”鹽濃縮工藝中的應用狀況；瞻望了電滲析在高鹽高COD廢水中的應用前景以及新型的電滲析技術如選擇性電滲析和雙極膜電滲析在混鹽分別和鹽的資源化應用中的機遇；同時指出離子膜電滲析在大范圍應用中仍存在很多應戰(zhàn)，如離子膜性能的進步、電滲析工藝的優(yōu)化和電滲析設備的投資本錢和能耗如何降低。本文將為高鹽廢水“零排放”提供新思緒，同時為離子膜電滲析在高鹽廢水“零排放”中的范圍化應用奠定根底。
隨著我國工業(yè)化進程的加速推進，在煤轉化、火電廠脫硫、印染、造紙、化工和農(nóng)藥及石油、自然氣的采集加工等消費范疇通常會產(chǎn)生大量的高鹽廢水，多含 Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等鹽類物質，其總含鹽量高于1%。南京純水設備這種高鹽廢水對環(huán)境的危害遠遠高于城市生活污水，但由于治污本錢較高、環(huán)保監(jiān)管難，其無序排放不只會構成環(huán)境污染，還會惹起土壤的鹽堿化。
以煤化工為例，煤在轉化過程中每年會產(chǎn)生10億噸的含鹽廢水，主要以高濃度煤氣洗濯廢水為主，還包括焦化廢水、煤氣化黑水、煤直接/間接液化廢水和合成氣轉化催化劑制備過程中產(chǎn)生的廢水。我國水資源遠低于世界均勻程度，而煤炭資源與水資源呈逆向散布，約70%的煤礦資源散布在水資源匱乏的地域，作為煤化工展開主體的新疆、內(nèi)蒙古、山西和陜西，其水煤比僅為1∶22、1∶30、1∶45和1∶7，水資源目前已成為煤化工展開的首要約束指標。
隨著 2015年4月“水十條”法規(guī)的發(fā)布，國度對這類高鹽廢水的處置提出了更高的央求，并制定造紙、焦化、氮肥、有色金屬、印染、農(nóng)副食品加工、原料藥制造、制革、農(nóng)藥、電鍍等行業(yè)專項管理計劃，施行清潔化改造，努力完成廢水“零排放”方式對廢水中的無機鹽加以綜合應用，以減少對環(huán)境的危害和完成資源的循環(huán)應用。
目前，高鹽廢水“零排放”處置工藝流程主要包括預處置過程、生化處置過程、超濾+反浸透（RO）、鹽濃縮單元、蒸發(fā)結晶。與傳統(tǒng)的達標排放工藝流程相比，“零排放”和蒸發(fā)結晶是高鹽廢水管理新形勢下的工藝需求。傳統(tǒng)的達標排放對水的回收率為50%～60%，此時廢水中含鹽水總溶解固體 （TDS） 通常為4000～50000mg/L。為完成廢水 “零排放”，在蒸發(fā)結晶工藝之前通常會設計鹽濃縮工藝，完成廢水的減量化，降低過程能耗和本錢。因而，針對高鹽廢水的鹽濃縮技術研討成為學術界和工業(yè)界的關注熱點。
工業(yè)上主流的鹽濃縮技術主要包括高壓反浸透（HPRO）、正浸透 （FO）、膜蒸餾 （MD） 和離子膜電滲析（ED）。離子膜電滲析是經(jīng)過陰陽膜穿插排列的膜對組合，在直流電場的作用下，應用離子膜對反離子的高選擇透過性，可完成離子型化合物的分別、淡化和濃縮。
近年來，電滲析在電廠脫硫、電鍍和印染等高鹽廢水范疇得到了普遍的應用，并獲得了一定的效果。此外，在含高COD 和高鹽的廢水 （如煤化工廢水和制藥廢水）處置中，很多學者和企業(yè)也開端應用電滲析的辦法來處置，首先完成 COD 與鹽的分別，再對分別出來的鹽中止?jié)饪s回用。關于煤化工高鹽廢水濃縮后產(chǎn)生的鹽，其組分主要為氯化鈉和Na?SO?的混鹽。該類混鹽的價值通常較低，因而可經(jīng)過雙極膜電滲析將其轉化為相應的酸和堿，從而進步鹽的價值。因而，本文將細致引見離子膜電滲析相關過程在高鹽廢水“零排放”中的應用、機遇與應戰(zhàn)。
1 ED在高鹽廢水“零排放”中的應用
1.1 ED在鹽濃縮工藝中的應用
ED作為一種高效的鹽濃縮技術，目前已被普遍應用于高鹽廢水的濃縮過程當中，以完成高鹽廢水中水和鹽的回收和應用。為了降低鹽濃縮工藝的能耗和進步水的回收率，ED通常會和反浸透（RO） 中止集成或耦合，充沛發(fā)揮各自的優(yōu)勢。南京實驗室純水設備經(jīng)過對單個 ED、ED-RO 簡單集成和 ED?RO循環(huán)集成中止比擬發(fā)現(xiàn)，當產(chǎn)水鹽濃度為350mg/kg時，進水鹽濃度低于3000mg/kg，則ED?RO簡單集成過程比單個ED過程更節(jié)能，且隨著進水鹽濃度的降低，節(jié)能效果越明顯；進水鹽濃度在3000～6000mg/kg 之間時，單個 ED 過程與 ED-RO簡單集成能耗相當。當進水鹽濃度為 3000mg/kg，RO 水回收率控制在 50% 時，產(chǎn)水鹽濃度低于300mg/kg，則ED-RO簡單集成過程比單個ED過程更節(jié)能；產(chǎn)水鹽濃度在 300～1000mg/kg 之間，則單個 ED 過程比 ED-RO 簡單集成過程比節(jié)能。對ED-RO循環(huán)集成過程，ED能耗相關于簡單集成過程有明顯降低，這是由于在循環(huán)集成過程中大量的水是從RO過程中產(chǎn)出。相應地，ED-RO循環(huán)集成過程中 RO 能耗相關于簡單集成過程較高。
此外，當對產(chǎn)水純度央求更高時，ED-RO循環(huán)集成過程比ED-RO簡單集成更具有優(yōu)勢；假定對產(chǎn)水純度沒有過高央求時，ED-RO循環(huán)集成過程并不一定比ED-RO簡單集成更具有優(yōu)勢。因而，在理論消費過程中，應綜合思索進水鹽濃度和對產(chǎn)水鹽濃度的央求去優(yōu)選單個ED、ED-RO簡單集成和ED-RO循環(huán)集成過程中的一種，充沛發(fā)揮電滲析的優(yōu)勢，以抵達整個過程最優(yōu)的處置效果和最低的運轉本錢。
1.2 ED在不同操作方式下的應用
在鹽濃縮過程中ED的操作方式普通可分為間歇式、溢流式和連續(xù)式。在連續(xù)式操作過程中，料液只經(jīng)過 ED 膜堆一次即排出。理論運用時，為了增加料液的脫鹽率，可采用多級式操作方式。由于多級式操作方式需求大量的膜堆，所以多級連續(xù)式ED過程比擬適合工業(yè)化大范圍運用。南京純水設備間歇式批次處置普通適合小范圍運用，操作過程中待脫鹽的料液在膜堆中不時循環(huán)，直至抵達脫鹽央求再排出，改換新的料液。溢流式操作方式中，待脫鹽料液連續(xù)循環(huán)經(jīng)過膜堆，濃縮液由于儲罐體積較小，所以ED濃縮一定時間后濃縮液儲罐會產(chǎn)生溢流，同時鹽濃度逐步增高，直至抵達所需的值。溢流式操作方式普通適合中型或大型范圍的應用。在研討ED濃縮RO濃水時，先經(jīng)過間歇式批次操作優(yōu)化操作參數(shù)，再經(jīng)過溢流式操作方式中止長期運轉，考證濃縮過程的穩(wěn)定性。
在長期運轉過程中可經(jīng)過酸化 RO 濃水和 ED 濃水來降低膜污染，保證膜堆的穩(wěn)定運轉。同時，結果標明RO-ED集成系統(tǒng)可完成高達95%的水回收率。此外，對ED濃縮RO濃水也中止了經(jīng)濟衡算，得出操作費用可低至0.19EUR/m3，標明ED處置RO濃水是可行的，具有較高的經(jīng)濟效益。針對ED濃縮RO濃水的效果和能耗問題，經(jīng)過溢流式操作方式展開了相應的研討，得出ED濃縮性能與進料溫度和操作電流密度有關，溫度越低，電流密度越高，ED濃縮性能越好，但是能耗會有一定的增加。在最佳操作條件下，即電流密度為350A/m2，NaCl 濃度可濃縮至185g/L，能耗僅為0.12kW · h/kgNaCl。
除了溢流式操作方式能夠完成較高的濃縮性能外，間歇式操作也能夠完成很高的 ED 濃縮性能。經(jīng)過小試的間歇式多級操作方式對RO濃水中止?jié)饪s制鹽。研討結果標明運用日本商品化的AMX/CMX膜，經(jīng)過間歇式一級、二級和三級ED可將105g/L的RO濃水分別濃縮至225g/L、250g/L和271g/L，整個過程能夠完成67.8%的水回收率和 72.5% 的脫鹽率；運用德國商品化的 FAS/FKS膜，經(jīng)過間歇式四級ED可以將105g/L的RO濃水分別濃縮至202g/L，這是由于德國膜相關于日本膜對離子的選擇透過才干較差，同離子透露相比照較嚴重。
針對RO濃水中有多價離子（Ca2+、Mg2+和SO42-） 存在的問題，設計了間歇式選擇性電滲析 （SED） +間歇式兩級ED方式對RO濃水中止?jié)饪s，以期完成更高純度的濃鹽水。經(jīng)過SED先對電導率為60mS/cm的RO濃水中止處置，得到高純度的 NaCl 溶液的電導率為42.4mS/cm，脫鹽率為70%，水回收率可抵達90%；經(jīng)過ED對SED濃縮液中止再次濃縮，將NaCl溶液的電導率進步至73.2mS/cm，水回收率為86%，再通 過 二 級 ED 進 一 步 濃 縮 ， 電 導 率 可 提 高 至105mS/cm，水回收率為82%。此外，經(jīng)過間歇性 ED 對電池行業(yè)產(chǎn)生的 Li2SO4廢水中止了濃縮，先調查了ED進料濃淡水體積比對濃縮性能的影響，結果發(fā)現(xiàn)隨著淡化室體積的增加，ED濃縮性能逐步進步，即濃縮室和淡化室初始體積比從1∶1變化至1∶10時，濃縮液最終固含量能夠從9.2%增加至15.8%，濃縮性能顯著進步。當體積比為1∶10時，濃縮后期濃縮液固含量不時堅持在15.8%左右，很難進一步進步，因而又調查了間歇式多級ED 對 Li2SO4廢水濃縮性能的影響。南京實驗室純水設備將一級電滲析的濃水分為兩股（即二級電滲析的初始淡化液和濃縮液）通入到二級電滲析中止?jié)饪s，整個濃縮過程濃淡室濃度差均堅持在較低的值，會降低電滲析過程的水遷移，利于電滲析的濃縮過程。結果標明，經(jīng)過二級 ED 可將 Li2SO4的含量進一步進步至 17.4%。因而，ED 在采用間歇式操作方式時，可經(jīng)過采用多級操作方式來降低電滲析濃縮過程中濃淡室的濃度差，從而降低電滲析過程中的水遷移，完成電滲析過程較高的濃縮性能，將濃縮液的鹽含量盡可能的進步。
目前 ED 在國內(nèi)已勝利應用于火電廠脫硫廢水、電鍍廢水、造紙廢水、印染廢水、煤化工廢水、石油化工廢水和制藥廢水等范疇產(chǎn)生的高鹽廢水的“零排放”。
隨著ED技術的不時展開，ED在國內(nèi)已獲得了一定范圍的應用。但是目前ED的應用大多局限于高鹽廢水的濃縮，在高 COD 高鹽廢水的分別與濃縮方面 （即先完成 COD 與鹽的分別，再對鹽中止?jié)饪s）目前還是空白。此外，高鹽廢水濃縮后產(chǎn)生的高濃度鹽溶液，目前常規(guī)辦法是將其蒸發(fā)得到固體鹽作為工業(yè)鹽或直接填滿處置，糜費了大量的鹽資源。雙極膜電滲析 （BMED） 可完成鹽的在線轉化，制備出相應的酸和堿，大幅進步鹽的應用價值。因而，在這些空白市場上，ED或BMED存在著很多的機遇。
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