電驅(qū)離子膜處理脫硫廢水的中試實(shí)驗(yàn)
燃煤電廠脫硫廢水屬于電廠末端最難處理的廢水,廢水水質(zhì)受燃煤品質(zhì)、石灰石品質(zhì)、脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行、脫硫工藝補(bǔ)充水等因素影響,波動(dòng)較大,表現(xiàn)出水質(zhì)組成復(fù)雜、高含鹽量、高腐蝕性等特點(diǎn),成為制約電廠脫硫廢水零排放的關(guān)鍵因素。中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電驅(qū)離子膜裝置將經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)+管式膜預(yù)處理的水濃縮,濃水中總?cè)芙夤腆wTDS可濃縮至200000mg/L,產(chǎn)水可回用于循環(huán)水冷卻系統(tǒng),該工藝可滿足脫硫廢水零排放的要求,可為將來(lái)的項(xiàng)目提供可行性依據(jù)。
脫硫廢水是在濕式煙氣脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的一種具有危害性、難處理的工業(yè)廢水,其成分復(fù)雜,水質(zhì)變化波動(dòng)大,具有高懸浮物含量、高鹽量和硬度、易結(jié)垢和腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn),同時(shí)含有一定量的重金屬。目前采用的常規(guī)三聯(lián)箱—中和、絮凝、沉淀工藝只能去除其中的懸浮物和絕大部分的重金屬離子,對(duì)于其中的可溶性鹽并無(wú)去除作用。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛、環(huán)保要求的逐步提高和水資源的持續(xù)短缺,實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的資源化與零排放刻不容緩。
膜分離技術(shù)是一種高效、低耗且易操作的液體分離技術(shù),與傳統(tǒng)的水處理方法相比,具有處理效果好、可實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)利用及回收高附加值產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用的有效技術(shù)。電滲析技術(shù)作為一種膜分離濃縮技術(shù),使用特定的離子交換膜,其在直流電場(chǎng)的作用下對(duì)溶液中的陰陽(yáng)離子具有選擇透過(guò)性,即陰膜僅允許陰離子透過(guò),陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)。通過(guò)陰陽(yáng)離子膜交替排布形成濃、淡室,從而實(shí)現(xiàn)物料的濃縮與脫鹽。相較于反滲透過(guò)程,電滲析濃縮過(guò)程為電場(chǎng)驅(qū)動(dòng),其進(jìn)水要求相對(duì)較低,僅對(duì)進(jìn)水SS及強(qiáng)氧化物、有機(jī)溶劑等有所限制,預(yù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單。在保證進(jìn)水條件下,可進(jìn)行拆解離線清洗,使用壽命長(zhǎng)。而對(duì)于熱法蒸發(fā)過(guò)程,電滲析過(guò)程在能耗、占地、投資等方面優(yōu)勢(shì)明顯。因此近年來(lái),隨著工業(yè)高鹽廢水處理及零排放需求提高,電滲析技術(shù)以其上述獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在此領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注。為此,針對(duì)脫硫廢水的水質(zhì)特性,采用均相電驅(qū)離子膜濃縮工藝開(kāi)展了相關(guān)的研究。
1脫硫廢水零排放處理的難點(diǎn)
脫硫廢水的水質(zhì)主要受燃煤品質(zhì)、石灰石品質(zhì)、脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行、脫硫工藝補(bǔ)充水、脫硫塔前污染物控制設(shè)備以及脫水設(shè)備等的影響。不同地區(qū)的電廠差別很大,同一電廠因排放時(shí)間不固定,差別也很大;脫硫廢水間斷性排放,水量波動(dòng)較大;廢水硬度高,易造成蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)垢;廢水中氯離子的含量高,易造成系統(tǒng)腐蝕。以某電廠為例,脫硫廢水水質(zhì)見(jiàn)表1。
表1某電廠脫硫廢水水質(zhì)
2工藝原理
電驅(qū)離子膜技術(shù)的原理是利用陰、陽(yáng)離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間,并用特制的隔板將其隔開(kāi),組成除鹽(淡化)和濃縮兩個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)向隔室通入鹽水后,利用離子交換膜對(duì)陰陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性能,在直流電場(chǎng)作用下陰、陽(yáng)離子分別向陽(yáng)極和陰極移動(dòng),達(dá)到電解質(zhì)溶液的分離、提純和濃縮。
3試驗(yàn)過(guò)程
3.1試驗(yàn)材料及分析方法
中試設(shè)備主要組成為:膜堆(含120對(duì)膜片,每片膜面積0.5m2)、整流器、原水箱、濃縮水箱、加酸泵、陰極液槽和陽(yáng)極液槽。
試驗(yàn)分析儀器:DR6000紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、ME分析天平、電熱恒溫烘箱、滴定裝置、原子吸收、電導(dǎo)率儀、pH計(jì)。水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目主要有:總硬度、電導(dǎo)率、TDS、Cl-、F-、SO42-、pH等,檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照《鍋爐用水和冷卻水分析方法通則》(GB/T6903-2005)。
本次試驗(yàn)所用藥劑為：30%氫氧化鈉、30%鹽酸、固體碳酸鈉、固體硫酸鈉、亞硫酸氫鈉。
試驗(yàn)主要目的是取通過(guò)加藥軟化預(yù)處理和管式膜固液分離后的產(chǎn)水,測(cè)試電驅(qū)離子膜設(shè)備對(duì)脫硫廢水的濃縮情況,最大限度的減少進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)裝置的濃水量。
3.2工藝流程
試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1試驗(yàn)工藝流程圖
經(jīng)常規(guī)處理后的脫硫廢水進(jìn)入廢水收集池,進(jìn)行重力沉淀,經(jīng)提升進(jìn)入反應(yīng)槽1,加氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值,控制pH大于11,使氫氧化鎂沉淀;反應(yīng)槽1出水進(jìn)入反應(yīng)槽2,加入碳酸鈉溶液,與水中的鈣離子生成碳酸鈣沉淀,混合液進(jìn)入濃縮槽,由循環(huán)泵輸送至管式膜進(jìn)行固液分離,此時(shí)大流量的水回流至濃縮槽,保持濃縮槽中的混合狀態(tài);部分透過(guò)水經(jīng)投加氫氧化鈉回調(diào)pH值后進(jìn)入ED原水箱。
電驅(qū)離子膜整流器運(yùn)行為穩(wěn)壓運(yùn)行,運(yùn)行電壓為60V;極液:5%Na2SO4(陰極液pH<2.5,陽(yáng)極液pH<7);系統(tǒng)進(jìn)水1m3/h,陰極液循環(huán)流量2m3/h,陽(yáng)極液循環(huán)流量2m3/h,濃水循環(huán)量4.5m3/h,脫鹽水循環(huán)量7.5m3/h,保證膜面流速。
4試驗(yàn)結(jié)果與討論
4.1進(jìn)水TDS變化對(duì)脫鹽水和濃縮水TDS的影響
由于脫硫廢水水質(zhì)波動(dòng)較大,試驗(yàn)收集了不同濃度的廢水,研究了不同脫硫廢水濃度條件下的電驅(qū)離子膜運(yùn)行工況(圖2)。其中,下述所列圖中,橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)取樣時(shí)間不同,橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)1~5代表進(jìn)水TDS4000mg/L,7~12代表進(jìn)水TDS10000mg/L,14~20代表進(jìn)水TDS30000mg/L,三組圖2~圖5內(nèi)橫坐標(biāo)代表意義相同。
圖2TDS關(guān)系曲線圖
ED進(jìn)水原水取自管式膜產(chǎn)水,ED裝置出水口產(chǎn)生兩種水,一種是濃縮水,一種是脫鹽水。進(jìn)水TDS為4000mg/L左右時(shí),ED膜出口濃縮水TDS約為50000mg/L;隨著進(jìn)水濃度梯度增加;當(dāng)進(jìn)水TDS為10000mg/L,ED膜出口濃縮水TDS約為150000~170000mg/L;進(jìn)水TDS為30000mg/L,ED膜出口濃縮水TDS約為200000mg/L;進(jìn)水TDS濃度增加,ED膜出口濃縮水TDS濃度與進(jìn)水TDS呈正相關(guān)升高。
通過(guò)比較,在進(jìn)水TDS約為30000mg/L時(shí)為ED裝置運(yùn)行最優(yōu)狀態(tài);ED膜出口濃縮水TDS基本大于200000mg/L(含鹽量>20%),濃縮水濃度達(dá)到最高,減少了濃水量;該濃縮水進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)后,可縮短結(jié)晶周期。隨進(jìn)水TDS濃度增高,ED裝置出口脫鹽水TDS濃度稍微增加,但總體低于5000mg/L,ED裝置可與RO耦合使用,RO將脫鹽水進(jìn)一步處理回收利用。
4.2進(jìn)水TDS變化對(duì)電流效率的影響
電流效率表示電滲析過(guò)程中電流利用程度,為單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際脫鹽率與理論脫鹽率的百分比,對(duì)不同進(jìn)水TDS濃度下的電流效率進(jìn)行比較(圖3)。電流效率在進(jìn)水TDS為4000mg/L和30000mg/L時(shí)高于進(jìn)水TDS10000mg/L。當(dāng)進(jìn)水TDS為4000mg/L時(shí),運(yùn)行電壓60V,電流由水中離子的遷移量決定;進(jìn)水TDS為30000mg/L時(shí),運(yùn)行電壓60V,水中離子濃度高,離子的遷移量由電流決定;而進(jìn)水TDS為10000mg/L時(shí),在相同電壓下,離子濃度相對(duì)較低,在膜界面上產(chǎn)生了濃差極化,所以電流效率相對(duì)較低。運(yùn)行全過(guò)程中,總的電流效率約為80%。
圖3TDS與電流效率關(guān)系曲線圖
4.3進(jìn)水TDS變化對(duì)離子遷移通量和噸水能耗的影響
隨著原水TDS的升高,離子遷移通量以及噸水電耗逐步升高(圖4)。進(jìn)水TDS4000mg/L時(shí),離子遷移通量小于1eq/(m2˙h),噸水能耗小于1kw˙h;進(jìn)水TDS10000mg/L時(shí),離子遷移通量約2eq/(m2˙h),噸水能耗2~3kw˙h;進(jìn)水TDS30000mg/L時(shí),離子遷移通量約6eq/(m2˙h),噸水能耗6~7kw˙h。噸水能耗隨著離子遷移通量的增加而增大。
圖4TDS對(duì)離子遷移通量和噸水能耗的關(guān)系曲線圖
4.4進(jìn)水TDS變化對(duì)脫鹽率的影響
試驗(yàn)考察了不同進(jìn)水TDS濃度(4000mg/L、10000mg/L、30000mg/L)下的脫鹽率的變化(圖5),通過(guò)分析,脫鹽率隨著進(jìn)水濃度的升高在脫鹽率80%左右波動(dòng),脫鹽率受水質(zhì)波動(dòng)影響不大,不同試驗(yàn)條件下的脫鹽率總體不低于80%。
圖5TDS與脫鹽率關(guān)系曲線圖
4.5水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果
產(chǎn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2產(chǎn)水水質(zhì)分析
由表2可知,進(jìn)水TDS5300mg/L時(shí),ED膜對(duì)水的濃縮倍數(shù)為11;進(jìn)水TDS10253mg/L時(shí),濃縮倍數(shù)為13.6倍;進(jìn)水濃度TDS30000mg/L時(shí),其濃縮倍數(shù)將近7倍,濃水TDS達(dá)到上限(200000mg/L)。隨著進(jìn)水濃度的升高,電驅(qū)離子膜濃縮達(dá)到的濃水濃度進(jìn)一步提升200000mg/L,濃縮倍數(shù)與進(jìn)水濃度無(wú)明顯相關(guān)性,但電驅(qū)離子膜裝置的濃縮效率受進(jìn)水濃度的影響較大;進(jìn)水濃度TDS30000mg/L時(shí),電驅(qū)離子膜裝置可利用其最大效率。
5結(jié)論
與傳統(tǒng)軟化預(yù)處理相比,脫硫廢水經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)和管式膜過(guò)濾的軟化預(yù)處理工藝后,流程大大縮短。管式膜產(chǎn)水進(jìn)入電驅(qū)離子膜裝置進(jìn)行濃縮,進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)對(duì)電驅(qū)離子膜膜元件的電流效率、產(chǎn)水率、脫鹽率有不同程度的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知,在進(jìn)水濃度增高時(shí),電流效率較大,產(chǎn)水率和脫鹽率均能保持穩(wěn)定水平,電驅(qū)離子膜裝置的濃縮倍率受進(jìn)水濃度影響較大,進(jìn)水TDS約30000mg/L時(shí),濃水TDS可以達(dá)到200000mg/L,將濃水減量,減輕后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶裝置的運(yùn)行壓力,產(chǎn)水可回用于循環(huán)水冷卻系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)廢水零排放處理。相比熱法濃縮,電驅(qū)離子膜濃縮廢水所需電耗較低,不需要其他能耗,并且不會(huì)造成熱損失,也不需要新鮮水源。因此采用電驅(qū)離子膜技術(shù)對(duì)高鹽水或者脫硫廢水進(jìn)行濃縮處理具有更大的推廣價(jià)值和意義。
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