EST+RO組合工藝在電鍍廢水脫鹽中的應(yīng)用

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；

2.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003）

EST+RO組合工藝在電鍍廢水脫鹽中的應(yīng)用

劉曉艷1,2

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；

2.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003）

采用自制的電吸附(EST)裝置對(duì)達(dá)標(biāo)排放的高含鹽電鍍廢水進(jìn)行預(yù)處理后再經(jīng)反滲透(RO)膜分離，處理后出水的電導(dǎo)率為41.2 μS/cm，COD為38 mg/L，pH為7.05，達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)的UF(超濾)+RO脫鹽工藝相比，采用“EST+RO”組合工藝處理后的回水的電導(dǎo)率、重金屬離子含量更低。該方法耗能少，產(chǎn)水率高，能減少對(duì)膜的污染，有效降低運(yùn)行成本。

電鍍廢水；電吸附；反滲透；脫鹽；回用

Author’s address: Huaian College of Information Technology, Huaian 223003, China

電鍍過程用水量大，產(chǎn)生的廢水毒性大，必須嚴(yán)格處理才能達(dá)標(biāo)排放[1]。由于電鍍廢水處理過程的工藝限制，處理后的原水雖滿足《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900–2008)，卻因?yàn)楹}分較高而不能回用于生產(chǎn)線，必須經(jīng)過脫鹽處理才行[2]。

傳統(tǒng)的“超濾(UF)+反滲透(RO)”脫鹽方法先采用超濾膜對(duì)溶液預(yù)處理，分離濃縮水中的大分子物質(zhì)，出水再經(jīng)反滲透膜截留[3]。該方法對(duì)膜污染較大，操作成本高。有研究采用電吸附技術(shù)(EST)獲得凈化/淡化的產(chǎn)品水，它是利用電極間的靜電作用吸附溶液中的帶電粒子，使溶液中的鹽類與水分離[4]。對(duì)電吸附的研究，多側(cè)重于制造高純度水及去除水中的微量金屬離子、有機(jī)物、無機(jī)鹽等雜質(zhì)?？缕瘕圼5]報(bào)道了電吸附法對(duì)水中懸浮物有較好的去除效果，Afkhami[6]報(bào)道了電吸附法可有效去除工業(yè)廢水中的Cr(VI)和Mo(VI)，Jian-jun Niu[7]報(bào)道了電吸附方法去除水中苯胺和聯(lián)吡啶的效果。電吸附法在電鍍廢水脫鹽處理中的研究較少。本研究采用“EST+RO”組合工藝對(duì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的高含鹽量電鍍廢水進(jìn)行脫鹽試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的“UF+RO”分離裝置的出水水質(zhì)對(duì)比，旨在為電鍍廢水脫鹽處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1裝置

EST技術(shù)是通過極板兩側(cè)外加直流電場(chǎng)，使極板間產(chǎn)生靜電場(chǎng)，在電場(chǎng)力作用下，鹽中的帶電粒子向與其極性相反的電極定向移動(dòng)，最終在電極表面富集濃縮，使得電場(chǎng)中原水本體濃度降低，實(shí)現(xiàn)對(duì)原水的脫鹽過程[8-9]。

自制靜電吸附裝置系統(tǒng)框圖見圖 1。該系統(tǒng)由電吸附模塊、水泵、過濾器、控制閥、電氣控制系統(tǒng)等組成。電吸附系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水閥YV1/YV3打開，直流電源接通，電吸附模塊工作。隨著時(shí)間的推移，出水口的鹽離子濃度逐漸降低。當(dāng)電極表面富集的離子濃度趨于飽和，出水口的鹽離子濃度會(huì)升高，此時(shí)將靜電吸附模塊的陰陽極短接，進(jìn)水閥YV1/YV3關(guān)閉，排污出水閥YV4/YV5打開，促使電極表面累積的離子解吸，從排污口流出，實(shí)現(xiàn)電吸附模塊再生，可再次進(jìn)行電吸附水處理。裝置中的電吸附模塊采用活性炭纖維為電極材料，活性炭纖維比表面積大、化學(xué)性能穩(wěn)定，且具有良好的導(dǎo)電和吸附性能[10]。

反滲透裝置簡(jiǎn)易流程圖見圖2。EST預(yù)處理后的水進(jìn)入進(jìn)水箱，進(jìn)水箱中的水經(jīng)過熱交換器和高壓泵后進(jìn)入膜池，反滲透后的滲透液排出，旁流液返回進(jìn)水箱進(jìn)行下一次的反滲透處理。

圖1 電吸附裝置流程圖Figure 1 Flow chart of EST equipment

圖2 反滲透裝置的流程圖Figure 2 Flow chart of RO equipment

1. 2原水水質(zhì)

采樣某電鍍企業(yè)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的原水，水質(zhì)數(shù)據(jù)見表 1。試驗(yàn)用水分為兩份，一份用于“EST+RO”工藝處理，另一份用于“UF+RO”工藝處理，實(shí)驗(yàn)時(shí)先檢測(cè)EST和UF預(yù)處理后的出水水質(zhì)，符合RO的進(jìn)水水質(zhì)要求后再經(jīng)反滲透膜分離，最后檢測(cè)RO處理后的出水水質(zhì)。

表1 達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的原水水質(zhì)Table 1 Characteristics of the influent meeting the emission standard

1. 3實(shí)驗(yàn)材料與分析方法

電吸附裝置中電極材料為活性炭纖維STF1300，超濾膜孔徑為0.05 μm，反滲透膜采用陶氏BW30-365半透膜。Cu2+、Zn2+、Ni2+、Ag+的濃度采用原子吸收分光光度法測(cè)定，Cr(VI)的濃度采用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定[11]，CODCr采用快速消解分光光度法檢測(cè)，電導(dǎo)率采用DDS-307型電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定，色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定，NTU采用2100P型濁度儀測(cè)定，SDI按ASTM D4189-07測(cè)定[2]。

反滲透后的脫鹽率R由溶液的電導(dǎo)率計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

式中Cp為反滲透產(chǎn)水的電導(dǎo)率，Cb為反滲透進(jìn)水的電導(dǎo)率。膜通量J的計(jì)算公式為：

式中V為滲透液體積，A為膜有效面積，t為時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2. 1不同預(yù)處理后的出水水質(zhì)對(duì)比

常溫情況下運(yùn)行一定時(shí)間后，對(duì)預(yù)處理后的出水水質(zhì)取樣，檢測(cè)結(jié)果見表2。從表2可以看出，經(jīng)過電吸附裝置預(yù)處理后，水中的重金屬離子濃度均有所下降，其中Cr(VI)濃度下降約60%；懸浮物經(jīng)電吸附裝置沉降后由排水閥流走，濃度下降約41%；電導(dǎo)率下降至1 208 μS/cm，下降約65%；出水的SDI為3.11，滿足反滲透的進(jìn)水要求。電吸附裝置對(duì)原水的預(yù)處理降低了電導(dǎo)率、重金屬離子及懸浮物濃度，提高了反滲透的進(jìn)水水質(zhì)，減少了后續(xù)反滲透環(huán)節(jié)對(duì)膜的污染。

表2 EST和UF預(yù)處理后的出水水質(zhì)對(duì)比Table 2 Quality comparison between the effluents pretreated by EST and UF

原水經(jīng)過超濾環(huán)節(jié)預(yù)處理后，溶液中懸浮物和CODCr含量降低，出水的污染指數(shù)(即SDI)下降到2.97，滿足反滲透的進(jìn)水要求。但溶液電導(dǎo)率無明顯下降，證明超濾過程對(duì)溶液脫鹽作用微弱，預(yù)處理后Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr(VI)等金屬離子的濃度無明顯變化。

2. 2不同組合工藝的反滲透出水水質(zhì)對(duì)比

預(yù)處理后的出水水質(zhì)均符合反滲透的進(jìn)水要求，將預(yù)處理后的溶液分別送入兩個(gè)相同的反滲透膜分離裝置，持續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間后，對(duì)出水水質(zhì)取樣檢測(cè)，結(jié)果見表3。從表3可以看出，兩種組合工藝下的出水水質(zhì)均能滿足GB 21900–2008的“表3”標(biāo)準(zhǔn)，出水的電導(dǎo)率大幅降低，低于電鍍回用水作為漂洗水時(shí)電導(dǎo)率≤60 μS/cm的要求[12]，可以回用于電鍍生產(chǎn)線。兩種組合處理工藝中，“EST+RO”處理后的電導(dǎo)率相對(duì)較低，證明其脫鹽效果更好，同時(shí)水中重金屬離子的含量降低，出水純度更高。

表3 不同組合工藝的出水水質(zhì)對(duì)比Table 3 Comparison of the characteristics of the effluents from different combined processes

2. 3系統(tǒng)脫鹽效果對(duì)比

在兩種處理工藝下進(jìn)行多次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)持續(xù)96 h處理等量高含鹽電鍍廢水，用測(cè)得的電導(dǎo)率計(jì)算平均脫鹽率，得到兩種處理工藝下的脫鹽率隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，“EST+RO”處理工藝下的平均脫鹽率高于“UF+RO”工藝，因?yàn)槌瑸V是在壓力作用下的篩分過程，難以脫鹽，而EST對(duì)溶液中的氯化物及硫酸鹽具有一定的吸附作用，提高了除鹽效率。隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，兩種工藝下的脫鹽率均呈下降趨勢(shì)，原因可能是隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，反滲透的膜面被污染，膜通量下降，使得膜分離過程的效率降低，導(dǎo)致脫鹽效率下降。

2. 4系統(tǒng)半透膜的污染程度對(duì)比

常溫條件下，分別采用“EST+RO”和“UF+RO”工藝同時(shí)處理等量高含鹽電鍍廢水，原水中不投加阻垢劑，持續(xù)運(yùn)行至膜通量下降至初始值的15%，得到膜通量隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖3 脫鹽率隨時(shí)間的變化Figure 3 Variation of desalinization rate with operation time

圖4 膜通量隨時(shí)間的變化Figure 4 Variation of membrane flux with operation time

從圖4可以看出，兩種處理工藝情況下，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，膜通量逐漸降低，其原因可能是：在濃差極化作用下，氯離子、硫酸根離子、小分子懸浮物等在膜表面富集，隨著富集離子濃度的不斷增加，膜表面形成結(jié)垢污染，造成膜通量下降。當(dāng)膜表面污染物積累到一定程度時(shí)，隨著壓差的升高，產(chǎn)水量和脫鹽率都會(huì)下降。

從兩種處理工藝的對(duì)比可以看出，“EST+RO”工藝的膜通量下降較為平緩，“UF+RO”工藝的膜通量衰減較快。這說明在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，“EST+RO”工藝的膜污染較小。分析其原因可能是電吸附預(yù)處理環(huán)節(jié)對(duì)高含鹽廢水中的懸浮物及鹽分具有一定的吸附作用，降低了對(duì)后續(xù)反滲透膜的污染。

2. 5產(chǎn)水率與能耗分析

分別采用“EST+RO”和“UF+RO”工藝處理某電鍍企業(yè)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的原水，試驗(yàn)時(shí)間為16 d。進(jìn)水量均為280.25 t，“EST+RO”處理后的產(chǎn)水量為228.68t，產(chǎn)水率81.6%，“UF+RO”裝置產(chǎn)水量為203.18 t，產(chǎn)水率為72.5%。經(jīng)多次試驗(yàn)，“EST+RO”的產(chǎn)水率為75% ～ 85%，高于“UF+RO”的產(chǎn)水率(65% ～ 75%)。

經(jīng)計(jì)算，“EST+RO”工藝的能耗為0.7 ～ 1.6 kW·h/m3，“UF+RO”處理過程的能耗為1.0 ～ 1.8 kW·h/m3。可以看出，“EST+RO”工藝的能耗相對(duì)較低。其主要原因可能是電吸附過程中能量主要用于將離子從水里分離出來，而膜滲透技術(shù)是把水分子從原水中分離出來，耗能相對(duì)較高。

2. 6投資與運(yùn)行成本核算

某電鍍企業(yè)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的原水的平均電導(dǎo)率為3 400 μS/cm，要求處理后水質(zhì)電導(dǎo)率＜60 μS/cm，系統(tǒng)產(chǎn)水率75% ～ 80%。按照“EST+RO”工藝的處理能力為10 m3/h計(jì)算，初投資費(fèi)用約為65.2萬元。運(yùn)行能耗以 1.2 kW·h/m3計(jì)算，考慮反滲透環(huán)節(jié)核心材料的更換與維護(hù)費(fèi)用，折算后產(chǎn)水運(yùn)行成本約為2.1元/m3。按工業(yè)用水水價(jià)和排污費(fèi)合計(jì)約為4.5元/m3計(jì)算，可得年利潤(rùn)約為20.74萬元，3年即可收回初投資成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)論

通過采用自制電吸附裝置加反滲透膜分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的電鍍廢水的深度脫鹽處理。處理后回水的電導(dǎo)率為41.2 μS/cm，CODCr為38 mg/L，pH為7.05，達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)。處理后水中重金屬離子濃度顯著降低，提高了回水的純度和產(chǎn)水率。與傳統(tǒng)超濾加反滲透膜分離處理工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，“EST+RO”工藝具有更佳的脫鹽效果，減小了反滲透膜的污染，對(duì)水中COD及重金屬離子濃度降低也有顯著效果，提高了系統(tǒng)產(chǎn)水率和出水水質(zhì)，延長(zhǎng)了膜的使用壽命，降低了運(yùn)行成本。

[1] 張仲儀. 電鍍集中區(qū)電鍍廢水的處理[J]. 電鍍與涂飾, 2007, 26 (3): 57-60.

[2] 郭向陽. 電鍍廢水處理技術(shù)與工藝研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2013: 48-52.

[3] 孫巍. 反滲透水處理技術(shù)的試驗(yàn)研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2006: 21-23.

[4] 劉江, 謝鳳龍, 張鵬. 電吸附技術(shù)在電場(chǎng)廢水處理中的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)水處理, 2015, 35 (4): 68-71.

[5] 柯起龍. 電吸附水處理技術(shù)對(duì)污水懸浮物去除效果研究[J]. 環(huán)境影響評(píng)價(jià), 2015, 37 (6): 94-96.

[6] AFKHAMI A, CONWAY B E. Investigation of removal of Cr(VI), Mo(VI), W(VI), V(IV), and V(V) oxy-ions from industrial waste-waters by adsorption and electrosorption at high-area carbon cloth [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2002, 251 (2): 248-255.

[7] NIU J J, CONWAY B E. Adsorptive and electrosorptive removal of aniline and bipyridyls from waste-waters [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2002, 536 (1/2): 83-92

[8] 韓寒, 陳新春, 尚海利. 電吸附除鹽技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 工業(yè)水處理, 2010, 30 (2): 20-23.

[9] 冷廷雙, 范麗娜, 劉旭明, 等. 電吸附除鹽技術(shù)用于首秦公司回用水中試研究[J]. 給水排水, 2008, 34 (7): 59-62.

[10] HAN Y H, QUAN X, CHEN S, et al. Electrochemical enhancement of adsorption capacity of activated carbon fibers and their surface physicochemical characterizations [J]. Electrochimica Acta, 2007, 52 (9): 3075-3081.

[11] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局, 《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 4版. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[12] 段光復(fù). 電鍍廢水處理及回用技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010: 357.

[ 編輯：溫靖邦 ]

Application of EST+RO process to the desalination of electroplating wastewater

// LIU Xiao-yan

The high-salt-content electroplating wastewater was pretreated by a home-made equipment of electrosorption technology (EST), and then separated by reverse osmosis (RO). The effluent features a conductivity of 41.2 μS/cm, COD ca.38 mg/L and pH 7.05, meeting the reuse standard of reclaimed water. The experimental results showed that, compared with conventional ultrafiltration (UF) plus RO desalination process, the EST+RO combined process decreases the conductivity and heavy metal content with less energy consumption, high water production rate and reduced membrane contamination, lowering the running cost effectively.

electroplating wastewater; electrosorption technology; reverse osmosis; desalination; reuse

10.19289/j.1004-227x.2017.03.008

X703.1; X781.1

：A

：1004 – 227X (2017) 03 – 0165 – 04

2016–09–21

2017–01–09

淮安市科技局重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(工業(yè)及信息化)（HAG2015057）；淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年基金專項(xiàng)（hxyq2015003）。

劉曉艷（1984–），女，江蘇淮安人，碩士，講師，中級(jí)工程師，從事廢水的處理與防治方面的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 743801022@qq.com。