電廠循環(huán)水進(jìn)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(biāo)進(jìn)行分析,重點(diǎn)考察對循環(huán)水的除鹽效果及影響因素,為電吸附除鹽技術(shù)處理并回用該類水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性提供依據(jù)。
1 試驗(yàn)過程及方法
1.1 試驗(yàn)用水水質(zhì)
試驗(yàn)用水采用國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司3號機(jī)組循環(huán)水排污水,水質(zhì)情況見表1。循環(huán)水補(bǔ)充水為石灰深度處理后中水與工業(yè)水(黃河水)的混合水,屬于高含鹽量、高氯離子水質(zhì)。
表 1 電廠循環(huán)冷卻排污水水質(zhì)
項(xiàng)目 | 電導(dǎo)率 | 堿度 | 硬度 | 氯離子 | 硫酸根 | CODMn | pH | 濁度 |
數(shù)值 | 2800~3800 | 300~500 | 400~650 | 340~560 | 700~1000 | 6~9 | 8.4~8.5 | 30~140 |
注:除 pH 、濁度( NTU )、電導(dǎo)率( μS/cm )外,其余項(xiàng)目單位均為 mg/L 。 |
1.2 技術(shù)原理
電吸附除鹽技術(shù)主要是通過帶電電極吸附水中離子及帶電粒子,實(shí)現(xiàn)水中帶電物質(zhì)在電極表面的富集,從而達(dá)到凈化或淡化被處理水質(zhì)的一種新型水處理技術(shù)〔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(shù)基本原理
原水從陰、陽電極組成模塊的一端進(jìn)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(zhì))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(zhì)的濃度大大降低,從而實(shí)現(xiàn)了水的除鹽及凈化。電極在吸附過程中逐漸達(dá)到飽和后出水電導(dǎo)率將升高,系統(tǒng)模塊需要進(jìn)行再生恢復(fù)。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(shí)現(xiàn)電極的再生。
1.3 試驗(yàn)裝置及流程
試驗(yàn)采用電吸附裝置由北京愛思特水務(wù)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(chǎn)水箱和2只中間水箱。在工作階段,經(jīng)過預(yù)處理的循環(huán)水排污水進(jìn)入原水箱,經(jīng)工作泵增壓后經(jīng)過保安過濾器進(jìn)入模塊,通過模塊處理后產(chǎn)水經(jīng)相應(yīng)管路流到產(chǎn)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(jīng)保安過濾器后進(jìn)入模塊,對工作結(jié)束的模塊進(jìn)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(jìn)入中間水箱,作為下一次再生的沖洗用水。當(dāng)預(yù)處理后原水仍然有較高的堿度和硬度,可能導(dǎo)致模塊產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)垢時,可以使用加酸計(jì)量泵在再生過程中向再生沖洗進(jìn)水加入適量酸液,以防止模塊內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢。
1.4 預(yù)處理工藝
待處理的循環(huán)冷卻排污水中堿度、硬度、硫酸根離子含量較高,容易發(fā)生結(jié)垢污堵。試驗(yàn)采用加堿、沉淀、石英砂過濾等預(yù)處理措施,以有效控制溶液中難溶鹽飽和指數(shù),避免發(fā)生結(jié)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(dāng)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(jié)垢的產(chǎn)生,要求更高的硬度去除率。經(jīng)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(yù)處理工藝流程見圖 3。
圖 3 預(yù)處理工藝流程
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
電吸附除鹽試驗(yàn)分2個階段進(jìn)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(zhì)季節(jié)變化對電吸附除鹽能力的影響。3月21—28日期間主要調(diào)試設(shè)備和預(yù)處理聯(lián)合試運(yùn)。3月29日至4月4日期間試驗(yàn)裝置啟動,由于試驗(yàn)開始產(chǎn)水電導(dǎo)率波動較大,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液進(jìn)行化學(xué)清洗,清洗后產(chǎn)水電導(dǎo)率較穩(wěn)定,于4月5日開始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)期間每天對原水和產(chǎn)水分別取樣2次,每次取樣500~1 000 mL進(jìn)行水質(zhì)分析,測定項(xiàng)目有堿度、硬度、電導(dǎo)率、濁度、氯化物等,測定方法按《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行。根據(jù)中試裝置的工作時間、流量和排污時間、流量來統(tǒng)計(jì)產(chǎn)水量及產(chǎn)水率;依據(jù)電表和鹽酸、氫氧化鈉消耗量來計(jì)算噸水能耗和藥劑消耗。
2.1 預(yù)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(jié)垢風(fēng)險。試驗(yàn)預(yù)處理階段對堿度的去除率在50%~90%,平均去除率為75.5%;預(yù)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(yīng),故預(yù)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(yīng),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(jīng)過預(yù)處理階段的加堿沉淀操作和后面的加酸調(diào)節(jié)pH操作,原水電導(dǎo)率略有上升,一般能升到50~150 μS/cm,對后續(xù)的電吸附深度除鹽影響甚微。
2.2 除鹽效果
電導(dǎo)率能夠表征水中含鹽量的多少,試驗(yàn)以電導(dǎo)率的去除率來判斷電吸附的除鹽能力。試驗(yàn)第1階段水溫較低,原水電導(dǎo)率波動較大(2 500~4 000 μS/cm),平均電導(dǎo)率為3 277 μS/cm,產(chǎn)水電導(dǎo)率在600~1 000 μS/cm,平均產(chǎn)水電導(dǎo)率為882 μS/cm,平均去除率為74.9%。試驗(yàn)開始產(chǎn)水電導(dǎo)率變化較大的主要原因是運(yùn)行初期對堿度、硬度的預(yù)處理效果不理想,模塊產(chǎn)生輕微的碳酸鈣及硫酸鈣結(jié)垢,及時對電吸附模塊進(jìn)行化學(xué)清洗,電吸附模塊的除鹽性能恢復(fù)如初。試驗(yàn)結(jié)果表明,即便產(chǎn)生了碳酸鈣或硫酸鈣結(jié)垢,經(jīng)過清洗后電吸附模塊性能可以*恢復(fù),如圖 4所示。
圖 4 第1階段電導(dǎo)率的去除效果
針對夏季循環(huán)水濃縮倍率升高、循環(huán)水電導(dǎo)率大幅增加的情況,進(jìn)行第2階段的電吸附除鹽試驗(yàn),試驗(yàn)方法及內(nèi)容與第1階段相同。此次試驗(yàn)期間,原水電導(dǎo)率在2 900~6 500 μS/cm,相對第1階段原水電導(dǎo)率大幅增加且波動較大,平均原水電導(dǎo)率為4 185 μS/cm;產(chǎn)水電導(dǎo)率在763~1 811 μS/cm,平均產(chǎn)水電導(dǎo)率為1 127 μS/cm,平均去除率為72.7%。由于原水電導(dǎo)率升高,為了達(dá)到預(yù)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(yàn)結(jié)果表明,綜合考慮能耗和脫鹽效果,調(diào)整模塊施加電壓可以實(shí)現(xiàn)除鹽效果的優(yōu)化,如圖 5所示。
圖5 第2階段電導(dǎo)率的去除效果
2.3 總硬度去除效果
總硬度關(guān)系到工業(yè)水的使用,其含量直接影響系統(tǒng)是否結(jié)垢??疾炝丝傆捕鹊娜コЧ?,如圖 6所示。
圖6 總硬度的去除效果
由圖6可見,試驗(yàn)期間原水總硬度在9~13 mmol/L,基本比較穩(wěn)定,平均值為10.5 mmol/L,產(chǎn)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(guān),當(dāng)原水總堿度較高,總硬度去除率也較高。試驗(yàn)水源來自機(jī)組的循環(huán)排污水,通過投加硫酸調(diào)整高濃縮倍率運(yùn)行,所以試驗(yàn)用水的總堿度較低;預(yù)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(shí)際工程實(shí)施中整體水質(zhì)控制提供了依據(jù)。
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(zhì)的量,以pH表示酸堿的強(qiáng)度,是控制結(jié)垢的一個重要指標(biāo)。試驗(yàn)期間原水總堿度在6~7.2 mmol/L,非常穩(wěn)定,平均值為6.6 mmol/L,產(chǎn)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(yàn)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(dāng)原水堿度發(fā)生明顯變化時,及時調(diào)整加酸量以保證相應(yīng)的堿度去除率。加酸過量時會導(dǎo)致產(chǎn)水及外排水pH過低;當(dāng)加酸量太少時會導(dǎo)致堿度去除率下降。
2.5 氯化物去除效果
氯離子是試驗(yàn)主要考察指標(biāo)之一。試驗(yàn)期間原水氯化物在370~500 mg/L,平均值為456.8 mg/L,產(chǎn)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(yàn)過程中原水氯化物波動較大,而產(chǎn)水氯化物比較穩(wěn)定,電吸附裝置對氯化物的去除效果明顯,去除率高達(dá)80%左右。循環(huán)排污水經(jīng)電吸附技術(shù)處理后可作為電廠工業(yè)水回用。
2.6 產(chǎn)水率、能耗及藥劑消耗量
本次試驗(yàn)根據(jù)工作流量計(jì)、反洗流量計(jì)、工作時間、反洗時間及預(yù)處理水量來統(tǒng)計(jì)產(chǎn)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(tǒng)計(jì)得到綜合產(chǎn)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(jiān)測電流表、電壓表計(jì)算得出試驗(yàn)?zāi)芎脑?.3~2.9 kW·h/t,平均噸水能耗為2.67 kW·h。
試驗(yàn)期間使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的工業(yè)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(chǎn)水的0.8‰(即每噸產(chǎn)水需要加入0.8 kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的氫氧化鈉)。理論計(jì)算使用量為0.6‰左右,但實(shí)際加藥量比計(jì)算值略高,主要原因是手動加藥條件比較簡單,監(jiān)測手段有限,造成浪費(fèi)較嚴(yán)重。
鹽酸消耗量為噸產(chǎn)水加酸量0.2~0.4 L,平均噸產(chǎn)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(dǎo)致鹽酸使用量增加)。
2.7 運(yùn)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(dǎo)率3 200 μS/cm,處理后水質(zhì)電導(dǎo)率<1 000 μS/cm,系統(tǒng)產(chǎn)水率達(dá)到約75%的設(shè)計(jì),項(xiàng)目計(jì)劃投資費(fèi)用為1 778 萬元,產(chǎn)水運(yùn)行成本為1.5 元/ m3(其中能耗費(fèi)為0.82 元/m3,能耗以1.78 kW·h/m3計(jì))。按黃河水取水水價和排污費(fèi)合計(jì)費(fèi)用4.6元/m3計(jì)算,年利潤為348萬,5 a即可收回工程投資費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
3 結(jié)論
試驗(yàn)結(jié)果表明,電吸附除鹽裝置可以有效去除電廠循環(huán)水中的離子,產(chǎn)水電導(dǎo)率、總硬度、堿度、氯化物及濁度等能夠滿足回用要求。與傳統(tǒng)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(jìn)水的預(yù)處理要求較低,即使前期處理過程出現(xiàn)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(fù)的損毀。使用過程中pH、余氯、有機(jī)物、錳、鐵等一般對電吸附模塊沒有影響,停運(yùn)時也不需要特別的保養(yǎng)和保護(hù),較電滲析和反滲透更具有操作上的優(yōu)勢;從經(jīng)濟(jì)效益分析,電吸附除鹽裝置每噸產(chǎn)水的運(yùn)行成本低于黃河水取水水價和排污費(fèi)合計(jì)費(fèi)用,因此電吸附技術(shù)在電廠污水回用領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢
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