邹正东

（梅山钢铁公司能源环保部，江苏南京 210039）

引言

上海梅山钢铁股份有限公司于2006 年建成10万t/a的污水再生处理工程（简称“回用水厂”），采用得利满“高密度澄清池+V型滤池”的工艺，主要去除污水中的悬浮性及胶体物质，使污水达到回用的水质标准。随着全厂实施初期雨水收集工程，回用水厂原水含盐量上升明显，导致部分水质指标超过了回用限制阈值，影响了再生水的回用率及推广使用。电吸附是利用带电离子及颗粒，使溶解盐类及带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化或淡化一种新型水处理技术［1-2］。因此，为了解决梅钢再生水除盐问题，该厂技术人员用电吸附技术进行回用水除盐的中试研究，以验证此技术在钢铁企业回用水深度处理工艺段使用的可行性。

1 电吸附简介

电吸附技术，又称电容性除盐技术。其基本原理是基于电化学中的双电层理论，利用带电电极表面的电化学特性来实现水中带电粒子的去除、有机物的分解等目的。具体如图1，原水从一端进入正负极组成的空间，从另一端流出。原水在正、负极之间流动时受到电场的作用，水中带电粒子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附，随着电极吸附带电粒子的增多，带电粒子在电极表面富集浓缩，最终实现与水的分离，使水中的溶解盐类滞留在电极表面，出水获得净化/淡化［3］。一旦除去电场，被吸引的离子重新释放到本体溶液中，通过这一过程实现电极材料的再生。

图1 电吸附原理示意图

2 中试装置及方法

2.1 原水水质

中试以回用水厂清水库的出水为原水，采用在线监测和实验室采样化验相结合的数据采集方式，具体数据如表1。

表1 原水水质指标 单位：mg/L

2.2 中试装置及流程

2.2.1 中试装置

中试装置主要由电吸附模块、过滤器、水泵、水箱及整流控制柜组成，具体见表2。

表2 试验主要设备

2.2.2 中试流程

电吸附工艺流程，包括工作流程和再生流程。工作流程（实线表示）：清水库出水贮存在原水箱中，通过提升泵进入保安过滤器，过滤出水被送入电吸附模块，水中离子被吸附，水质被净化。再生流程（虚线表示）：即电吸附模块的反冲洗过程，用浓水、原水冲洗短接静置的模块，使电极再生，反冲洗后的尾水直排，具体见图2。

图2 电吸附工艺流程图

2.2.3 试验方法

中试系统设定固定回收率为85%，单对电极工作电压为1.4 V，再生电压为0.8 V，处理水量为500 L/h。电吸附模块整个运行周期为2 400 s，其中工作阶段为1 140 s，包括预冲（60 s）、吸附（1 080 s），再生阶段1 260 s，包括短接（60 s）、负向电压静置（240 s）、浓排（870 s）、排气（90 s）。运行过程通过PLC 进行自动控制，各模块工作与再生实现自动切换。

分别从原水箱、产水箱和浓水箱取水样，每天上、下午各取1 次瞬时样对电导率、氯离子、硫酸根和总硬度进行分析，其中上午的水样加测测一次COD、氨氮和总氮。

3 效果与讨论

3.1 氯离子的去除

氯离子（Cl-）是氯的-1价离子，广泛存在于自然界中，也是工业水系统中特征离子。Cl-具有离子半径小、穿透能力强，并且能够吸附在金属表面，是腐蚀金属的重要催化剂。在钢铁企业中主要危害表现为：腐蚀金属，特别是对奥氏体不锈钢的腐蚀，容易造成设备、管道泄漏及板坯表面质量问题。《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050-2017）也对循环水系统中的氯离子做了阀值限定。中试试验中电吸附对氯离子的去除效果如图3。

图3 电吸附对氯离子的去除效果

由图3 可知：原水的氯离子浓度为146.75～401.59 mg/L，产水为21.16～53.69 mg/L，去除率为73%～91%，平均去除率为82%。

3.2 硫酸根的去除

硫酸根对混凝土材质有腐蚀影响，且硫酸根也是应力腐蚀的诱因离子之一，当硫酸根与钙离子的乘积超过溶度积时，则会产生硫酸钙沉淀。中试试验中电吸附对硫酸根的去除效果如图4。

图4 电吸附对硫酸根的去除效果

由图4 可知：原水的硫酸根浓度为201.8～600.92 mg/L，产水为20.02～121.3 mg/L，去除率为57%～92%，平均去除率为80%。

3.3 总硬度去除

总硬度为钙、镁离子形成的硬度。总硬度是再生水比较重要的水质指标，关系到用户工艺管道、设备的结垢情况。中试试验中电吸附对总硬度的去除效果如图5。

由图5 可知：原水的总硬度为199.51～558.47 mg/L，产水为7.87～37.88 mg/L，去除率为82%～97%，平均去除率为93%。

图5 电吸附对总硬度的去除效果

3.4 总离子的去除

总离子数是再生水的重要水质指标，反映再生水中溶解性无机物的量，也是从宏观上直接判断再生水优劣的直接指标。中试试验数据采集时以电导率来表征水中总离子数的数量。电吸附对总离子的去除效果如图6。

图6 电吸附对总离子的去除效果

由图6 知：原水的电导率为1286～1671 μs/cm，产水为195～385 μs/cm，去除率为74%～87%，平均去除率为81%。

3.5 化学需氧量的去除

化学需氧量（简称COD），反映再生水中还原性物质的含量。当再生水的COD 含量高时容易引起用户管道、设备的细菌繁殖。《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-2012）对COD 排放浓度限值做了具体规定，超标即违法，且COD 是钢铁排污许可中主要排污指标，排放总量也有限值。中试试验中电吸附对COD的去除效果如图7。

由图7 可知：电吸附对COD 去除效率远不及对离子的去除效率，平均去除率为50%左右。

图7 电吸附对COD的去除效果

3.6 经济性分析

以处理0.5 m3/h 水量计，电吸附系统电耗为1.208 kW·h/m3，若电价按0.7元/（kW·h），则运行电费成本为0.8456 元/m3。电吸附装置运行过程中只需少量的盐酸和氢氧化钠，工作过程主要消耗电能，直接运行成本取决于电吸附模块的耗电量及电价。随着煤、天然气等原材料价格上涨，电价上涨会影响电吸附装置的运行成本。由于中试装置未配置功率因素补偿装置，实际运行时功率因素在0.6～0.75，无功功率比重较大，如经过补偿后，实际电耗将进一步降低。另外中试发现，随着原水中TDS数值的升高，系统回收率不变情况下，整个系统电耗也会相应增加。

3.7 与反渗透对比

目前，工业废水除盐工艺比较成熟的有离子交换、膜法、电吸附、电渗析，膜法应用案例最多，特别是以反渗透为代表的膜工艺。表2以某设计规模为10 000 m3/d 的钢厂为例，对比电吸附和反渗透工艺。

表2 电吸附和反渗透对比表

通过以上对比，电吸附的优势在于进水水质要求不高，运行过程中对药剂消耗少，但脱盐率不高，且耗电量大，一次性投资高，备件替代性差，此外电吸附在高盐废水及零排放工程中应用的案例尚未见诸公开报道。

3.8 尾水的处理探讨

电吸附再生时的浓水总离子数按照回收率比例增加，总氮、氨氮和COD 指标都超过了《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-2012）排放阀值，不可直接外排。目前，浓水的去处主要用于烧结拌料，高炉冲渣、转炉焖渣；若浓水无法回用，需进行深度浓缩处理，最终实现零排放，但是零排放需处理好投资、运行成本高昂，结晶盐无法再循环利用的问题。

4 结论

（1）采用电吸附除盐工艺深度处理梅钢再生水，对离子态盐类的去除效果明显。电吸附除盐工艺对氯离子、硫酸根、总硬度和总离子的平均去除率分别为82%、80%、93%和81%，对COD 也有一定的去除率；其回收率为85%，电耗为1.208 kW·h/m3。

（2）电吸附工艺进水水质指标低于膜法，且系统运行稳定、设备简单、自动控制程度高，适用于预处理水平低，含盐量高的废水浓缩，是一种特定环境下非常有前景的除盐工艺。

（3）从中试运行看出，电吸附系统耗电量高，运行效率不高，电能浪费严重，若能将系统再生时电能进行收集回用，将降低运行电耗。

（4）电吸附技术对进水水质指标的悬浮物及生物粘泥有一定的要求，系统工厂设计应考虑进水端设置精密过滤以提高抗波动能力。