電驅離子膜處理脫硫廢水的中試實驗
燃煤電廠脫硫廢水屬于電廠末端最難處理的廢水,廢水水質受燃煤品質、石灰石品質、脫硫系統的設計及運行、脫硫工藝補充水等因素影響,波動較大,表現出水質組成復雜、高含鹽量、高腐蝕性等特點,成為制約電廠脫硫廢水零排放的關鍵因素。中試實驗結果表明,電驅離子膜裝置將經過化學反應+管式膜預處理的水濃縮,濃水中總溶解固體TDS可濃縮至200000mg/L,產水可回用于循環水冷卻系統,該工藝可滿足脫硫廢水零排放的要求,可為將來的項目提供可行性依據。
脫硫廢水是在濕式煙氣脫硫過程中產生的一種具有危害性、難處理的工業廢水,其成分復雜,水質變化波動大,具有高懸浮物含量、高鹽量和硬度、易結垢和腐蝕性強等特點,同時含有一定量的重金屬。目前采用的常規三聯箱—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,對于其中的可溶性鹽并無去除作用。隨著排放標準的日益嚴苛、環保要求的逐步提高和水資源的持續短缺,實現脫硫廢水的資源化與零排放刻不容緩。
膜分離技術是一種高效、低耗且易操作的液體分離技術,與傳統的水處理方法相比,具有處理效果好、可實現廢水的循環利用及回收高附加值產品等優點,是實現廢水資源化利用的有效技術。電滲析技術作為一種膜分離濃縮技術,使用特定的離子交換膜,其在直流電場的作用下對溶液中的陰陽離子具有選擇透過性,即陰膜僅允許陰離子透過,陽膜只允許陽離子透過。通過陰陽離子膜交替排布形成濃、淡室,從而實現物料的濃縮與脫鹽。相較于反滲透過程,電滲析濃縮過程為電場驅動,其進水要求相對較低,僅對進水SS及強氧化物、有機溶劑等有所限制,預處理過程簡單。在保證進水條件下,可進行拆解離線清洗,使用壽命長。而對于熱法蒸發過程,電滲析過程在能耗、占地、投資等方面優勢明顯。因此近年來,隨著工業高鹽廢水處理及零排放需求提高,電滲析技術以其上述獨特優勢在此領域的應用日益受到關注。為此,針對脫硫廢水的水質特性,采用均相電驅離子膜濃縮工藝開展了相關的研究。
1脫硫廢水零排放處理的難點
脫硫廢水的水質主要受燃煤品質、石灰石品質、脫硫系統的設計及運行、脫硫工藝補充水、脫硫塔前污染物控制設備以及脫水設備等的影響。不同地區的電廠差別很大,同一電廠因排放時間不固定,差別也很大;脫硫廢水間斷性排放,水量波動較大;廢水硬度高,易造成蒸發系統結垢;廢水中氯離子的含量高,易造成系統腐蝕。以某電廠為例,脫硫廢水水質見表1。
表1某電廠脫硫廢水水質
2工藝原理
電驅離子膜技術的原理是利用陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間,并用特制的隔板將其隔開,組成除鹽(淡化)和濃縮兩個系統。當向隔室通入鹽水后,利用離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性能,在直流電場作用下陰、陽離子分別向陽極和陰極移動,達到電解質溶液的分離、提純和濃縮。
3試驗過程
3.1試驗材料及分析方法
中試設備主要組成為:膜堆(含120對膜片,每片膜面積0.5m2)、整流器、原水箱、濃縮水箱、加酸泵、陰極液槽和陽極液槽。
試驗分析儀器:DR6000紫外可見分光光度計、ME分析天平、電熱恒溫烘箱、滴定裝置、原子吸收、電導率儀、pH計。水質檢測項目主要有:總硬度、電導率、TDS、Cl-、F-、SO42-、pH等,檢測依據標準參照《鍋爐用水和冷卻水分析方法通則》(GB/T6903-2005)。
本次試驗所用藥劑為：30%氫氧化鈉、30%鹽酸、固體碳酸鈉、固體硫酸鈉、亞硫酸氫鈉。
試驗主要目的是取通過加藥軟化預處理和管式膜固液分離后的產水,測試電驅離子膜設備對脫硫廢水的濃縮情況,最大限度的減少進入后續蒸發裝置的濃水量。
3.2工藝流程
試驗工藝流程見圖1。
圖1試驗工藝流程圖
經常規處理后的脫硫廢水進入廢水收集池,進行重力沉淀,經提升進入反應槽1,加氫氧化鈉調節pH值,控制pH大于11,使氫氧化鎂沉淀;反應槽1出水進入反應槽2,加入碳酸鈉溶液,與水中的鈣離子生成碳酸鈣沉淀,混合液進入濃縮槽,由循環泵輸送至管式膜進行固液分離,此時大流量的水回流至濃縮槽,保持濃縮槽中的混合狀態;部分透過水經投加氫氧化鈉回調pH值后進入ED原水箱。
電驅離子膜整流器運行為穩壓運行,運行電壓為60V;極液:5%Na2SO4(陰極液pH<2.5,陽極液pH<7);系統進水1m3/h,陰極液循環流量2m3/h,陽極液循環流量2m3/h,濃水循環量4.5m3/h,脫鹽水循環量7.5m3/h,保證膜面流速。
4試驗結果與討論
4.1進水TDS變化對脫鹽水和濃縮水TDS的影響
由于脫硫廢水水質波動較大,試驗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離子膜運行工況(圖2)。其中,下述所列圖中,橫坐標數據取樣時間不同,橫坐標數據1~5代表進水TDS4000mg/L,7~12代表進水TDS10000mg/L,14~20代表進水TDS30000mg/L,三組圖2~圖5內橫坐標代表意義相同。
圖2TDS關系曲線圖
ED進水原水取自管式膜產水,ED裝置出水口產生兩種水,一種是濃縮水,一種是脫鹽水。進水TDS為4000mg/L左右時,ED膜出口濃縮水TDS約為50000mg/L;隨著進水濃度梯度增加;當進水TDS為10000mg/L,ED膜出口濃縮水TDS約為150000~170000mg/L;進水TDS為30000mg/L,ED膜出口濃縮水TDS約為200000mg/L;進水TDS濃度增加,ED膜出口濃縮水TDS濃度與進水TDS呈正相關升高。
通過比較,在進水TDS約為30000mg/L時為ED裝置運行最優狀態;ED膜出口濃縮水TDS基本大于200000mg/L(含鹽量>20%),濃縮水濃度達到最高,減少了濃水量;該濃縮水進入后續蒸發后,可縮短結晶周期。隨進水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將脫鹽水進一步處理回收利用。
4.2進水TDS變化對電流效率的影響
電流效率表示電滲析過程中電流利用程度,為單位時間內實際脫鹽率與理論脫鹽率的百分比,對不同進水TDS濃度下的電流效率進行比較(圖3)。電流效率在進水TDS為4000mg/L和30000mg/L時高于進水TDS10000mg/L。當進水TDS為4000mg/L時,運行電壓60V,電流由水中離子的遷移量決定;進水TDS為30000mg/L時,運行電壓60V,水中離子濃度高,離子的遷移量由電流決定;而進水TDS為10000mg/L時,在相同電壓下,離子濃度相對較低,在膜界面上產生了濃差極化,所以電流效率相對較低。運行全過程中,總的電流效率約為80%。
圖3TDS與電流效率關系曲線圖
4.3進水TDS變化對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)。進水TDS4000mg/L時,離子遷移通量小于1eq/(m2˙h),噸水能耗小于1kw˙h;進水TDS10000mg/L時,離子遷移通量約2eq/(m2˙h),噸水能耗2~3kw˙h;進水TDS30000mg/L時,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對離子遷移通量和噸水能耗的關系曲線圖
4.4進水TDS變化對脫鹽率的影響
試驗考察了不同進水TDS濃度(4000mg/L、10000mg/L、30000mg/L)下的脫鹽率的變化(圖5),通過分析,脫鹽率隨著進水濃度的升高在脫鹽率80%左右波動,脫鹽率受水質波動影響不大,不同試驗條件下的脫鹽率總體不低于80%。
圖5TDS與脫鹽率關系曲線圖
4.5水質檢測結果
產水水質檢測結果見表2。
表2產水水質分析
由表2可知,進水TDS5300mg/L時,ED膜對水的濃縮倍數為11;進水TDS10253mg/L時,濃縮倍數為13.6倍;進水濃度TDS30000mg/L時,其濃縮倍數將近7倍,濃水TDS達到上限(200000mg/L)。隨著進水濃度的升高,電驅離子膜濃縮達到的濃水濃度進一步提升200000mg/L,濃縮倍數與進水濃度無明顯相關性,但電驅離子膜裝置的濃縮效率受進水濃度的影響較大;進水濃度TDS30000mg/L時,電驅離子膜裝置可利用其最大效率。
5結論
與傳統軟化預處理相比,脫硫廢水經過化學反應和管式膜過濾的軟化預處理工藝后,流程大大縮短。管式膜產水進入電驅離子膜裝置進行濃縮,進水水質波動對電驅離子膜膜元件的電流效率、產水率、脫鹽率有不同程度的影響。通過實驗得知,在進水濃度增高時,電流效率較大,產水率和脫鹽率均能保持穩定水平,電驅離子膜裝置的濃縮倍率受進水濃度影響較大,進水TDS約30000mg/L時,濃水TDS可以達到200000mg/L,將濃水減量,減輕后續蒸發結晶裝置的運行壓力,產水可回用于循環水冷卻系統,實現廢水零排放處理。相比熱法濃縮,電驅離子膜濃縮廢水所需電耗較低,不需要其他能耗,并且不會造成熱損失,也不需要新鮮水源。因此采用電驅離子膜技術對高鹽水或者脫硫廢水進行濃縮處理具有更大的推廣價值和意義。
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