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在高鹽廢水零排放電滲析技術

　電滲析技術是通過陰陽膜交叉排列的膜對組合，利用離子交換膜對陰、陽離子的選擇透過性，在外加直流電場的作用下，使水中的陰、陽離子定向遷移離子交換膜，從而實現離子型化合物的分離、淡化和濃縮。

　　隨著電滲析技術的不斷發展，電滲析在高鹽廢水處理過程中已取得了一定規模的應用。文中將主要介紹電滲析在高鹽廢水零排放中的應用及其發展展望。

　　1、高鹽廢水及其零排放的概念

　　2017年中國工業廢水排放總量約690億t，其中高鹽廢水產生量占總廢水量的5%，且每年仍以2%的速度增長。高鹽廢水中主要含有Cl-、SO2-、Na+、Ca2+等離子，總含鹽量高于1%。其有3個主要來源，分別是：

　　(1)缺水地區海水(苦咸水)淡化過程中產生的大量濃縮廢水。

　　(2)工業生產過程中直接排放的高鹽廢水。

　　(3)工業生產過程中廢水循環利用產生的鹽水。

　　高鹽廢水不僅含有高濃度無機鹽，還含有高濃度有機物、氮和磷等物質。高鹽廢水若未經有效處理直接排放，會對環境造成如下的嚴重危害：

　　(1)導致土壤鹽堿化，破壞土壤原有的生態系統。

　　(2)提高江河水的礦化度，使水生生物大量死亡，破壞河流的生態系統。

　　(3)高鹽廢水中的有機物難于被生物降解，導致黑臭水體。

　　高鹽廢水零排放是指對廢水進行處理后無任何廢液排出，獲得的產水回用于生產，廢水中的鹽分及有機污染物則通過濃縮結晶以固體形式排出。如果獲得的固體鹽的成分單一，則可將其作為原料用于生產過程中。而如果獲得的是雜鹽，則要作為危廢交由有資質的危廢處理公司進行處理。

　　2、電滲析在高鹽廢水“零排放”濃縮過程中的應用

　　目前高鹽廢水零排放工藝普遍的流程為：預處理→鹽水濃縮→鹽水結晶。其中，鹽水結晶系統所處理的水量是整個零排放工藝成本的關鍵因素。這也就是說如果能將廢水在進入蒸發結晶前進行高倍濃縮，將大大降低高鹽廢水的零排放成本。

　　鹽水濃縮的方法有很多，主要分為熱法和膜法濃縮兩類。其中，目前在高鹽廢水零排放領域用的最多的兩種熱法濃縮為機械式蒸汽壓縮技術(MVC)和機械式蒸汽再壓縮技術(MVR)。但熱法濃縮不光設備投資巨大，其運行的能耗也很高，這限制了熱法濃縮的使用范圍。為了降低整體的運行成本，很多人提出將反滲透與熱法濃縮設備耦合在一起使用的概念，即經過預處理的高鹽廢水首先通過反滲透膜，反滲透淡水直接回用于生產，而濃水則進入熱法濃縮設備中進行進一步的濃縮，從而降低了系統能耗。

　　膜法濃縮是指將預處理后的含鹽廢水首先通過RO膜，RO濃水再通過膜蒸餾、正滲透、電滲析等技術進行進一步的濃縮，而后進入結晶器。

　　Oren等人為實現以色列某地區苦咸水淡化廠的反滲透濃水零排放，提出苦咸水反滲透(BWRO)耦合倒極電滲析(EDR)的處理工藝流程。BWRO的濃水首先經過一級BWRO膜，所產淡水可直接與之前反滲透所產淡水相混合，從而提高水收率。濃水則作為EDR淡室的進水以脫鹽。EDR淡室出水與BWRO進水相混合。EDR濃室的出水通入結晶沉淀器，沉淀下來的鹽漿進入干燥器中干燥，而結晶沉淀器的上清液通過納濾膜去除微晶體后作為EDR濃室的進水以進一步地濃縮。

　　在中試實驗中，待處理的BWRO濃水被存放在一個2000L的水箱中，在EDR淡室中循環脫鹽。EDR濃水罐的體積是100L，分別與結晶沉淀器和EDR進水端相接。膜對電壓為0.5~1V，電流密度在10到22mA/cm2之間。EDR系統每天運行6~12h，其中每1h調換電極1次。納濾膜的孔徑為0.04μm。

　　為預防膜結垢，原水使用鹽酸調節pH至6.5，同時添加六偏磷酸鈉作為阻垢劑。在每批實驗開始前，EDR淡室進水都用硫酸調節pH至4。實驗過程中，定期向電極沖洗液中加入硫酸，將沖洗液pH維持在1.5至2間。通過調節淡室進水和電極沖洗液的pH值，可以將EDR濃室出水pH穩定在2至2.2之間。

　　在80多批次的實驗中，發現EDR淡室出水中Cl-、SO2-、Na+、Ca2+和Mg2+的濃度下降很明顯，而SiO2的濃度沒有明顯的變化。這主要是因為SiO2不帶電荷，同時離子交換膜對其的透過性不高。為了防止SiO2濃度在淡室中累積過高，實驗中定期將EDR淡室出水與BWRO淡水相混合。隨著累計運行時間的增加，濃室中Cl-、SO2-、Na+、Ca2+和Mg2+的濃度逐漸升高，并在60h開始趨于穩定，這表明脫鹽過程達到了平衡狀態。同時，在多批次實驗的過程中，發現EDR運行穩定，對鹽的分離效果良好，同時具有很好的經濟效益。

　　3/電滲析在高鹽廢水“零排放”預處理過程中的應用

　　高鹽廢水中一般也含較高濃度的Ca2+、Mg2+等硬度離子，如果高鹽廢水不經過軟化，直接進入后續的濃縮步驟，會導致嚴重的結垢問題。無論是熱法濃縮還是膜法濃縮，一旦設備上發生結垢，都會使設備濃縮效率大大下降甚至損壞設備。因此，對于硬度較高的高鹽廢水的零排放工藝，均要求在濃縮步驟之前對水質進行軟化。傳統用得很普遍的軟化方法是化學軟化法，即通過向廢水中加入生石灰等藥劑來達到去除硬度離子的目的。但化學軟化法需要額外的投加化學藥劑，不僅操作不便，而且會增加處理水體的礦化度，增加零排放處理的難度。由于電滲析能將一股水流中的離子定向遷移到另一股水流中，故有很多人提出基于電滲析的不用添加化學藥劑的水質軟化方法。

　　加拿大的Saltworks公司提出基于選擇性電滲析(SED)的水質軟化方案。所謂的SED是指將電滲析中的陰陽離子交換膜中的一個換成單價離子交換膜，單價離子交換膜能允許單價離子的透過，但阻礙多價離子的透過。Saltworks公司用2臺分別裝有單價陽離子交換膜和單價陰離子交換膜的SED來軟化水質，裝有單價陽離子交換膜的SED允許Na+、K+等單價陽離子和所有陰離子進入濃室，而Ca2+和Mg2+等二價陽離子則被阻擋在淡室中。裝有單價陰離子交換膜的SED允許Cl-和所有陽離子進入濃室，而SO42-和、CO32-等二價陰離子則被阻擋在淡室中?？梢?，通過2臺SED的處理，Ca2+、Mg2+與SO42-、CO32-等易結垢的離子對被分離到兩股濃水中，淡室中的水質得到軟化，而濃室中也沒有結垢的風險。

　　Loganathan等人在提出用EDR-RO結合低溫結晶器來對基底涌水進行零排放處理。整個處理工藝流程為將預處理后的水作為EDR淡室進水，EDR淡室出水作為RO進水，RO濃水則作為EDR濃室進水以進一步地濃縮，RO淡水直接回用于生產，EDR濃室出水通入低溫結晶器中進行處理，實現淡水與固體鹽的分離。實驗發現，經過預處理的水中Ca2+和Mg2+離子濃度分別為7.8mg/L和250mg/L，而淡室出水中Ca2+和Mg2+離子濃度分別為3.2mg/L和155mg/L，表明電滲析對RO進水有較好的軟化效果，而這能提高RO整體的處理效果。

　　4、結論

　　近年來，隨著國家環保政策的收緊，以及零排放的政策及議案不斷被提出或試行，高鹽廢水零排放的熱度一直不減。然而，由于現有高鹽廢水零排放工藝復雜、成本高昂，能真正實現廢水零排放的企業非常少。文中首先回顧了傳統的熱法廢水零排放處理工藝流程，然后介紹了主要介紹了電滲析在膜法廢水零排放處理中的應用。

　　電滲析用于高鹽廢水零排放具有如下優點：

　　(1)電滲析對處理水質的要求較反滲透等膜技術低，不易結垢。

　　(2)電滲析對鹽水的的濃縮極限較反滲透高，能將鹽水濃縮至100g/L的濃度，而一般反滲透濃水的濃度一般不超過80g/L。

　　(3)電滲析技術應用范圍廣，通過選用不同類型的離子交換膜，可以達到不同的目的，如鹽的濃縮、鹽的分離以及制備酸堿等?？梢哉f，電滲析用于高鹽廢水零排放的技術和經濟可行性都是很高的。

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