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作者〡陈文婷 赵永梅 陈雪 李向南 赵焰
燃煤电厂脱硫废水属于电厂末端最难处理的废水, 废水水质受燃煤品质、石灰石品质、脱硫系统的设计及运行、脱硫工艺补充水等因素影响, 波动较大, 表现出水质组成复杂、高含盐量、高腐蚀性等特点, 成为制约电厂脱硫废水零排放的关键因素。中试实验结果表明, 电驱离子膜装置将经过化学反应+管式膜预处理的水浓缩, 浓水中总溶解固体TDS可浓缩至200000mg/L, 产水可回用于循环水冷却系统, 该工艺可满足脱硫废水零排放的要求, 可为将来的项目提供可行性依据。
脱硫废水是在湿式烟气脱硫过程中产生的一种具有危害性、难处理的工业废水, 其成分复杂, 水质变化波动大, 具有高悬浮物含量、高盐量和硬度、易结垢和腐蚀性强等特点, 同时含有一定量的重金属。目前采用的常规三联箱—中和、絮凝、沉淀工艺只能去除其中的悬浮物和绝大部分的重金属离子, 对于其中的可溶性盐并无去除作用。随着排放标准的日益严苛、环保要求的逐步提高和水资源的持续短缺, 实现脱硫废水的资源化与零排放刻不容缓。
膜分离技术是一种高效、低耗且易操作的液体分离技术, 与传统的水处理方法相比, 具有处理效果好、可实现废水的循环利用及回收高附加值产品等优点, 是实现废水资源化利用的有效技术。电渗析技术作为一种膜分离浓缩技术, 使用特定的离子交换膜, 其在直流电场的作用下对溶液中的阴阳离子具有选择透过性, 即阴膜仅允许阴离子透过, 阳膜只允许阳离子透过。通过阴阳离子膜交替排布形成浓、淡室, 从而实现物料的浓缩与脱盐。相较于反渗透过程, 电渗析浓缩过程为电场驱动, 其进水要求相对较低, 仅对进水SS及强氧化物、有机溶剂等有所限制, 预处理过程简单。在保证进水条件下, 可进行拆解离线清洗, 使用寿命长。而对于热法蒸发过程, 电渗析过程在能耗、占地、投资等方面优势明显。因此近年来, 随着工业高盐废水处理及零排放需求提高, 电渗析技术以其上述独特优势在此领域的应用日益受到关注。为此, 针对脱硫废水的水质特性, 采用均相电驱离子膜浓缩工艺开展了相关的研究。
脱硫废水的水质主要受燃煤品质、石灰石品质、脱硫系统的设计及运行、脱硫工艺补充水、脱硫塔前污染物控制设备以及脱水设备等的影响。不同地区的电厂差别很大, 同一电厂因排放时间不固定, 差别也很大;脱硫废水间断性排放, 水量波动较大；废水硬度高, 易造成蒸发系统结垢;废水中氯离子的含量高, 易造成系统腐蚀。以某电厂为例, 脱硫废水水质见表1。
表1 某电厂脱硫废水水质
电驱离子膜技术的原理是利用阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间, 并用特制的隔板将其隔开, 组成除盐 (淡化) 和浓缩两个系统。当向隔室通入盐水后, 利用离子交换膜对阴阳离子的选择透过性能, 在直流电场作用下阴、阳离子分别向阳极和阴极移动, 达到电解质溶液的分离、提纯和浓缩。
3.1 试验材料及分析方法
中试设备主要组成为:膜堆 (含120对膜片, 每片膜面积0.5 m2) 、整流器、原水箱、浓缩水箱、加酸泵、阴极液槽和阳极液槽。
试验分析仪器:DR6000紫外可见分光光度计、ME分析天平、电热恒温烘箱、滴定装置、原子吸收、电导率仪、pH计。水质检测项目主要有:总硬度、电导率、TDS、Cl-、F-、SO42-、pH等, 检测依据标准参照《锅炉用水和冷却水分析方法通则》 (GB/T 6903-2005) 。
本次试验所用药剂为：30%氢氧化钠、30%盐酸、固体碳酸钠、固体硫酸钠、亚硫酸氢钠。
试验主要目的是取通过加药软化预处理和管式膜固液分离后的产水, 测试电驱离子膜设备对脱硫废水的浓缩情况, 最大限度的减少进入后续蒸发装置的浓水量。
3.2 工艺流程
试验工艺流程见图1。
图1 试验工艺流程图
经常规处理后的脱硫废水进入废水收集池, 进行重力沉淀, 经提升进入反应槽1, 加氢氧化钠调节pH值, 控制pH大于11, 使氢氧化镁沉淀;反应槽1出水进入反应槽2, 加入碳酸钠溶液, 与水中的钙离子生成碳酸钙沉淀, 混合液进入浓缩槽, 由循环泵输送至管式膜进行固液分离, 此时大流量的水回流至浓缩槽, 保持浓缩槽中的混合状态;部分透过水经投加氢氧化钠回调p H值后进入ED原水箱。
电驱离子膜整流器运行为稳压运行, 运行电压为60V;极液:5%Na2SO4 (阴极液pH<2.5, 阳极液pH<7) ;系统进水1m3/h, 阴极液循环流量2m3/h, 阳极液循环流量2m3/h, 浓水循环量4.5m3/h, 脱盐水循环量7.5m3/h, 保证膜面流速。
4.1 进水TDS变化对脱盐水和浓缩水TDS的影响
由于脱硫废水水质波动较大, 试验收集了不同浓度的废水, 研究了不同脱硫废水浓度条件下的电驱离子膜运行工况 (图2) 。其中, 下述所列图中, 横坐标数据取样时间不同, 横坐标数据1~5代表进水TDS4000mg/L, 7~12代表进水TDS10000mg/L, 14~20代表进水TDS30000mg/L, 三组图2~图5内横坐标代表意义相同。
图2 TDS关系曲线图
ED进水原水取自管式膜产水, ED装置出水口产生两种水, 一种是浓缩水, 一种是脱盐水。进水TDS为4000mg/L左右时, ED膜出口浓缩水TDS约为50 000 mg/L;随着进水浓度梯度增加;当进水TDS为10 000 mg/L, ED膜出口浓缩水TDS约为150000~170000mg/L;进水TDS为30000 mg/L, ED膜出口浓缩水TDS约为200000mg/L;进水TDS浓度增加, ED膜出口浓缩水TDS浓度与进水TDS呈正相关升高。
通过比较, 在进水TDS约为30000mg/L时为ED装置运行最优状态；ED膜出口浓缩水TDS基本大于200000mg/L (含盐量>20%) , 浓缩水浓度达到最高, 减少了浓水量;该浓缩水进入后续蒸发后, 可缩短结晶周期。随进水TDS浓度增高, ED装置出口脱盐水TDS浓度稍微增加, 但总体低于5000mg/L, ED装置可与RO耦合使用, RO将脱盐水进一步处理回收利用。
4.2 进水TDS变化对电流效率的影响
电流效率表示电渗析过程中电流利用程度, 为单位时间内实际脱盐率与理论脱盐率的百分比, 对不同进水TDS浓度下的电流效率进行比较 (图3) 。电流效率在进水TDS为4 000 mg/L和30 000 mg/L时高于进水TDS 10 000 mg/L。当进水TDS为4 000mg/L时, 运行电压60 V, 电流由水中离子的迁移量决定;进水TDS为30 000 mg/L时, 运行电压60 V, 水中离子浓度高, 离子的迁移量由电流决定;而进水TDS为10 000 mg/L时, 在相同电压下, 离子浓度相对较低, 在膜界面上产生了浓差极化, 所以电流效率相对较低。运行全过程中, 总的电流效率约为80%。
图3 TDS与电流效率关系曲线图
4.3 进水TDS变化对离子迁移通量和吨水能耗的影响
随着原水TDS的升高, 离子迁移通量以及吨水电耗逐步升高 (图4) 。进水TDS4000mg/L时, 离子迁移通量小于1eq/ (m2·h) , 吨水能耗小于1 kw·h;进水TDS10000mg/L时, 离子迁移通量约2eq/ (m2·h) , 吨水能耗2~3kw·h;进水TDS30000mg/L时, 离子迁移通量约6eq/ (m2·h) , 吨水能耗6~7kw·h。吨水能耗随着离子迁移通量的增加而增大。
图4 TDS对离子迁移通量和吨水能耗的关系曲线图
4.4 进水TDS变化对脱盐率的影响
试验考察了不同进水TDS浓度 (4000 mg/L、10000 mg/L、30000mg/L) 下的脱盐率的变化 (图5) , 通过分析, 脱盐率随着进水浓度的升高在脱盐率80%左右波动, 脱盐率受水质波动影响不大, 不同试验条件下的脱盐率总体不低于80%。
图5 TDS与脱盐率关系曲线图
4.5 水质检测结果
产水水质检测结果见表2。
由表2可知, 进水TDS5300 mg/L时, ED膜对水的浓缩倍数为11;进水TDS10253mg/L时, 浓缩倍数为13.6倍;进水浓度TDS30000 mg/L时, 其浓缩倍数将近7倍, 浓水TDS达到上限 (200 000 mg/L) 。随着进水浓度的升高, 电驱离子膜浓缩达到的浓水浓度进一步提升200000mg/L, 浓缩倍数与进水浓度无明显相关性, 但电驱离子膜装置的浓缩效率受进水浓度的影响较大;进水浓度TDS30000mg/L时, 电驱离子膜装置可利用其最大效率。
表2 产水水质分析
与传统软化预处理相比, 脱硫废水经过化学反应和管式膜过滤的软化预处理工艺后, 流程大大缩短。管式膜产水进入电驱离子膜装置进行浓缩, 进水水质波动对电驱离子膜膜元件的电流效率、产水率、脱盐率有不同程度的影响。通过实验得知, 在进水浓度增高时, 电流效率较大, 产水率和脱盐率均能保持稳定水平, 电驱离子膜装置的浓缩倍率受进水浓度影响较大, 进水TDS约30000mg/L时, 浓水TDS可以达到200000mg/L, 将浓水减量, 减轻后续蒸发结晶装置的运行压力, 产水可回用于循环水冷却系统, 实现废水零排放处理。相比热法浓缩, 电驱离子膜浓缩废水所需电耗较低, 不需要其他能耗, 并且不会造成热损失, 也不需要新鲜水源。因此采用电驱离子膜技术对高盐水或者脱硫废水进行浓缩处理具有更大的推广价值和意义。
本文发表于《环保科技》 2018年（1）
主作者：陈文婷
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