電滲析技術(shù)在高含鹽廢水處理中的研究進(jìn)展

潘海如，陳廣洲，3，高雅倫，李順

(1.水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.環(huán)境污染控制與廢棄物資源化利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601；3.安徽省智慧城市工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601)

目前，高含鹽廢水一直是廢水處理行業(yè)中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。針對高含鹽廢水，國內(nèi)外的處理方法有：物理和化學(xué)法、活性污泥生化法和熱濃縮法。近年來，由于膜分離技術(shù)的迅速發(fā)展，膜法也漸漸地被開發(fā)來處理高含鹽廢水，其脫鹽率已超過傳統(tǒng)的熱濃縮工藝[4]。而電滲析技術(shù)作為膜技術(shù)中的一種，因其在高含鹽廢水中有著良好的處理能力，因此被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹了電滲析技術(shù)在處理各類高含鹽廢水的應(yīng)用研究效果和進(jìn)展，以便為高含鹽廢水的處理提供參考。

1 電滲析技術(shù)概述

1.1 電滲析技術(shù)原理及過程

電滲析是一種電驅(qū)動(dòng)過程，通過外加直流電，利用陽離子、陰離子交換膜，將淡化液的無機(jī)鹽離子輸送到濃縮液中,其原理見圖1，電滲析核心部分是膜堆，由電極、離子交換膜、隔板和固定裝置組成[5]。當(dāng)陽離子受到電勢差的影響，遷移到陰極，他們通過陽離子交換膜，但被陰離子交換膜所保留。類似地，陰離子向陽極遷移并穿過陰離子交換膜，但被陽離子交換膜保留[6]。陽離子和陰離子都遷出的隔室稱為淡化室，反之稱為濃縮室。

電滲析的過程見圖2，通?？梢苑譃?個(gè)部分[7]：主過程、次過程和非正常過程。(1)反離子和同名離子遷移。反離子遷移是一個(gè)正常的遷移過程，同名離子遷移是一個(gè)因離子交換膜的非絕對值透過而影響電滲效率的過程。(2)水的極化。在一定電壓下，水分子在膜界面發(fā)生電解反應(yīng)，電解成H+和OH-透過膜，造成膜室酸堿性變化。(3)滲析、滲透和滲漏。由于后期膜兩側(cè)的濃度差異較大，故會(huì)導(dǎo)致離子的滲析和水合離子的滲透發(fā)生。再者由于壓力差的存在，導(dǎo)致壓差滲漏無法避免，只能夠控制盡量減小。

1.2 幾種常用的電滲析工藝

近些年，污廢水成分等愈發(fā)復(fù)雜化，處理難度不斷加大，對于出水水質(zhì)的要求也越來越高。傳統(tǒng)的ED技術(shù)可能無法更好的適應(yīng)于多樣污廢水處理過程，因此，ED技術(shù)也在不斷的進(jìn)步變化中，以便于更好的應(yīng)用于污廢水處理。表1介紹了幾種比較常見的新型電滲析工藝。這些工藝不僅擁有傳統(tǒng)ED技術(shù)的脫鹽性能，而且能適應(yīng)不同環(huán)境。

表1 幾種常用電滲析工藝Table 1 Several common electrodialytic technologies

2 電滲析技術(shù)在高含鹽廢水中的應(yīng)用

電滲析作為一種成熟的技術(shù)，因其具有性價(jià)比高、操作方便、環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域[15]。由于電滲析脫鹽過程沒有相變，并且該技術(shù)預(yù)處理要求低、占地面積小，因此在處理高含鹽廢水方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[16]。在處理相同鹽濃度的含鹽廢水中，機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)(MVR)技術(shù)濃縮需要耗能20～25 kWh/m3，而電滲析技術(shù)只需要消耗7～15 kWh/m3能耗[17-18]。因此，電滲析在應(yīng)用于高含鹽廢水中表現(xiàn)出良好的濃縮性能和良好的節(jié)能潛力[17]。

2.1 電滲析在制藥廢水處理中的應(yīng)用

隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，制藥業(yè)廢水已逐漸成為難處理的廢水類型之一。制藥廢水多屬于高含鹽廢水，這類廢水通常含高有機(jī)物、無機(jī)鹽和生物抑制物(氰、酚等)，這些物質(zhì)會(huì)對廢水處理的性能產(chǎn)生不利影響，屬于難處理的工業(yè)廢水[19]。如果不加處理或處理不當(dāng)，會(huì)對周圍環(huán)境造成巨大的破壞。

近年來，隨著膜技術(shù)取得的進(jìn)步，電滲析技術(shù)逐漸被應(yīng)用處理制藥廢水[20]。李興等[21]針對制藥行業(yè)產(chǎn)生的高含鹽廢水的特點(diǎn),通過改進(jìn)電滲析技術(shù),在進(jìn)水壓力0.15～0.2 MPa,進(jìn)水體積流量10 m3/h, 電流30 A的工作條件下,經(jīng)過電滲析處理后,鹽去除率達(dá)到74%,水處理成本3.0元/m3。由此可見，電滲析技術(shù)不僅可以很好將制藥廢水中鹽去除掉，而且能降低處理成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和高含鹽廢水的回收利用率。針對制藥廢水的特點(diǎn)，電滲析通常需要和其它工藝一起連用，在除鹽的同時(shí)也能達(dá)到多個(gè)目標(biāo)物的去除。王明波等[22]針對制藥企業(yè)產(chǎn)生的高含鹽廢水，采用電滲析+MVR工藝，不僅去除了廢水中的COD，同時(shí)將廢水中的鹽有效的進(jìn)行濃縮分離，使得出鹽質(zhì)量達(dá)到客戶的要求。曾萍等[23]采用中和-沉降-萃取-雙極膜電滲析工藝處理金剛烷胺胺化制藥廢水。研究發(fā)現(xiàn)：TOC、TN和色度分別下降了62.85%,41.91%和84.32%,并且脫鹽率達(dá)到65%以上，回收到了具有較高濃度的酸和堿，實(shí)現(xiàn)了廢水處理達(dá)標(biāo)排放和分離回收資源化利用的目標(biāo)。這種將電滲析技術(shù)和其他工藝糅合成的聯(lián)合工藝不僅能很好的去除廢水有機(jī)物，而且能降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，是目前制藥廢水比較有前景的處理方向。

2.2 電滲析在食品加工廢水處理中的應(yīng)用

食品生產(chǎn)在作物灌溉、加工、冷卻、加熱和清洗等不同階段都需要水資源，食品加工過程對食品供應(yīng)鏈至關(guān)重要，該過程不僅需要大量的水，同時(shí)也會(huì)排放出大量廢水[24]。食品加工廢水一般具有較高的BOD和COD，有機(jī)成分多為膠體或顆粒狀物質(zhì)[25]。除了高有機(jī)物外，一般有無毒性、碎渣多、高含鹽量和無機(jī)鹽離子多等特點(diǎn)。

目前，食品加工廢水通常采用生化法和物理法處理，處理效果一般，主要因?yàn)閺U水的高鹽度導(dǎo)致廢水生化性差。近些年，隨著電滲析技術(shù)的發(fā)展，逐漸被應(yīng)用于食品加工廢水中。利用電滲析技術(shù)的脫鹽、濃縮和提純將食品加工廢水的鹽分和無機(jī)鹽離子去除，再進(jìn)行生化工藝處理，使得食品加工廢水處理效果更加明顯。王文正等[26]采用電滲析技術(shù)對土豆淀粉廢水中的鹽的去除進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，電滲析30 min后，在最佳操作條件下，脫鹽率可達(dá)95%以上，良好的脫鹽效果為后續(xù)的生化操作提供了優(yōu)異的環(huán)境。食品加工廢水含鹽量通常較高，如果能將其回收利用起來，不僅節(jié)約資源，而且能為后續(xù)處理消除鹽分的影響。為此，陳虹霖[27]采用電滲析技術(shù)對榨菜食品廢水研究，在最佳操作條件下：壓力差為0.01 MPa，電流為25 A，脫鹽過程約能回收70%(鹽度為1%的淡鹽水)。良好的脫鹽率和回收率使得電滲析技術(shù)在食品加工廢水中有著不錯(cuò)的效果。

此外，電滲析技術(shù)往往不僅用于處理食品加工產(chǎn)生的廢水，同樣也可用在處理食品的加工過程中。比如：電滲析對醬油脫鹽[28]，提升醬油品質(zhì)；電滲析和超濾工藝生產(chǎn)牛奶乳蛋白[29]，解決蛋白質(zhì)污染問題等等都起到了不錯(cuò)的效果。

2.3 電滲析在印染廢水處理中的應(yīng)用

印染廢水中存在多種染料，具有生化性差、色度高、毒性強(qiáng)等特點(diǎn)[30]，且印染廢水中含有大量的無機(jī)鹽離子[31]。印染廢水未經(jīng)處理直接排出將嚴(yán)重影響周邊環(huán)境的生態(tài)功能[32]。

印染廢水通常采用生化和物化法聯(lián)合處理，因?yàn)橛∪緩U水中的鹽含量使單一的生化或物化處理法無法達(dá)到理想的處理效果。電滲析技術(shù)能對廢水中的鹽起到分離濃縮作用，理論可以應(yīng)用于印染廢水處理。為此 Elk等[33]研究了電滲析處理印染廢水的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用電滲析技術(shù)可以有效去除印染廢水中的鹽分，為后續(xù)的生化和物化工藝減小了壓力和處理難度。電滲析技術(shù)除了能夠?qū)τ∪緩U水進(jìn)行除鹽，廢水中的硬度和氯同樣可以去除。操家順等[34]采用電滲析技術(shù)對某印染廠澄清池的出水進(jìn)行處理研究，在最優(yōu)條件下，電滲析電流25 A，電流密度11.57 mA/cm2，電壓80 V，進(jìn)水流量5.2 L/h時(shí)，電滲析的出水電導(dǎo)率為1 500 μS/cm，除鹽、除硬和除氯分別達(dá)到78.07%,85.88%,88.50%。對于實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，電滲析技術(shù)通常應(yīng)用于工藝后期，起到濃縮的作用。阮曉卿等[35]以某企業(yè)印染廢水為例，采用“物化+生化+超濾+反滲透+電滲析”工藝路線進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。研究表明，電化學(xué)-生化結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)印染廢水的達(dá)標(biāo)排放。同時(shí)，污水的 COD、硬度、色度、SS、電導(dǎo)率等指標(biāo)均有較好的處理效果，其中以反滲透法去除主要鹽分，進(jìn)一步用電滲析技術(shù)濃縮反滲透濃水，濃縮廢水含鹽量平均達(dá)到60 000 mg/L，最后通過蒸發(fā)結(jié)晶，對鹽進(jìn)行回收利用。

從目前來看，電滲析技術(shù)能在印染廢水中起到不錯(cuò)的效果，但在實(shí)際應(yīng)用中，電滲析的除鹽優(yōu)勢及應(yīng)用不及反滲透，通常在反滲透后起到進(jìn)一步濃縮的作用。

2.4 電滲析在煤化工廢水處理中的應(yīng)用

煤化工是以煤為原料，生產(chǎn)化工產(chǎn)品的工業(yè)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的煤化工廢水[36]。這類廢水通常含有許多無機(jī)污染物，包括氯化物、硫酸鹽等無機(jī)鹽，還含有酚類、酰胺類、脂類等多種有機(jī)物[37]。特點(diǎn)：高COD濃度、高鹽度和有毒性等，直接排放不僅浪費(fèi)大量水資源和無機(jī)鹽且嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。因此，煤化工廢水處理常與“零排放”聯(lián)系在一起，不僅可回收大量水資源，而且可有效回收氯化鈉和硫酸鈉晶體，達(dá)到真正的“零排放”。

煤化工廢水一般處理方法為：預(yù)處理+生化處理+深度處理[38]。膜技術(shù)常用于煤化工廢水的深度處理，深度處理末端的反滲透(RO)濃縮液常用電滲析技術(shù)來進(jìn)一步提高其含鹽量[39]。靖陽等[40]以焦化廢水經(jīng)深度處理后的高含鹽廢水為對象，采用“超濾-反滲透-電滲析”對RO濃縮液進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)證明，該工藝處理水質(zhì)符合要求。Zhang等[41]通過對 RO濃縮液電滲析技術(shù)進(jìn)行可行性研究，減少鹽水排放，提高水回用率，并生產(chǎn)滲透水用作地下水回灌。研究表明，電滲析技術(shù)能很好的處理RO濃縮液，不僅提高了脫鹽效果，而且水利用率也大大提高。綜上，電滲析技術(shù)對于煤化工廢水而言，主要是應(yīng)用于后期RO的濃縮液處理，良好的濃縮和脫鹽性能，證明電滲析是處理RO濃縮液的良好選擇。

2.5 電滲析在制革廢水處理中的應(yīng)用

制革過程中會(huì)使用大量的水，每千克處理過的皮革平均產(chǎn)生35 L制革廢水[42]，廢水主要來源毛皮處理和鞣制過程。制革廢水的高污染主要表現(xiàn)在：懸浮物多、高有機(jī)物、無機(jī)鹽和重金屬離子，特別是用作鞣劑的鉻。這些廢水若未經(jīng)處理排入河流、湖泊和海洋生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)直接造成環(huán)境污染[43]。

目前，我國針對制革廢水處理方法一般為：物理化學(xué)法預(yù)處理含硫廢水和鞣制廢水，再生化處理綜合廢水。隨著技術(shù)發(fā)展，吸附[44]、電滲析和超聲等[45]技術(shù)也被應(yīng)用到制革廢水的處理當(dāng)中。Sabrina等[46]采用電滲析技術(shù)處理制革脫毛廢水，以分離和濃縮低分子量的強(qiáng)電解質(zhì)，并分離稀釋室中的高分子蛋白質(zhì)。因?yàn)殡姖B析陰離子膜會(huì)被蛋白質(zhì)污染，因此，將陰離子膜由超濾膜片保護(hù)，使得低分子量陰離子可滲透，蛋白質(zhì)不可滲透。由此可見，電滲析技術(shù)除了對無機(jī)鹽有著不錯(cuò)的去除效果，而且在高分子蛋白質(zhì)的處理方面也具有效果。目前，制革廢水中浸革工序?qū)υ系男枨蠓矫娼?jīng)常應(yīng)用電滲析和其他技術(shù)聯(lián)合使用處理。胡棟梁等[47]采用電滲析-反滲透聯(lián)合技術(shù)處理制革高含鹽廢水。在電壓、進(jìn)水流量和體積流量為25 V、30 L/h、和500 L/h工況下，能使?jié)饪s鹽水 TDS的質(zhì)量濃度超過150 g/L，滿足浸革工序?qū)υ系囊?。Abdalhadi等[48]研究了電凝聚-電滲析組合工藝去除制革廢水中化學(xué)需氧量、氨氮、鉻和色度的性能。因此，電滲析搭配的組合工藝處理制革廢水能夠達(dá)到多種處理效果。因此，無論是吸附、電滲析還是超聲波技術(shù)都是針對制革廢水的某一組分或處理環(huán)節(jié)進(jìn)行的，完全處理制革廢水還是需要和其他處理工藝等相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)處理制革廢水的目標(biāo)。

3 結(jié)語與展望

電滲析技術(shù)因高效便捷的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的污廢水處理當(dāng)中，在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也存在不足。為此，就電滲析技術(shù)對高含鹽廢水的處理做如下展望：

(1)高含鹽廢水往往具有高COD、高鹽度特點(diǎn)，不同高含鹽廢水來源不同其水質(zhì)情況也不同，電滲析作為獨(dú)立的單元無法做到滿足任何水質(zhì)狀況，因此，電滲析需要與其它工藝聯(lián)合使用，組合工藝的運(yùn)用格外重要。例如，電滲析+生化復(fù)合工藝可以去除鹽和COD。為此，針對來源不同的高含鹽廢水，想要達(dá)到理想的去除效果，電滲析技術(shù)應(yīng)與其他工藝技術(shù)組合起來仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

(2)電滲析技術(shù)在處理工業(yè)生產(chǎn)中的高含鹽廢水方面取得了良好的效果，但是在海水代用產(chǎn)生的高含鹽廢水處理方面涉及較少。由于我國淡水資源匱乏，與內(nèi)陸城市相比，沿海城市人均占有量僅為500 m3，因此海水代用成為解決這一矛盾的有效途徑，但海水代用產(chǎn)生的高含鹽廢水卻是制約該技術(shù)應(yīng)用的一大難題[49]。因此，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，海水代用需求會(huì)增加，電滲析技術(shù)與其它工藝連用處理海水代用高鹽廢水將是研究熱點(diǎn)。

(3)膜堆是電滲析技術(shù)最核心的部分，而離子交換膜是膜堆的核心。影響含鹽廢水電滲析處理效果的因素有膜污染、膜堵塞和不同電價(jià)離子選擇性離子交換膜問題。因此，聚焦于新型離子交換膜的開發(fā)將是當(dāng)前和今后的研究重點(diǎn)。