循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水處理技術(shù)

20 世紀(jì)80 年代初人們提出了循環(huán)冷卻水“零排放”的設(shè)想，但是單靠傳統(tǒng)藥劑方法提高濃縮倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水“零排放”已經(jīng)遇到了瓶頸〔1〕，而將循環(huán)冷卻排污水進(jìn)行脫鹽處理并回用于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水系統(tǒng)中，可以進(jìn)一步提高循環(huán)冷卻水的回用率。電滲析技術(shù)具有在難溶鹽超飽和工況下的運(yùn)行能力和在苦咸水脫鹽中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)〔2〕，如果將電滲析器串聯(lián)成二至三級(jí)處理工藝，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排污水的“近零排放”。

中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院于2011 年9 月6 日，在中石化天津分公司烯烴部循環(huán)冷卻水濃水排放現(xiàn)場進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行660 h 的電滲析器脫鹽回用水處理試驗(yàn)，旨在探討電滲析器脫鹽處理循環(huán)冷卻排污水過程中，電滲析器在不同工作電壓時(shí)的工作電流、脫鹽率變化以及電導(dǎo)率與耗電量、運(yùn)行成本的關(guān)系，以期為電滲析脫鹽技術(shù)在循環(huán)冷卻排污水回用水處理中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原理、方法和進(jìn)水水質(zhì) 1.1 試驗(yàn)原理
電滲析技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種，屬于電化學(xué)分離過程。溶液在交替放置的陽離子交換膜和陰離子交換膜之間流過，如圖 1 所示。

 圖 1 電滲析器工作原理   

電滲析過程是在外加直流電場的作用下以電位差為驅(qū)動(dòng)力，利用離子交換膜對(duì)溶液中離子的選擇透過性，而使溶液中溶質(zhì)和溶劑分離的膜過程，從而達(dá)到淡化或濃縮溶液的目的。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)所用電滲析器為自制，規(guī)格為310 mm× 800 mm×230 mm。電滲析裝置主要包括230 對(duì)陰、陽離子交換膜、460 張隔板和4 張電極板等組成的三級(jí)六段膜堆。離子交換膜為上海化工有限公司生產(chǎn)的磺酸型聚乙烯異相陽離子交換膜和季銨型聚乙烯異相陰離子交換膜。隔板規(guī)格：310 mm×800 mm× 0.9 mm，采用聚丙烯單雙絲編織的無回路網(wǎng)與隔板框熱燙而成，具有水流分布均勻、有效面積大、電耗小的特點(diǎn)。電極采用鈦絲涂二氧化釕，具有耐腐蝕、適用水質(zhì)范圍廣的特點(diǎn)，既可作陽極，又可作陰極。 TSCA—20/200 型直流輸出整流器，電流20 A，電壓 0～200 V；CHL2-40 型水泵2 臺(tái)，揚(yáng)程26 m，流量2.5 m3/h，功率0.55 kW。預(yù)處理部分主要包括1 臺(tái)機(jī)械過濾器（2.5 m3/h）、1 臺(tái)活性炭過濾器（2.5 m3/h）、1 臺(tái)精密過濾器（2.5 m3/h）。

1.3 工藝流程
試驗(yàn)工藝流程： 循環(huán)水排污水水池→水泵→機(jī)械過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器→水箱→供水泵→電滲析裝置，從電滲析裝置出來的淡水回到循環(huán)冷卻水補(bǔ)水系統(tǒng)，濃水排放。

電滲析工藝流程見圖 2。

 圖 2 電滲析工藝流程 

循環(huán)水排污水經(jīng)過增壓泵、機(jī)械過濾器、活性炭過濾器、精密過濾器進(jìn)入電滲析原水箱中；供水泵一次性供給濃水室、淡水室和極水室；濃水、淡水、極水的流量和壓力由調(diào)節(jié)閥控制； 濃水進(jìn)入濃水箱后排放，淡水進(jìn)入淡水箱后再返回到補(bǔ)水系統(tǒng)中，極水全部回到原水箱中。

1.4 測量與計(jì)算方法
通過整流器的電流表、電壓表直接讀出工作電流和電壓，并按式（1）、式（2）計(jì)算脫鹽率、耗電量。

1.5 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)
試驗(yàn)進(jìn)水取自中石化天津分公司烯烴部循環(huán)冷卻水排污水，其中硬度1 336 mg/L、堿度5.65 mmol/L、 Ca2+ 264 mg/L、Mg2+ 146 mg/L、 Cl- 383 mg/L、TP 3.74 mg/L、Zn2+ 2.16 mg/L、pH=7.92、COD 124 mg/L、電導(dǎo)率2 592 μS/cm。

1.6 試驗(yàn)進(jìn)水流量與運(yùn)行方式
電滲析器總進(jìn)水流量為2.15 m3/h，其中濃水流量0.90 m3/h，淡水流量0.90 m3/h，極水流量0.35 m3/h （返回到原水箱）。

電滲析器運(yùn)行方式釆用恒定電壓（100、90、80 V）、恒定進(jìn)水流量、頻繁切換電極（每30 min 切換1 次）的模式進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論
工作電壓是電滲析器在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)主要參數(shù)，它既關(guān)系到電滲析器的電流效率也關(guān)系到整個(gè)運(yùn)行過程的能量消耗�？刂埔欢üぷ麟妷哼\(yùn)行，可以有效避免由于電流過大所造成的電流由電極橫向通過臨近的膜傳到濃水內(nèi)流道中，產(chǎn)生熱而損壞電極附近的一些隔板和膜的現(xiàn)象〔3〕。根據(jù)現(xiàn)場排污水電導(dǎo)率大小及對(duì)脫鹽率的要求（約70%），控制電滲析器分別在100、90、80 V 下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，其中工作電壓為100 V 時(shí)運(yùn)行72 h，工作電壓為90 V 時(shí)運(yùn)行375 h，工作電壓為80 V 時(shí)運(yùn)行213 h，共計(jì)連續(xù)運(yùn)行660 h。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，主要是考察電滲析器在同一進(jìn)水條件下，3 種工作電壓時(shí)脫鹽率、工作電流、能耗的變化。最終給出一個(gè)最佳運(yùn)行電壓、電流、脫鹽率和能耗及運(yùn)行費(fèi)用。

2.1 電滲析器運(yùn)行電壓對(duì)脫鹽率的影響
電滲析器脫鹽率的變化見圖 3。

 圖 3 電滲析器的脫鹽率變化   

從圖 3 可以看出，在進(jìn)水電導(dǎo)率基本相同的情況下，電滲析器工作電壓為100 V 時(shí)，平均脫鹽率為 66.52% ； 工作電壓為90 V 時(shí)，平均脫鹽率為 71.32% ； 工作電壓為80 V 時(shí)，平均脫鹽率為 67.57%。從上述脫鹽率變化曲線圖可以看出，電滲析器工作電壓在90 V 時(shí)脫鹽率最高。

2.2 電滲析器運(yùn)行電流的變化
電滲析器運(yùn)行電流的變化見圖 4。

 圖 4 電滲析器的電流變化  

從圖 4 可以看出，在進(jìn)水電導(dǎo)率基本相同的情況下，電滲析器工作電流隨工作電壓的升高而升高。工作電壓在100 V 時(shí)，工作電流的變化很大，最大電流為13 A，最小電流是7 A；工作電壓90 V 時(shí)，平均工作電流為6.15 A，電流變化相對(duì)較小、很穩(wěn)定；工作電壓80 V 時(shí)，平均工作電流為5.44 A，工作電流相對(duì)穩(wěn)定。綜合圖 3、圖 4 中工作電壓與脫鹽率和工作電流的變化趨勢(shì)可以得出，最佳運(yùn)行參數(shù)為：工作電壓90 V，相應(yīng)的工作電流6.15 A，脫鹽率71.32%。

2.3 電滲析器處理循環(huán)冷卻排污水的脫鹽效果
在整個(gè)試驗(yàn)過程中，每隔24 h 采集1 次進(jìn)水和產(chǎn)水水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，共采集了28 批次，其平均水質(zhì)變化情況見表 1。其中進(jìn)水平均水溫為20 ℃。

表 1 電滲析器脫鹽效果
 

項(xiàng)目	硬度 / （ mg·L -1 ）		硬度去除率 /%	堿度 / （ mmol·L -1 ）		堿度去除率 /%	Ca 2+ / （ mg·L -1 ）		Ca 2+ 去除率 /%	Mg 2+ / （ mg·L -1 ）		Mg 2+ 去除率 /%	Cl - / （ mg·L -1 ）		Cl - 去除率 /%	N a+ / （ mg·L -1 ）		Na + 去除率 /%
	進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水
注：進(jìn)水、產(chǎn)水 pH 分別為 7.92 、 7.15 。
數(shù)值	1336	222.9	83.41	5.65	0.98	82.37	264	48.97	81.46	146	27.20	81.32	383	21.09	94.50	210	109.66	47.87
項(xiàng)目	K + / （ mg·L -1 ）		K + 去除率 /%	TP/ （ mmol·L -1 ）		TP 去除率 /%	Zn 2+ / （ mg·L -1 ）		Zn 2+ 去除率 /%	氨氮 / （ mg·L -1 ）		氨氮去除率 /%	COD/ （ mg·L -1 ）		COD 去除率 /%	電導(dǎo)率 / （ mg·L -1 ）		電導(dǎo)率去除率 /%
	進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水		進(jìn)水	產(chǎn)水
數(shù)值	35.80	11.08	69.02	3.74	3.34	10.70	2.16	2.17	—	0.81	0.22	72.84	124	86.25	30.44	2592	817	68.48

從表 1 可以看出，雖然電滲析器處理循環(huán)冷卻排污水的平均脫鹽率只有68.48%，但是對(duì)循環(huán)冷卻排污水中的Cl-、硬度、堿度、Ca2+、Mg2+去除率較高，分別達(dá)到94.5%、83.41%、82.37%、81.46%、81.32%，而對(duì)COD、TP 和其他離子的去除率相對(duì)較低，對(duì) Zn2+基本不去除。但總的來說，產(chǎn)水水質(zhì)能夠達(dá)到循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)的要求。鑒于電滲析器在脫鹽過程中對(duì)總磷的去除率只有10.7%，循環(huán)冷卻排污水回用后，循環(huán)水中阻垢緩蝕劑的用量是否會(huì)減少，還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

2.4 電滲析器處理循環(huán)冷卻排污水的能耗變化
在20 ℃下，評(píng)價(jià)測試了不同工作電壓下的脫鹽率與能耗，結(jié)果見表 2。

 從表 2 可以看出，電滲析器工作電壓在90 V 時(shí)，脫鹽率為71.32%，能耗為1.10 kW·h/ m3，能耗雖然比工作電壓80 V 時(shí)高0.24 kW·h/ m3，但是脫鹽率也高出3.74%，因此，工作電壓90 V 時(shí)的能耗比是最好的。

2.5 電滲析器化學(xué)清洗
電滲析器在長時(shí)間運(yùn)行中，陰、陽離子交換膜表面會(huì)逐漸積累各種污染物，如膠體、微生物、有機(jī)物、無機(jī)物垢、金屬氧化物等。這些物質(zhì)沉積在膜表面上，會(huì)引起電滲析器性能的下降。為了恢復(fù)電滲析的性能，需要對(duì)電滲析器進(jìn)行化學(xué)清洗。當(dāng)電滲析器連續(xù)運(yùn)行230 h、脫鹽率下降到50%左右時(shí)，進(jìn)行了第一次停車在線化學(xué)清洗：首先，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的鹽酸溶液循環(huán)清洗電滲析器60 min，酸洗過程中溶液顏色基本沒有變化；隨后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的NaOH 和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Na-SDS 組成的混合堿性溶液循環(huán)清洗30 min，堿洗過程中溶液變成暗黑色，清洗效果明顯。隨后的運(yùn)行過程證明，電滲析器脫鹽性能得到恢復(fù)。電滲析器在化學(xué)清洗后連續(xù)運(yùn)行了220 h，此時(shí)又進(jìn)行了第二次化學(xué)清洗。清洗順序、方法同第一次化學(xué)清洗一樣，清洗效果也非常明顯，電滲析器脫鹽性能得到恢復(fù)，試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行正常。

從兩次化學(xué)清洗過程看，先酸洗再堿洗能夠有效去除離子交換膜表面的有機(jī)污染物。電滲析器釆用定時(shí)自動(dòng)倒極的運(yùn)行方式，可減少難溶鹽在陰極室產(chǎn)生的沉淀，有效防止了膜堆內(nèi)極化沉淀垢的生成，同時(shí)化學(xué)清洗保證了試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行正常，有效解決了電滲析器濃差極化的問題〔4〕。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2.6 運(yùn)行成本分析
電滲析器處理循環(huán)冷卻濃排水回用試驗(yàn)共計(jì)產(chǎn)生回用水594 m3，試驗(yàn)期間沒有更換濾芯、濾料，只進(jìn)行了兩次化學(xué)清洗。因此試驗(yàn)運(yùn)行成本主要包括：電費(fèi)（水泵和電滲析器能耗），濾芯、濾料折舊費(fèi)，化學(xué)試劑費(fèi)等，電價(jià)按0.85 元/（kW·h）計(jì)，運(yùn)行成本為2.97 元/ m3，其中電費(fèi)：2.2 kW·h/ m3×0.85 元= 1.87 元/ m3，濾芯、濾料折舊費(fèi)：0.75 元/ m3，化學(xué)試劑費(fèi)：0.35 元/ m3。

3 結(jié)論
（1） 電滲析器處理循環(huán)冷卻濃排水試驗(yàn)最佳工作電壓為90 V，相應(yīng)的工作電流6.15 A、脫鹽率 71.32%、能耗1.10 kW·h/ m3。每生產(chǎn)1 m3 回用水的運(yùn)行成本為2.97 元。

（2）電滲析器對(duì)循環(huán)冷卻濃排水中各種離子的脫除率分別為：Cl- 94.5% 、硬度83.41% 、堿度 82.43%、Ca2+ 81.43%、Mg2+ 81.32%、TP 10.70%、COD 30.44%，對(duì)Zn2+基本不去除。

（3）電滲析器在進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)，先酸洗再堿洗的清洗效果非常明顯。陰、陽離子交換膜和電極板經(jīng)過化學(xué)清洗后性能能夠得到恢復(fù)。

（4）釆用定時(shí)自動(dòng)倒換電極的運(yùn)行方式，有效解決了電滲析器濃差極化和結(jié)垢的問題。

電滲析器整個(gè)試驗(yàn)過程運(yùn)行穩(wěn)定，并且具有較強(qiáng)的耐氧化、耐酸堿、抗腐蝕、抗水解的能力；進(jìn)水水質(zhì)寬泛、不易堵塞、脫鹽率穩(wěn)定、無需阻垢劑、還原劑；運(yùn)行成本低，產(chǎn)水水質(zhì)可以滿足循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)要求。