MCDI工艺对浓排水回用处理的应用研究.pdf

CleaningWorld2023年7 月实用技术第39 卷第7 期洗世清清界文章编号：16 7 1-8 9 0 9（2 0 2 3）7-0 0 2 6-0 0 4MCDI工艺对浓排水回用处理的应用研究师恩耀（北京蓝源恒基环保科技有限公司，北京100013)摘要：膜电容脱盐（MembraneCapacitiveDeionization，MC D I）技术具有能耗低、操作简单、环境友好优势，根据循环冷却水系统浓排水的水质情况，通过膜电容脱盐（MCDI）工艺对浓排水进行脱盐回收处理，经膜电容脱盐（MCDI）装置处理后的出水指标满足循环水系统补水水质要求。对装置的进出水指标进行检测分析，结果表明膜电容脱盐装置的产水回收率设定在8 5%时，产水脱盐率可达7 5%8 5%，出水中的总硬度、总碱度、氯离子和总盐分指标满足回用要求。应用结果论证了膜电容脱盐工艺在循环冷却水系统浓排水回用处理上的技术可行性和节水优势。关键词：循环冷却水脱盐；膜电容脱盐（MCDI）；浓排水回用中图分类号：X703文献标识码：A0引言循环冷却水在循环使用过程中不断蒸发散热，水分被带走，系统水中的盐分被浓缩，造成系统的结垢和腐蚀倾向增大，进而影响系统的稳定运行。目前循环冷却水系统处理主要是针对防垢阻垢、缓蚀和菌藻滋生问题，为了使系统在设计浓缩倍数下运行，控制系统的水质的含盐量和总硬度等指标，需排放部分浓排水，维持系统水质平衡。循环冷却水系统用水量占企业总用水量的8 0%以上，大量的浓排水排放对国家水资源和企业的成本资源都是严重的浪费，在水资源日益紧张的大环境下，采用必要的措施对浓排水处理回用是利国利民利企的大事，减少水资源浪费是大势所趋。循环冷却水系统浓排水脱盐回用的技术措施除考虑处理水质满足回用要求外，预处理工艺的复杂性、处理工艺的二次污染性和运行维护成本也制约了脱盐工艺在实际中的运行。利用膜电容脱盐工艺对浓排水进行脱盐脱硬处理，将处理后的淡水重新补回循环水系统，减少新鲜水的补充和药剂的使用，实现节水回用，提高水资源循环使用率。本试验采用膜电容脱盐技术对浓排水进行脱盐脱硬处理，分析出水的总硬度、总碱度、氯离子和总盐分指标，分析浓排水的脱盐处理效果，验证膜电容脱盐工艺在循环冷却水系统浓排水脱盐回用的可行性。1试验装置和方法1.1技术原理膜电容脱盐工艺采用膜碳基电极，通过施加静电场强制水中离子向带有相反电荷的电极处移动，系统周期性对溶解于水的离子和其他带电物质进行吸附和脱附，从而达到净化水质的目的。膜电容脱盐系统采用膜碳电极，不仅导电性能良好，而且具有很大的比表面积，置于静电场中时会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层。双电层的厚度只有1 10 nm，却能吸引大量的电解质离子，并储存一定的能量。一旦除去电场，吸引的离子被释放到本体溶液中，溶液中的浓度升高，通过这一过程去除盐分。待处理的浓排水通过进水口进入膜电容脱盐装置，经布水板均匀分布在处理模块组件四周，采用周边进水形式，被处理的废水一层一层漫过膜碳电极片进行吸附。吸附后的水由中央流出，通过集水板从出水口流出，实现去离子脱盐目的；运行过程中吸附脱附更替，通过电源的短接和反接完成，通过电磁阀切换倒极。作者简介：师恩耀（19 8 7-），男，大学本科，中级工程师，研究方向：水处理技术收稿日期：2 0 2 3-0 4-19。27第3 9 卷师恩耀.MCDI工艺对浓排水回用处理的应用研究运行过程：在离子吸附阶段，系统电极通过直流电场极化，带负电荷的电极吸附阳离子，而带正电荷的电极吸附阴离子，脱除离子的水排出装置，吸附过程如图1所示。负电极000080处理后的水（高流量，低TDS）正电极图1吸附过程原理图正电极浓缩液00:68:090冲洗水（低流量，高TDS）负电极图2脱附过程原理图再生过程：在装置再生阶段，系统电极逆向极化，上一阶段吸附的离子从电极脱附并于接下来的冲洗阶段随少量冲洗水排出形成浓溶液，电极得到再生，脱附过程如图2 所示。1.2试验原水水质试验以循环冷却水系统的浓排水为原水，采用实验室采样化验和在线监测设备相结合的数据采集方式，原水水质见表1。1.3试验流程及方法（1）膜电容脱盐工艺进水要求。膜电容脱盐系统采用毫米级通道式结构，不同于膜类元件，不易堵塞，对颗粒状污染物要求较低，因此对进水预处理要求不高；电极采用特殊的碳基惰性材料，抗污染能力强，少量的油类、铁锰、余氯、有机物、pH对系统影响较小。膜电容脱盐进水要求如表2所示。（2）工艺运行影响因素。进水含盐量：进水含盐量直接影响膜电容装置的脱盐能力，目前循环冷却水系统浓排水水质电导率上限以2 0 0 0 uS/cm、5000S/cm和10 0 0 0 S/cm居多，本项目采用可以处理电导率10 0 0 0 S/cm浓排水的膜电容脱盐设备。模块工作电压：随着电压的上升，双电表2膜电容脱盐进水要求进水水质指标限值进水水质指标限值进水压力/MPa0.050.15浊度/NTU5pH5.08.5油/(mg:L)1温度/540COD./(mgL)60电导率/(uScm)10000BOD,/(mg:L:)30悬浮物粒径/um5铁离子/mgL)10层变得更紧密，吸附量增加，但同时副反应和能耗增大。因此合适的工作电压，既有利于充分发挥电吸附特性，获得较好的去除效果，同时能耗又较低。在循环冷却水浓排水处理中，模块工作电压在0.81.5V间可调。工作流量：流量大小对于出水水质、水量以及处理能耗均产生直接影响。在相同的电压和电极对数下，膜电容脱盐的处理效果与水力停留时间有着密切关系。随着进水流量的增大，出水电导率下降，部分离子未被吸附就被带出装置，而且进水流量越大，污水流程度越大，电极表面双电层越不稳定，越不利于离子的吸附。（3）试验流程。本试验采用的膜电容脱盐装置由膜电容吸附模块、保安过滤器、电导率在线检测装置、流量计、在线监测电流表、电压表、电磁阀及控制系统组成，处理能力2 0 50 L/h。试验流程：吸附过程：试验原水储存在原水箱中，通过自吸泵提升后进入保安过滤器（过滤精度5m），过滤出水进入膜电容脱盐模块，原水中盐分离子被吸附，分别由产水和自循环电磁阀控制，合格产水进入产水箱，不合格产水进入中间水箱。脱附过程：膜电容脱盐模块短接静止后反向充电，用原水冲洗，使电极再生，由浓水电磁阀控制，反冲洗后的浓水进入浓水箱。（4）试验方法及工艺参数。膜电容脱盐装置的回收率设定为8 5%，运行过程通过PLC自动控制，电导率在线检测仪进行信号输入，运行和再生过程过程自动切换。模块工作电压为0.8 1.3V，本试验采取工作电压1.0 V，再生电压1.2 V，处理水量30 L/h。模块短路时间设定为10 S，电压切换时间5S，自循环时间150 s，反冲洗浓水电导率值设定为原水电导率的12 0%。试验期间每天分别从原水箱、产水箱和浓水箱取样2 次，按水和废水监测分析方法测定水样的电导率、硬度、碱度、氯化物等项目。表1试验原水水质指标项目电导率/(uS.cm)总硬度/mg:L)总碱度/mgL)CL/(mgL)SO.(mg:L)SS/(mg:L)pH水质2550-3970420-675180-320240-480350-56015-358.4-8.628第7 期清洗世界2试验结果及分析2.1总盐分的去除效果总盐分含量是浓排水回用的重要指标，反应水中溶解性无机物的量；本试验数据采集是以电导率来表征水中总盐分含量，膜电容脱盐装置对总盐分的去除效果见图3。5000450040003500(,oSn)/率台审300025002000一原水1500一产水1000500012345678910 1112时间/d图3总盐分去除效果图由图3可知：原水电导率为2 550 397 0 uS/cm，平均进水电导率为330 0 S/cm产水电导率为378968S/cm，平均产水电导率598 S/cm，平均去除率为8 2%。2.2总硬度的去除效果总硬度为钙、镁离子形成的硬度，其含量直接影响冷却水系统是否结垢。本试验中膜电容脱盐装置对总硬度的去除效果见图4。800700600500(.7.3u)/说400300200原水150一产水100500123456789101112时间/d图4总硬度去除效果图由图4可知：原水总硬度为42 0 6 7 5mg/L，平均进水总硬度为6 12 mg/L，产水总硬度为4576mg/L，平均产水总硬度为6 0 mg/L，平均去除率为90%。2.3氯离子的去除效果氯离子含量是冷却水系统腐蚀的重要影响因素，本试验中膜电容脱盐装置对氯离子的去除效果：原水的氯离子浓度为2 40 48 0 mg/L，产水氯离子浓度为36.2 7 4.6 mg/L，浓水氯离子浓度为1256.62842.8mg/L，平均去除率为8 5%。2.4总碱度的去除效果总碱度是控制冷却水系统结垢的重要指标，原水总碱度为18 0 32 0 mg/L，平均进总碱度为264mg/L，产水总碱度为14.8 34.6 mg/L，平均产水总碱度为2 6 mg/L，平均去除率为90%。3结论试验结果表明：（1）采用膜电容脱盐（MCDI）工艺处理循环冷却水系统浓排水，可以有效去除浓排水中溶解性盐分，产水的总盐分、总硬度、碱度和氯化物的平均去除率为8 2%、95%、90%和8 5%，产水指标满足回用要求，可达到节水回用目的。（2）与传统的脱盐工艺相比，膜电容脱盐工艺的再生只需将电极短接放电即可，不需要酸碱化学药剂，运行过程环保，不会因采用其他再生液而造成二次污染。循环冷却水系统常含有氧化性杀菌剂、缓蚀剂、消泡剂和分散剂等化学物质，膜电容脱盐工艺对原水预处理要求不高，比电渗析和反渗透工艺更具操作和经济优势。（3）膜电容脱盐工艺具有良好的脱盐能力，抗污染能力强，产水回收率和脱盐率可灵活调节，符合环保和减排政策要求，在循环冷却水系统浓排水回收的应用上前景广泛。参考文献：1 引张旭，提芸，赵波.电吸附技术处理电厂反渗透浓水试验研究J.给水排水，2 0 13,49(S1):366-368.2孙晓慰，电吸附水处理技术及设备J.工业水处理，2002,22(8):1-3.3陈兆林，宋存义，孙晓蔚，等.电吸附脱盐技术的研究与应用进展J.工业水处理，2 0 11,31(4):11-14.（下转31页）上接2 8 页31刘第3 9 卷雪.上海市污水排放现状及应对措施1.800.51.600.481.400.460.441.200.421.000.40.800.380.600.36规模（万m/天）0.400.34一处理单耗（kWh/m）0.200.320.000.3迎港污水处理厂图2污水处理厂规模和处理单耗间关系示意图1.80601.60501.401.20401.00300.80规模（万m/d）0.60200.40-NH-N处理单耗100.20(kWh/kg)0.000迎港污水处理厂叶榭污水处理厂朱家角污水处理广图3污水处理厂规模和NH3-N处理单耗间关系示意图的出水水质应严格按照承接水体的环境容量确定。针对上海市类准水源保护区的污水厂，其排放标准应更加严格，且随着污水处理标准的提高，投入设备的单位能耗应该呈现递减的情形。其次是适度规模。单从污水处理厂运行过程耗能看，利用大型污水厂对城市污水进行集中处理，较分散处理具备更高的能源利用效率，但是在集中处理的模式下，污水处理过程往往需要消耗额外的能源用于动力提升。因此，城市污水处理厂的建设并不是越大越好，而是应该根据城市污水的实际排放量，把集中处理和分散处理两种模式相结合，达到最佳的建设规模，进而根据总体规划合理界定和把握。第三是适宜的工艺选择。由于城市污水处理过程涉及方方面面，污水处理厂的工艺选择也应该做到因地制宜，针对城市实际情况选择适宜工艺，可4王钰，徐世昌，王越，等.电容法脱盐工艺条件优化与脱盐性能比较.化学工业与工程，2018,35(4):38-45.结合污水处理厂进水水质、进水量和出水标准等因素确定。像上海的崇明和周浦等进水碳氮比参数偏低的地区，应该尽可能地避免选择A/A/O工艺，或者在采用该工艺之前先行选择辅助工艺，提高进水的碳氮比参数，避免耗能巨大而处理效果不佳等问题。第四，重视污水处理厂设备的优化。一方面，城市污水处理厂任意环节的存在，都是为了提高污水处理效能和处理效率，但从运行上看，污水处理过程中系统的泵机、曝气装置等是污水耗能的关键装置，上述设备运行效率的优化和提高无疑是节能的重中之重，从管理角度看，可根据污水处理厂的实际情况针对性地引入自动化设备或者自动化控制系统，有效规避实践过程中人为不良习惯造成的能源消耗。4结论本文以上海市污水排放为研究对象，在探究上海市污水排放现状的基础上，详细分析了上海市污水处理厂的现状，然后对各种类型的工艺污水处理能耗情况进行分析，探究了低碳氨比、气温、处理标准和处理规模等因素对污水出来能耗情况的影响，最后针对性地提出了上海市污水排放的优化措施和改进工艺，认为应该从选择适宜标准、适度规模、适宜工艺和重视污水处理厂设备的优化四方面，加强对污水处理过程的管控。参考文献：1 夏天虹，张清东，董桂君，小城镇污水处理厂生命周期的碳排放评估.四川环境，2 0 18,37(3):135-140.2 伊平平.农村生活污水治理现状及对策.新农村经济，2 0 17(6):54-55.3 姜珊，李想，姜彩红，等.农村生活污水处理的现状分析和对策建议 .安徽农学通报，2019,25(23):122-125.4 柴喜林.乡村振兴战略下农村生活污水治理模式优选之思考J.中国环境管理，2 0 19,11(1):10 6-110.5 马岚.电容去离子技术用于电厂循环冷却排污水脱盐实验研究J.化学工业与工程，2 0 18,35(4):38-45.6】刘江，等.电吸附技术在电厂废水处理中的试验研究J.工业水处理，2 0 15,35(4):6 8-7 1.