中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和工業(yè)化的大幅推進，對水資源的需求量越來越大，國內(nèi)本就不足的水資源更顯緊張。為了緩解國內(nèi)水資源的緊缺局面，國家提出了節(jié)約用水、廢水資源化與回用、水資源的合理利用與保護3 條應對措施。石油化工作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)具有重要的地位，同時也是用水大戶，并且很多石化企業(yè)都是建在干旱或缺水地區(qū)，水資源不足已成為制約這些企業(yè)擴大生產(chǎn)的因素之一，所以石化企業(yè)推行廢水資源化與回用更是迫在眉睫〔1〕。
電滲析（ED）是以電位差為推動力并利用離子交換膜的選擇透過性將電解質(zhì)從溶液中分離出來的一種膜分離技術〔2〕。電滲析技術的研究始于1903 年的德國，工業(yè)化始于20 世紀50 年代，至今已廣泛應用于海水淡化、造紙工業(yè)廢水處理、電鍍廢水處理、醫(yī)藥廢水處理和食品工業(yè)的濃縮精制工序〔3〕。
采用電滲析技術對某石化污水處理廠達標排放的污水進行深度處理中試實驗研究，以驗證出水水質(zhì)是否能夠達到廠內(nèi)循環(huán)水補水水質(zhì)標準，為后續(xù)廢水資源化與回用做準備。
1 實驗部分
1.1 原水水質(zhì)和循環(huán)水補水指標
該石化污水處理廠采用復合水解+活性污泥+臭氧氧化池+BAF+高效濾池工藝處理生產(chǎn)、生活廢水，處理后出水水質(zhì)較好，部分指標可達國家一級排放標準的要求。其水質(zhì)和循環(huán)水補水指標見表 1〔4, 5〕。
由表 1 可以看出，原水中只有pH、總鐵、總硬度、氯離子和TDS 未達到循環(huán)水補水的水質(zhì)標準，而且其中的pH 和總鐵與循環(huán)水補水的水質(zhì)標準相差很小，所以實驗重點是降低原水中的總硬度、氯離子和TDS。
1.2 實驗工藝
實驗工藝流程如圖 1 所示。
圖 1 實驗工藝流程
1.3 工藝說明
原水即污水處理廠出水首先進入調(diào)節(jié)水箱內(nèi)，由于原水的總硬度較高，需要在調(diào)節(jié)水箱中投加少量的鹽酸調(diào)節(jié)pH，防止結垢性離子結晶析出污堵膜脫鹽設備。調(diào)節(jié)水箱出水由泵增壓（0.2 MPa）進入精濾器過濾（5 μm），以防止顆粒物質(zhì)對電滲析設備膜片的影響。精濾器出水進入JR－EDR 電滲析脫鹽設備進行脫鹽，該設備為北京京潤新技術發(fā)展有限責任公司的專利技術，具有對進水水質(zhì)要求寬泛、抗污染性強、設備投資低、回水率高等特點，脫鹽設備產(chǎn)水即為最終產(chǎn)水。工藝前后分別設1 個取樣點，定時取樣檢測。
1.3.1 JR-EDR 技術原理
JR-EDR 電滲析除鹽原理如圖 2 所示。在陰極和陽極之間交替安裝一系列陽離子交換膜和陰離子交換膜，并用特制隔板隔開，隔板內(nèi)有水流通道。通電后，當有水流通過時，水中帶正電的離子向陰極移動，帶負電的離子向陽極移動，此時由于陰離子不能透過陽膜、陽離子不能透過陰膜，便在各水流通道中交替形成濃水室與淡水室，收集淡水室出水即為產(chǎn)品水。
圖 2 JR-EDR 電滲析除鹽原理
1.3.2 JR-EDR 脫鹽設備參數(shù)
JR-EDR 脫鹽設備參數(shù)：膜材質(zhì)，耐污染型離子交換復合膜；電極材料，鈦涂釕板式電極；脫鹽率，設計系統(tǒng)脫鹽率為50％； 流量，1 m3/h； 產(chǎn)清水量，0.5m3/h。采用頻繁倒極的運行方式，可有效解決電滲析設備濃差極化的問題，便于設備連續(xù)運行〔2〕。
2 結果與討論
實驗裝置連續(xù)運行5 d，進水pH 控制在5~7，電壓控制在40~60 V，每天采樣并測試3 次，分別測定總硬度、氯離子和電導率，數(shù)據(jù)取3 次測試數(shù)據(jù)的平均值。
2.1 總硬度的去除效果
循環(huán)水系統(tǒng)很容易結垢，經(jīng)分析，其中的水垢主要是碳酸鈣垢，其次是磷酸鈣垢和硅酸鎂垢。要控制循環(huán)水系統(tǒng)結水垢，就必須降低循環(huán)水中的鈣、鎂離子，即降低循環(huán)水的硬度〔6〕。中試實驗中電滲析系統(tǒng)對原水總硬度的去除效果見圖 3。
圖 3 電滲析系統(tǒng)對原水總硬度的去除效果
由圖 3 可知，實驗進水總硬度較穩(wěn)定，保持在350~400 mg/L，平均值為388.8 mg/L。，經(jīng)頻繁倒極式電滲析脫鹽設備處理后，出水總硬度整體低于50mg/L，平均值為27.4 mg/L，總硬度去除率整體在90%以上，平均總硬度去除率為93.1%。對照表 1 可知，出水總硬度大大低于循環(huán)水補水標準的150 mg/L。
2.2 氯離子的去除效果
在循環(huán)水重復使用中為了抑制微生物的滋生，通常會添加一定量的殺菌劑，而大多殺菌劑溶于水后會有氯離子產(chǎn)生，氯離子大量存在時，極易引起金屬管道腐蝕。點蝕便是多由氯離子與鐵形成腐蝕電池引起的，且該反應屬于自催化反應，如果不注意幾個月內(nèi)即能穿透金屬管壁〔7〕。循環(huán)水中的氯離子越多腐蝕性越大，所以要降低循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕，必須盡量降低循環(huán)水中的氯離子含量〔8〕。中試實驗中電滲析系統(tǒng)對原水氯離子的去除效果見圖 4。
圖 4 電滲析系統(tǒng)對原水氯離子的去除效果
由圖4可知，實驗進水中氯離子多在450 mg/L左右，平均值為449 mg/L。經(jīng)頻繁倒極式電滲析脫鹽設備處理后，出水氯離子均低于50 mg/L，平均值為28.4 mg/L，氯離子去除率比較穩(wěn)定，均大于90%，平均氯離子去除率為93.8%。對照表1可知，處理后水中氯離子含量僅為循環(huán)水補水標準的1/10，完全能夠回用于循環(huán)水系統(tǒng)。
2.3 電導率的去除效果
TDS 是指溶解在水中的無機鹽和有機物的總稱，水中的TDS 越大，說明水中雜質(zhì)越多。水中的電導率與TDS 呈正比關系，系數(shù)約為0.7，即水中1 μS/cm 的電導率相當于0.7 mg/L 的TDS，所以通常通過測試電導率來估計TDS〔9〕。當循環(huán)水中的電導率＞1 500 μS/cm 時，系統(tǒng)便開始結垢，且電導率越大結垢越嚴重，為防止循環(huán)水系統(tǒng)結垢，必須降低循環(huán)水的電導率〔10〕。中試實驗中電滲析系統(tǒng)對原水電導率的去除效果見圖 5。
圖 5 電滲析系統(tǒng)對原水電導率的去除效果
由圖5可知：進水電導率比較高且波動較大，在1500~2200μS/cm，平均值為1945.7μS/cm，已經(jīng)超過1 500 μS/cm的結垢條件。經(jīng)過頻繁倒極式電滲析脫鹽設備脫鹽處理后，出水電導率穩(wěn)定在500μS/cm 以下，平均值為302.9 μS/cm，電導率去除率稍低但也都在80%以上，平均電導率去除率為84.6%。將電導率折算為TDS，則出水TDS 平均為210 mg/L，對照表 1 可知，其僅為循環(huán)水補水標準的1/5，完全符合循環(huán)水水質(zhì)指標。
3 運行成本分析
運行成本主要為水泵及電滲析設備的電耗和化學藥品消耗。根據(jù)實驗時間和電表字數(shù)折合處理噸水消耗電量約為1.2 kW·h/m3，鑒于水泵流量為1.6 m3/h，而實際實驗時有0.6 t 進水分流至污水池，未處理，所以實驗系統(tǒng)實際耗電量約為0.7 kW·h/m3；30% 鹽酸的消耗量為0.16 kg/m3。電費按0.6元/（kW·h）計，30%鹽酸按0.8 元/kg 計，則直接運行成本：電費＋鹽酸費用＝0.42+0.13=0.55 元/t。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。
4 結論
采用頻繁倒極式電滲析設備處理某石化污水處理廠達標排放的污水，5 d 的連續(xù)中試實驗結果表明：
（1）該方法能有效地降低原水中的總硬度、氯離子和電導率，其去除率分別為93.1% 、93.8%和84.6%，出水總硬度、氯離子和電導率分別僅為27.4、28.4 mg/L 和302.9 μS/cm，完全達到循環(huán)水補水水質(zhì)標準。
（2）運行成本分析顯示：采用電滲析處理石化污水處理廠出水回用于循環(huán)水補水系統(tǒng)的運行成本僅為0.55 元/t，遠低于自來水價格。這說明該石化公司采用電滲析技術處理達標污水回用于循環(huán)水系統(tǒng)在技術和經(jīng)濟上均可行，同時也為其他石化企業(yè)廢水資源化及回用提供了參考。
