鋼廠循環水進行深度除鹽處理，對水中含鹽量、氯化物、總堿度、總硬度、濁度等指標進行分析，重點考察對循環水的除鹽效果及影響因素，為電吸附除鹽技術處理并回用該類水質的經濟技術可行性提供依據。

1 試驗過程及方法

1.1 試驗用水水質

試驗用水采用國華準格爾發電有限責任公司3號機組循環水排污水，水質情況見表1。循環水補充水為石灰深度處理后中水與工業水（黃河水）的混合水，屬于高含鹽量、高氯離子水質。

表 1 電廠循環冷卻排污水水質

1.2 技術原理

電吸附除鹽技術主要是通過帶電電極吸附水中離子及帶電粒子，實現水中帶電物質在電極表面的富集，從而達到凈化或淡化被處理水質的一種新型水處理技術〔5〕。電吸附除鹽的工作原理如圖1所示。

圖 1 電吸附除鹽技術基本原理

原水從陰、陽電極組成模塊的一端進入，從另一端流出。在模塊間直流電場的作用下，水中帶電粒子分別向帶相反電荷的電極遷移，并被電極（多孔狀物質）吸附。隨著離子、帶電粒子在電極表面富集濃縮，并儲存在電極表面的雙電層中，模塊中水的溶解鹽類、膠體顆粒及其他帶電物質的濃度大大降低，從而實現了水的除鹽及凈化。電極在吸附過程中逐漸達到飽和后出水電導率將升高，系統模塊需要進行再生恢復。切斷模塊外加的直流電源，直流電場消失，吸附的離子就會從電極表面解析下來，隨水流排出，實現電極的再生。

1.3 試驗裝置及流程

試驗采用電吸附裝置由北京愛思特水務科技有限公司提供，其工藝流程如圖 2所示。

圖 2 電吸附裝置流程

電吸附裝置配備1 t/h石英砂過濾器1臺，制水能力0.3～0.5 t/h的除鹽模塊1組，配有4只水箱，分別為原水箱、產水箱和2只中間水箱。在工作階段，經過預處理的循環水排污水進入原水箱，經工作泵增壓后經過保安過濾器進入模塊，通過模塊處理后產水經相應管路流到產水箱。在再生階段，按照不同的再生工藝使用不同的水泵，可以分別從原水箱和兩個中間水箱抽水，經保安過濾器后進入模塊，對工作結束的模塊進行再生，再生時出水濃度較高的水作為污水排掉，濃度較低的水進入中間水箱，作為下一次再生的沖洗用水。當預處理后原水仍然有較高的堿度和硬度，可能導致模塊產生碳酸鈣結垢時，可以使用加酸計量泵在再生過程中向再生沖洗進水加入適量酸液，以防止模塊內產生結垢。

1.4 預處理工藝

待處理的循環冷卻排污水中堿度、硬度、硫酸根離子含量較高，容易發生結垢污堵。試驗采用加堿、沉淀、石英砂過濾等預處理措施，以有效控制溶液中難溶鹽飽和指數，避免發生結垢堵塞。硬度和堿度的去除效果由原水中的堿度、硬度及其之間的比例來決定，當堿度和硬度同時較高時，加入適量的氫氧化鈉，對堿度和硬度的去除率越高。同時考慮到抑制除鹽過程中硫酸鈣結垢的產生，要求更高的硬度去除率。經過加堿軟化、沉淀、通過石英砂過濾器后，可將原水濁度降低到5 NTU以下。預處理工藝流程見圖 3。

圖 3 預處理工藝流程

2 試驗結果及分析

電吸附除鹽試驗分2個階段進行，第1階段自2013年3月21日開始至4月20日，主要考察對鹽、堿度、硬度 、氯化物等的去除效果；第2階段自7月24日至8月5日，主要考察水質季節變化對電吸附除鹽能力的影響。3月21—28日期間主要調試設備和預處理聯合試運。3月29日至4月4日期間試驗裝置啟動，由于試驗開始產水電導率波動較大，采用質量分數為1%的鹽酸溶液進行化學清洗，清洗后產水電導率較穩定，于4月5日開始正式試驗。試驗期間每天對原水和產水分別取樣2次，每次取樣500～1 000 mL進行水質分析，測定項目有堿度、硬度、電導率、濁度、氯化物等，測定方法按《水和廢水監測分析方法》進行。根據中試裝置的工作時間、流量和排污時間、流量來統計產水量及產水率；依據電表和鹽酸、氫氧化鈉消耗量來計算噸水能耗和藥劑消耗。

2.1 預處理對堿度和硬度的影響

原水堿度和硬度較高，為深度除鹽帶來結垢風險。試驗預處理階段對堿度的去除率在50%～90%，平均去除率為75.5%；預處理對硬度的去除率在10%～55%，平均去除率為38.5%。原水的硬度明顯比堿度高，加入適量氫氧化鈉溶液后，大部分重碳酸鹽參與反應，故預處理對堿度的去除效果較好。由于沒有足夠的堿度參與反應，總硬度的去除率相對較低。如果向原水中加入適量藥劑以增加原水的堿度，同時按比例增加堿液的投加量，硬度去除率可以增加到80%以上。經過預處理階段的加堿沉淀操作和后面的加酸調節pH操作，原水電導率略有上升，一般能升到50～150 μS/cm，對后續的電吸附深度除鹽影響甚微。

2.2 除鹽效果

電導率能夠表征水中含鹽量的多少，試驗以電導率的去除率來判斷電吸附的除鹽能力。試驗第1階段水溫較低，原水電導率波動較大（2 500～4 000 μS/cm），平均電導率為3 277 μS/cm，產水電導率在600～1 000 μS/cm，平均產水電導率為882 μS/cm，平均去除率為74.9%。試驗開始產水電導率變化較大的主要原因是運行初期對堿度、硬度的預處理效果不理想，模塊產生輕微的碳酸鈣及硫酸鈣結垢，及時對電吸附模塊進行化學清洗，電吸附模塊的除鹽性能恢復如初。試驗結果表明，即便產生了碳酸鈣或硫酸鈣結垢，經過清洗后電吸附模塊性能可以*恢復，如圖 4所示。

圖 4 第1階段電導率的去除效果

針對夏季循環水濃縮倍率升高、循環水電導率大幅增加的情況，進行第2階段的電吸附除鹽試驗，試驗方法及內容與第1階段相同。此次試驗期間，原水電導率在2 900～6 500 μS/cm，相對第1階段原水電導率大幅增加且波動較大，平均原水電導率為4 185 μS/cm；產水電導率在763～1 811 μS/cm，平均產水電導率為1 127 μS/cm，平均去除率為72.7%。由于原水電導率升高，為了達到預期的除鹽效果，自7月24—31日向單個模塊施加電壓49 V，8月1—5日，提高到單個模塊施加電壓51 V，脫鹽率仍保持在75%左右。試驗結果表明，綜合考慮能耗和脫鹽效果，調整模塊施加電壓可以實現除鹽效果的優化，如圖 5所示。

圖5 第2階段電導率的去除效果

2.3 總硬度去除效果

總硬度關系到工業水的使用，其含量直接影響系統是否結垢。考察了總硬度的去除效果，如圖 6所示。

圖6 總硬度的去除效果

由圖6可見，試驗期間原水總硬度在9～13 mmol/L，基本比較穩定，平均值為10.5 mmol/L，產水總硬度在1.4～3.4 mmol/L，平均值為2.28 mmol/L，總硬度平均去除率為78.0%。

總硬度的去除還與原水總堿度有關，當原水總堿度較高，總硬度去除率也較高。試驗水源來自機組的循環排污水，通過投加硫酸調整高濃縮倍率運行，所以試驗用水的總堿度較低；預處理過程中對硬度的去除率較低，但電吸附深度除鹽過程對硬度的去除率較高，這也為實際工程實施中整體水質控制提供了依據。

2.4 總堿度去除效果

水的總堿度是指水中含有能接受氫離子的物質的量，以pH表示酸堿的強度，是控制結垢的一個重要指標。試驗期間原水總堿度在6～7.2 mmol/L，非常穩定，平均值為6.6 mmol/L，產水總堿度在0.5～3.3 mmol/L，平均值為1.6 mmol/L，總堿度平均去除率為75.5%。

試驗過程中對堿度的去除包括加酸去除堿度和電吸附模塊的吸附作用，當原水堿度發生明顯變化時，及時調整加酸量以保證相應的堿度去除率。加酸過量時會導致產水及外排水pH過低；當加酸量太少時會導致堿度去除率下降。

2.5 氯化物去除效果

氯離子是試驗主要考察指標之一。試驗期間原水氯化物在370～500 mg/L，平均值為456.8 mg/L，產水氯化物在40～110 mg/L，平均值為95.6 mg/L，氯離子平均去除率為79.0%。

試驗過程中原水氯化物波動較大，而產水氯化物比較穩定，電吸附裝置對氯化物的去除效果明顯，去除率高達80%左右。循環排污水經電吸附技術處理后可作為電廠工業水回用。

2.6 產水率、能耗及藥劑消耗量

本次試驗根據工作流量計、反洗流量計、工作時間、反洗時間及預處理水量來統計產水率，其中工作流量400 L/h、排污流量500 L/h、工作時間∶排污時間=22∶7，統計得到綜合產水率為71.5%。電吸附能耗主要消耗在工作時的加電吸附，一般來講去除鹽分越多能耗越高。采用在線監測電流表、電壓表計算得出試驗能耗在2.3～2.9 kW·h/t，平均噸水能耗為2.67 kW·h。

試驗期間使用質量分數為30%的工業鹽酸和30%左右氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉溶液平均加藥量折合為噸產水的0.8‰（即每噸產水需要加入0.8 kg質量分數為30%的氫氧化鈉）。理論計算使用量為0.6‰左右，但實際加藥量比計算值略高，主要原因是手動加藥條件比較簡單，監測手段有限，造成浪費較嚴重。

鹽酸消耗量為噸產水加酸量0.2～0.4 L，平均噸產水加酸量為0.3 L。由于采用加堿軟化方法后原水的堿度、硬度均大幅下降，加酸量也隨之減少。如果加堿軟化法控制得更好，鹽酸使用量還可以有一定幅度的下降（氫氧化鈉加藥量過多或過少都會導致鹽酸使用量增加）。

2.7 運行成本分析核算

按照電吸附除鹽工藝處理能力200 m3/h，原水平均電導率3 200 μS/cm，處理后水質電導率＜1 000 μS/cm，系統產水率達到約75%的設計，項目計劃投資費用為1 778 萬元，產水運行成本為1.5 元/ m3（其中能耗費為0.82 元/m3，能耗以1.78 kW·h/m3計）。按黃河水取水水價和排污費合計費用4.6元/m3計算，年利潤為348萬，5 a即可收回工程投資費用，經濟效益顯著。

3 結論

試驗結果表明，電吸附除鹽裝置可以有效去除電廠循環水中的離子，產水電導率、總硬度、堿度、氯化物及濁度等能夠滿足回用要求。與傳統的除鹽工藝相比，電吸附除鹽裝置的再生過程基本不需要酸、堿和鹽溶液，切斷電極電源即可完成，不會因采用其他再生液而造成二次污染。由于電吸附模塊中通道較寬，對進水的預處理要求較低，即使前期處理過程出現一些問題對電吸附模塊的沖擊性也較小，不會造成不可修復的損毀。使用過程中pH、余氯、有機物、錳、鐵等一般對電吸附模塊沒有影響，停運時也不需要特別的保養和保護，較電滲析和反滲透更具有操作上的優勢；從經濟效益分析，電吸附除鹽裝置每噸產水的運行成本低于黃河水取水水價和排污費合計費用，因此電吸附技術在電廠污水回用領域具有明顯的技術優勢與經濟優勢