（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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)機(jī)鹽等雜質(zhì)。柯起龍[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(guò)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(guò)程[8-9]。

自制靜電吸附裝置系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖 1。該系統(tǒng)由電吸附模塊、水泵、過(guò)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(kāi)，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(yáng)極短接，進(jìn)水閥YV1/YV3關(guān)閉，排污出水閥YV4/YV5打開(kāi)，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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)表2。從表2可以看出，經(jīng)過(guò)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(guò)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(wú)明顯下降，證明超濾過(guò)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)程的能耗為1.0 ～ 1.8 kW·h/m3?？梢钥闯?，“EST+RO”工藝的能耗相對(duì)較低。其主要原因可能是電吸附過(guò)程中能量主要用于將離子從水里分離出來(lái)，而膜滲透技術(shù)是把水分子從原水中分離出來(lái)，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(wàn)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(wàn)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(guò)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。

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[ 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。