季宏飛，李志猛，陳金明，龔炎華

（中國電子科技集團(tuán)第43研究所 合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230088）

電鍍行業(yè)在環(huán)保政策的指導(dǎo)下，電鍍廢水“零排放”技術(shù)成為水資源可持續(xù)利用的重要手段［1-4］。目前電鍍廢水“零排放”處理主流技術(shù)是“物化反應(yīng)處理+多介質(zhì)過濾處理+膜濃縮減量化處理+蒸發(fā)結(jié)晶處理”［5-7］。膜處理濃縮減量直接決定蒸發(fā)器的設(shè)備處理能力及決定項目整體運(yùn)行成本，目前市面電鍍廢水“零排放”項目噸水處理成本約為40～70元。成本高昂對生產(chǎn)企業(yè)負(fù)擔(dān)很重，因此降低電鍍廢水“零排放”運(yùn)行成本迫在眉睫［8-10］。電鍍廢水“零排放”運(yùn)行成本把控的技術(shù)關(guān)鍵點在于電鍍廢水的濃縮減量，然而反滲透膜濃縮效率有限，廢水總回用率為80%，如果在膜濃縮末端再通過電滲析濃縮技術(shù)，則可以實現(xiàn)96%以上的廢水總回用率，廢水蒸發(fā)量顯著減少，項目總體運(yùn)營成本得到降低。

電滲析裝置是在外設(shè)直流電場的作用下，并利用離子交換膜對溶液中離子進(jìn)行選擇透過性，將溶液中的陰離子和陽離子進(jìn)行定向遷移，進(jìn)而達(dá)到對溶液除鹽或濃縮的目的［11-12］。為了降低電鍍廢水“零排放”運(yùn)行成本，引入電滲析設(shè)備末端高倍濃縮是有必要的且具備理論基礎(chǔ)。

通過電滲析技術(shù)濃縮反滲透濃水，減少廢水蒸發(fā)量，可以極大降低電鍍廢水“零排放”運(yùn)營成本，給電鍍廢水“零排放”的節(jié)能降耗提供了新的思路。

1 電滲析原理介紹

在直流電場的作用下，溶質(zhì)則可以通過離子交換膜實現(xiàn)定向遷移，此現(xiàn)象被稱為電滲析（ED）［13-15］。離子交換膜是一類由大分子或化合物材料所合成的膜，具備了對離子選擇性透過的特點，包含陽離子交換膜（CM）和陰離子交換膜（AM）［16-17］。電滲析膜組器組成的基本單元是膜對，一個膜對是由一個脫鹽室和一個濃縮室組成的［18］，一般一臺工業(yè)應(yīng)用的電滲析膜組器是由數(shù)百個膜對組成［19］。

圖1 電滲析運(yùn)行原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operation principle of electrodialysis

以氯化鈉溶液為例，當(dāng)氯化鈉溶液進(jìn)入電滲析膜組器中，通入直流電，隔室中的鈉離子會透過陽膜進(jìn)入相鄰隔室，氯離子會透過陰膜進(jìn)入相鄰隔室［20-21］，隨著運(yùn)行時間加長，隔室中的陰陽離子被遷移至相鄰的隔室，結(jié)果該隔室溶液濃度會降低，則被稱為淡室，相鄰兩邊隔室會不斷遷入陰陽離子，相鄰兩邊隔室溶液濃度會升高，則被稱為濃縮室［20-21］。因此電滲析膜組器就能夠持續(xù)地產(chǎn)生淡化溶液和濃縮溶液［22］。

2 項目概述及工藝流程

本項目為某電鍍公司廢水“零排放”項目，處理能力為10 m3/h。該項目電鍍廢水通過電絮凝設(shè)備進(jìn)行電解絮凝去除廢水中的有機(jī)物及重金屬，然后利用混凝沉淀池進(jìn)行絮凝沉淀，剩余密度較小的懸浮物通過氣浮機(jī)進(jìn)行去除，再通過多介質(zhì)過濾器和超濾膜設(shè)備進(jìn)行去除更細(xì)小懸浮物及膠體，最后通過反滲透膜設(shè)備進(jìn)行脫鹽減量化，反滲透產(chǎn)水制作的純水回用于生產(chǎn)線，反滲透濃水通過三效蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備進(jìn)行處理。

廢水初始電導(dǎo)率檢測為3000 μS/cm，經(jīng)過兩段反滲透濃縮后，檢測其電導(dǎo)率為30000 μS/cm，回用率80%，另外20%反滲透濃縮液需要蒸發(fā)結(jié)晶處理，運(yùn)行成本為50元/t（運(yùn)行成本包含：電費、蒸汽費、藥品、耗材和污泥處理費等）。由于客戶年處理廢水量為24000 t，廢水處理費用高達(dá)120萬元，造成企業(yè)負(fù)擔(dān)很重。

圖2 廢水零排放工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of zero wastewater discharge

應(yīng)客戶要求進(jìn)行升級改造，降低廢水運(yùn)行成本，經(jīng)過分析蒸發(fā)費用占總運(yùn)行成本費用約50%，因此能很大地降低運(yùn)行成本空間，我司提出使用電滲析技術(shù)對反滲透濃水高倍濃縮，減少廢水蒸發(fā)量。將電導(dǎo)率30000 μS/cm的反滲透濃水繼續(xù)濃縮，使?jié)饪s液電導(dǎo)率提高至80000 μS/cm以上，為了使電滲析產(chǎn)水能夠通過反滲透設(shè)備繼續(xù)脫鹽，因此控制電滲析產(chǎn)水的電導(dǎo)率不高于10000 μS/cm。設(shè)計電滲析設(shè)備回用率80%，較原“零排放”系統(tǒng)中需要蒸發(fā)的廢水量減少了80%，成功地將運(yùn)作成本降低至30元/t，每年處理廢水的運(yùn)作成本節(jié)省了40%。

圖3 電滲析設(shè)備工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of electrodialysis equipment

電滲析系統(tǒng)設(shè)備是由一臺電滲析器、保安過濾器、換熱器、濃縮水箱、清洗水箱、泵閥儀器儀表和電氣控制等設(shè)備組成。其中電滲析器中的離子交換膜使用的是日本富士均相膜。

設(shè)備具備倒極功能，為全自動化控制，運(yùn)行維護(hù)方便簡單。

3 電滲析設(shè)計參數(shù)

3.1 電滲析膜參數(shù)

隔板外框尺寸280 mm×560 mm×140 mm，單片膜尺寸：270 mm×550 mm，膜總面積為59.4 m2，膜的有效面積為20 m2，單張膜面積為0.1 m2，電滲析膜對共計200對，電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h）（以氯化鈉為例，理論值）。

3.2 電源參數(shù)

富士均相電滲析膜理論上單張每平方米膜需要電流為400 A，即電流密度為400 A/m2，因此本項目單張膜面積為0.1 m2，因此需要電流密度為40 A/m2。1對膜對需要0.6 V電壓值（經(jīng)驗值），電滲析膜對共計200對，理論需要電壓120 V，預(yù)留約10%余量，設(shè)計電壓為130 V，電源電流-電壓值為40 A-130 V，可倒極。

4 結(jié)果分析

本項目設(shè)計電滲析膜的總面積為59.4 m2，實際有效面積為20 m2，根據(jù)其特性，出廠理論上可以脫鹽10 kg/h（以氯化鈉為例，電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h）。本項目是硫酸鈉廢水，初始濃淡水電導(dǎo)率均為30000 μS/cm（質(zhì)量濃度約3%），經(jīng)過電滲析脫鹽，淡水電導(dǎo)率降低至10000 μS/cm（質(zhì)量濃度約1%），共耗時1.5 h，實際脫鹽量為20 kg，折合1 h脫鹽為13 kg，符合設(shè)計預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行的過程中，初始電流值為32 A，電壓值為130 V，運(yùn)行1 h后電流值為14 A，電壓值為70 V，均在實際標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。運(yùn)行流量與壓力參數(shù)見表1。

表1 運(yùn)行流量與壓力參數(shù)Tab.1 Operating flow and pressure parameters

電滲析設(shè)備運(yùn)行發(fā)現(xiàn)5 t廢水經(jīng)過濃縮可以產(chǎn)生淡水4 t（電導(dǎo)率10000 μS/cm），濃水1 t（電導(dǎo)率80000 μS/cm），回用率為80%。

通過電滲析設(shè)備進(jìn)行末端濃縮后，項目廢水總回用率達(dá)到96%，只有4%的濃縮液進(jìn)行蒸發(fā)，較原“零排放”系統(tǒng)中需要蒸發(fā)的廢水量減少了80%，項目運(yùn)行成本從50元/t降低至30元/t，效果顯著。改造前后回用率及運(yùn)行成本對照表見表2。

表2 改造前后回用率及運(yùn)行成本對照Tab.2 Comparison of reuse rate and operating cost before and after transformation

由于普通的電滲析在運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)污堵、結(jié)垢和出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問題，在本項目的電滲析脫鹽裝置中，通過采用頻繁倒極設(shè)計克服了上述現(xiàn)象，確保了整個過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論與展望

本文采用均相膜電滲析系統(tǒng)作為濃縮設(shè)備，將反滲透濃水進(jìn)一步濃縮，均相膜為日本富士進(jìn)口離子膜，將電鍍廢水電導(dǎo)率從30000 μS/cm濃縮至80000 μS/cm以上，電滲析設(shè)備回用率達(dá)到80%以上，并驗證了電滲析膜脫鹽效率為500 g/（m2·h），實現(xiàn)了改造后“零排放”系統(tǒng)總回用率達(dá)到96%，只有4%的濃縮液進(jìn)行蒸發(fā)，較原“零排放”系統(tǒng)中蒸發(fā)廢水量減少了80%，項目運(yùn)行成本從50元/t降低至30元/t，減少企業(yè)年運(yùn)行成本40%。成功實現(xiàn)了電滲析技術(shù)在電鍍廢水“零排放”系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且大大降低了項目運(yùn)行成本，為該系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供新的思路，同時為電滲析技術(shù)在電鍍廢水“零排放”項目規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。