电吸附技术在污水回用处理中的应用

电吸附技术及在污水回用中的应用电吸附技术及在污水回用中的应用 技术资料技术资料 常州爱思特净化设备有限公司常州爱思特净化设备有限公司 2008.5 目录目录 1.前言前言 1 2.污（废）水除盐技术的发展简述污（废）水除盐技术的发展简述.1 2.1.应用现状应用现状1 2.2.主要问题主要问题2 3.电吸附除盐技术及其研究与发展电吸附除盐技术及其研究与发展.2 3.1.电吸附除盐技术原理电吸附除盐技术原理2 3.2.国内外电吸附技术研究概述国内外电吸附技术研究概述5 3.2.1.国外研究应用概况5 3.2.2.国内研究应用概况5 3.3.电吸附除盐装置类型电吸附除盐装置类型8 3.4.主要性能指标参数与运行工况主要性能指标参数与运行工况9 3.4.1.电吸附除盐的主要性能指标9 3.4.2.运行参数及运行工况9 3.5.电吸附的工艺流程电吸附的工艺流程10 3.5.1.电吸附系统的组成 .10 3.5.2.电吸附工艺流程的设计要点11 3.5.3.电吸附除盐的工艺过程13 3.6.应用领域应用领域14 4.电吸附除盐技术的技术特点电吸附除盐技术的技术特点 15 4.1.科技创新点和主要技术特点科技创新点和主要技术特点15 4.1.1.科技创新点.15 4.1.2.电吸附除盐装置的技术特点15 4.2.与常规除盐技术的比较分析与技术优势与常规除盐技术的比较分析与技术优势16 4.3.技术优势技术优势19 5.电吸附技术在污（废）水回用除盐方面的中试研究电吸附技术在污（废）水回用除盐方面的中试研究 20 5.1.某钢铁公司中试某钢铁公司中试20 5.2.某纸业中试某纸业中试24 6.电吸附除盐技术的工程应用电吸附除盐技术的工程应用 26 6.1.工程应用的技术目标和技术关键工程应用的技术目标和技术关键26 6.1.1.工程应用的技术目标26 6.1.2.工程应用的技术关键26 6.2.电电吸吸附附除除盐盐技技术术在在污污（废废）水水回回用用领领域域工工程程应应用用 实例实例26 6.2.1.某化工集团项目26 6.2.2.某石化项目29 7.电吸附除盐技术的经济分析电吸附除盐技术的经济分析 31 7.1.电吸附除盐工程的经济评价电吸附除盐工程的经济评价31 7.2.电吸附除盐技术的经济优势电吸附除盐技术的经济优势32 8.电吸附主要技术的应用前景与发展趋势电吸附主要技术的应用前景与发展趋势 33 8.1.应用前景应用前景33 8.2.发展趋势发展趋势33 1. 前前言言 电吸附除盐技术（Electrosorb Technology） ，简称（EST） ，又称电容性除盐技术 （Capacitive Deionization/Desalination Technology） ，是 20 世纪 90 年代末开始兴起的一 项新型水处理技术。该技术利用通电电极表面带电的特性对水中离子进行静电吸附，从 而实现水质的净化目的。由于该技术采用了全新的水处理概念，在处理效率、适应性、 能耗、运行维护以及环境友好等方面有着独特的优势，具有良好的应用和发展前景，尤 其在污（废）水再生回用方面有望得到广泛的应用。常州爱思特净化设备有限公司从 2001 年起开始进行该项技术的研究开发和实际应用工作，至今已在饮用水深度处理、工 业/市政废水处理等方面进行了一定规模的应用。本报告旨在对该项技术的研究过程和 在污（废）水回用处理方面的工程试验和实际应用结果作一总结，并对该技术的发展前 景和市场潜力进行初步探索，请予指正。 2. 污污（废废）水水除除盐盐技技术术的的发发展展简简述述 2.1.应用现状 随着经济的发展和人口的膨胀，工业及生活所需的淡水资源日益匮乏，水资源净化 已经成为世界范围内普遍关注的问题。解决水资源匮乏的方法有很多，其中污(废)水回 用及开发中水资源，即提高水的重复利用率是当前许多国家解决水资源短缺的有效途径。 水处理技术的不断成熟，特别是近年来高级氧化、膜分离等高级处理技术的发展给城市、 工业污水的达标排放处理提供了新的技术手段。然而，虽然水中的许多污染物可以通过 传统的混凝、沉淀、过滤、吸附等方法去除，但对于水质要求较高的回用场合，如对于 溶解在水中的盐的去除则需要采用适当的除盐手段来实现。常见的水的除盐方法有蒸馏、 反渗透、电渗析、离子交换等。在工业界已有用超滤/微滤与反渗透（双膜法）进行污 （废）水除盐处理的实践，通过采用超滤、微滤来降低污（废）水对反渗透膜的污染， 取得了一定的经验。然而，由于双膜法用于污（废）水回用时工艺复杂，运行成本高、 得水率较低，膜组件的使用寿命与常规水处理时相比要短得多，同时需要采用大量还原 剂和阻垢剂，使浓水的排放难以达到环保要求。因此，在污（废）水回用领域，存在着 技术经济上不尽合理的问题。 从 20 世纪 60 年代电吸附除盐技术面世到今天，电吸附在许多领域得到了初步的应 用，如将电吸附作为除盐手段应用于管道直饮水、矿泉水、苦咸水淡化等不同的场所。 近年来，随着对电吸附除盐技术的性质与功能的研究的进一步深入，电吸附除盐技术在 污（废）水回用处理领域的应用正逐渐展开。 2.2.主要问题 污（废）水除盐技术市场发展目前存在的主要问题是：污（废）水的成分比一般自 来水和天然地表（下）水要复杂得多，传统污水除盐技术在该领域应用时，易受水中有 机物、油类等物质的影响而造成污堵，造成设备在产水量、得水率及使用寿命不能满足 设计要求。同时对预处理的要求很高，又需要投放大量药剂，不仅增加工程的总体投资， 也使运行成本居高不下。因此，寻找一种对原水耐受性好，既能以较低的运行成本对污 （废）水进行除盐又对环境友好的除盐技术成为业界的一个重要课题。 3. 电电吸吸附附除除盐盐技技术术及及其其研研究究与与发发展展 3.1.电吸附除盐技术原理 水处理中的盐类大多是以离子（带正电或负电）的状态存在。电吸附除盐技术的基 本思想就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，使 离子在双电层内富集，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。 电吸附原理见图 3.1，原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间，从另一端流出。 原水在阴、阳极之间流动时受到电场的作用，水中离子分别向带相反电荷的电极迁移， 被该电极吸附并储存在双电层内。随着电极吸附离子的增多，离子在电极表面富集浓缩， 最终实现与水的分离，获得净化/淡化的产品水。 图 3.1 电吸附基本工作原理示意图 在电吸附过程中，电量的储存/释放是通过离子的吸/脱附而不是化学反应来实现的， 故而能快速充放电，而且由于在充放电时仅产生离子的吸/脱附，电极结构不会发生变 化，所以其充放电次数在原理上没有限制。另外，在短时间内过电压一般不会对装置产 生不良影响。温度对离子的吸脱附速度影响不是很大，故其容量变化也相对小得多。 根据 Gouy-Chapman-Stern 模型，在一个理想的等价离子电解质溶液双电层系统中， 电极表面电荷量与电极电位、离子浓度、温度等参数之间有如下关系式： qM=+(8RT)1/2(Cb)1/2sinh(zF2/2RT)（3-1） 其中：qM为电极表面电荷量， 为溶液介电常数，Cb为溶液离子浓度，z 为离子 电荷数，2为扩散层电势差，R 为气体常数，T 为绝对温度。 从（3-1）式可以看出，双电层内可集聚的离子数量与离子的浓度和在电极上所施 加的电势密切相关。当体系的温度、电势为一定时， （3-1）式可简化为： qM=k(Cb)1/2（3-2） 如果假设电极电荷密度与电极表面所集聚的离子量成正比，则有 S=K(Cb)1/2（3-3） 其中 S 为双电层内离子的集聚密度，也即离子吸附量。 从（3-3）式可以看出，在等温等电势条件下，电极对离子的电吸附量与溶液离子 浓度平方根成正比关系，与 Frundlich 吸附等温线相似。当电极表面电位达到一定值时， 双电层离子浓度可达溶液体相浓度的成百上千倍。当含有一定量盐类的原水经过由高功 能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层 中，直至电极达到饱和。此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的 消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。 电吸附模块处理效果的好坏主要取决于电极的吸附性能。通常，对材料吸附能力的 描述是用等电势吸附等温线来进行描述的，而对电吸附来说，除了要考虑到温度的影响 外，还必须考虑电极电势的影响。因此，本技术的研究是从通过测定等电势吸附等温线， 了解掌握电极材料的电吸附性能着手。 图 3.2 示出电极材料对氯化钠的等电势吸附等温线。实验条件为温度 25，电极电 压 1.0V。通过对曲线的回归计算，得出吸附量与平衡浓度的关系，如（3-4）式所示， 吸附量与平衡浓度呈平方根关系，符合上述双电层理论计算式的预测。 （3-4） 50 60 . . Cmad 式中：mad每克电极材料的吸附量，mg/g； C氯化钠溶液的平衡浓度，mg/L。 图3.2 氯化钠在电极材料上的等电势吸附等温线 由于电吸附过程主要利用电场力的作用将阴、阳离子分别吸附到不同的电极表面形 成双电层，这会使同一极面上的难溶盐离子浓度积相对低得多，可有效防止难溶盐结垢 现象的发生。其次，电吸附极板间水径流与极板呈切线方向，不利于水中析出难溶盐结 晶在极板上的生长。电吸附可以在浓水难溶盐过饱和状态下运行。另外，在电吸附模块 中，由于电吸附过程中阴、阳离子吸附不平衡导致产生氢离子含量较多的出水，通过倒 极的方式，略偏酸性的出水同样会使有微量结垢现象的垢体溶解掉。 电吸附工作再生出水浓度曲线电吸附工作再生出水浓度曲线 3.2.国内外电吸附技术研究概述 3.2.1.国外研究应用概况 电吸附的研究始于 20 世纪 60 年代，俄克拉荷马大学的研究人员利用电吸附原理， 从略带碱性的水中去除了盐分。在 Caudle 等的报告中描述了使用多孔电极的电容去离 子装置。Johnson 和 Newman 等的研究则包括验证过程的理论基础、参数研究和对多种 候选电极材料的评价。国外的研究工作也主要以炭电极的发展作为主线，但主要停留在 小流量循环处理的实验阶段。 国外在电吸附应用方面取得研究成果最多的是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室， 他们从从上个世纪 90 年代，采用内部孔隙极多的炭气凝胶作为电极材料开发出来一套 电容性除盐实验装置。虽然具有一定的除盐效果，但材料制作工艺复杂，制作成本很高。 妨碍了这一技术的推广。 电导率 S/cm 10 分钟 3.2.2.国内研究应用概况 一、文献报导 电吸附技术在国内的研究起步比较晚，这方面的文献并不多见，国内陈福明、尹广 军等 1999 报道了用多孔大面积电极去除水中离子的方法，并对电吸附进行了一系列的 理论和实验研究。杨慧云对 NaCl 溶液进行电容性除盐，结果分析表明，当溶液种类和 浓度一定时，电极的吸附容量随外加电压的增加而增大，当溶液种类和外加电压确定后， 吸附容量随着浓度的增加而增大，并达到一个极限值吸附。莫剑雄也尝试利用双电层电 容的原理进行电吸附装置的研究。上述研究过程仍处于实验室研究阶段。 二、常州爱思特公司的研究与应用概况 常州爱思特净化设备有限公司从 2000 年开始了电吸附技术的研发应用，到目前已 经发展了四代电吸附产品，其核心元件电吸附模块演变过程如图 3.3 所示。单位模块 处理量从 50L/h 增至目前的 20t/h。 第一代（2000年） 第二代（2002年） 第三代（2003年） 第四代（2005年） 图3.3 电吸附系列产品的演变 1. 原型机的试制与试验阶段 2000 年，爱思特公司的前身常州高德卡本净化技术开发有限公司开始了电吸附技术 的研发应用，并在电极材料研制、核心部件设计、系统控制和集成等方面取得了突破性 进展。 2001 年常州爱思特公司科研人员在电吸附除盐技术研发领域实现重大突破，开发出 一系列电吸附水处理设备并获得了 2 项国家发明专利和 6 项实用新型专利，成功地将电 吸附技术导入水处理领域。 2. 中小型设备的制造与应用阶段 2002 年，爱思特牌 EST 型水处理净化设备通过了建设部科技成果评估，得到了专 家的肯定。实践证明，采用 EST 电吸附技术在对高氟、高砷水进行处理时，可以在适 当保留饮用水中的其它矿物质的前提下，有针对性地去除过高的氟和砷，而且处理效果 稳定、持续、可控。2004 年在北京监狱局清河农场安装了 5 套饮用水除氟深度处理装置， 已经过连续四年的稳定运行。2003 年至 2006 年期间，爱思特公司利用电吸附技术在北 京市自来水集团水源四厂进行了应用试验研究，结果表明，电吸附技术适用于降低水中 阴阳离子的处理，可有效去除水中的钙、镁、氯化物、硝酸盐、氟、砷等，出水质达到 生活饮用水水质标准。电吸附技术对于处理高含盐量水源水在经济技术上是可行的，适 用于市政给水处理，有利于缓解水资源紧张、改善供水环境。2006 年，以第四代 EMK- 4452A 型电吸附模块为核心元件的电吸附除盐技术成功用于北京顺义区农改水工程。 3. 大型设备的研制与应用阶段 从 2003 年至 2005 年期间，某石化研究院采用爱思特公司提供的 EMK300、EMK300B、EMK320 和 EMK400 电吸附模块，对某石化乙烯污水处理场 、系列低含盐生化出水和某石化炼油实业部二净化污水处理场生化出水进行除盐试 验，结果表明，电吸附除盐方式可以用于石化污水的除盐，通过加强控制，EMK400 电吸 附模块可以保持长时间的连续稳定运行。 2005 年在北京建立的国内第一个电吸附实验研究中心，在电吸附除盐技术研究和应 用开发方面进行了大量的基础性研究。该研究中心以电吸附为研发平台，掌握了电吸附 研发核心技术，成功开发了 EMK4000 系列模块，形成了以电吸附为特色的除盐产品， 在电吸附的研究及其应用开发、产业化方面达到国际先进水平。 4. 工程化示范引导、系统化应用阶段 2006-2007 年，针对污（废）水再生回用的市场前景，爱思特公司通过某化工集团、 某石化、某钢铁公司、某纸业等多项实际工业废水的现场中试，为工程项目的应用奠定 了基础。 20062007 年在总结经验的基础上，先后实施了某石化、某化工集团两个大型示范 工程项目的电吸附除盐工程，其中某化工集团有限公司水厂建成投产的电吸附装置是国 际首套万吨级的电吸附除盐设施。经过电吸附处理后的回用水达到了化工生产工艺用水 标准，可用作工艺用水、锅炉补充水等。这使得中国的电吸附除盐技术已经占据了国际 领先地位。 2007 年底世界规模最大的电吸附产业化基地项目在常州爱思特公司生产基地建成。 该项目正式投产后每年可生产各种电吸附模块 2000 个，加上污水处理、水净化等成套 装备和工程，年产值将在 1.5 亿元左右。 2008 年 3 月，中国环境保护产业协会水污染治理委员会，在太原召开了“电吸附 除盐技术及其在污水回用中的应用技术评议会” 。专家评议委员会由哈尔滨工业大学李 圭白院士为评议委员会主任、清华大学王占生教授、太原理工大学崔玉川教授为评议委 员会副主任的九位专家组成的评审委员会，对电吸附技术进行了评议，见图 3.4。评议 意见认为：(1) 爱思特净化设备有限公司研发并完成了具有自主知识产权的技术发明， 研制了电吸附除盐技术的关键材料和装置，建成了数千 m3/d 规模的污水回用工程，成 果处于国际领先水平；(2) 采用电吸附技术对石化、钢铁、造纸行业的废水回用进行了 中试研究，建立了规模达 100m3/h 和 400m3/h 的示范工程，取得了先进的技术经济指标， 原水电导率为 10003000S/cm 时，系统除盐率为 6090%，稳定产水率为 7585%，耗 电量为 12kWh/m3；(3) 实现了电吸附除盐技术的模块化并形成了系列化产品，初步具 备了大规模推广应用的条件。 图 3.4 电吸附除盐技术及其在污水回用中的应用技术评议会 3.3.电吸附除盐装置类型 电吸附除盐装置类型如表 3.1 所示。 表 3.1 电吸附除盐装置类型 类型额定水量（m3/h）应用领域水质达标要求标准 ESTJ0.005-0.05家用饮用水 原水符合自来水水质要求 产品水符合优质饮用水水 质标准 GB5749-2006 CJ94-2005 ESTD0.5-20饮用水 原水符合自来水水质要求 产品水符合优质饮用水水 质标准 GB5749-2006 CJ94-2005 ESTG1.0-100工业用水除盐 原水符合自来水水质要求 产品水满足各种工业用水 要求 GB5749-2006 ESTF50-1000污（废）水回用 原水符合经二级处理后的 污（废）水排放标准 产品水符合工业循环水水 质及满足其他各种工业用 水要求 3.4.主要性能指标参数与运行工况 3.4.1.电吸附除盐的主要性能指标 （1）含盐量：10005000S/cm（25） （在要求不严格的情况下，总含盐量也可以通过电导率仪测量电导率来表示） （2）除盐率：0-90%（可调） （3）产水率：一般情况下 75%，有特殊要求可达 85% （4）单位能耗：12kWh/m3 3.4.2.运行参数及运行工况 电吸附装置的主要运行参数和工况条件包括工作电压、流量和给水含盐量。 （1）工作电压 电吸附过程是双电层在电场作用下的对离子的吸附，给电极加上一定的电势差后， 界面双电层被进一步强化，电极表面由自由电子形成的电荷密度增大，就必然从溶液中 吸附更多的离子以中和这一过程。随着电压的上升双电层变得紧密，吸附量增加，但同 时又会引起副反应，使得能耗增加，因此选择合适的工作电压，既有利于充分发挥电吸 附的吸附特性，获得较好的去除效果，同时能耗又较低。另外，短时间过压一般不会使 装置产生严重影响，但长时间过压会产生电解现象，产生的气体使电极材料的性能受到 影响。 在实际应用中，可以根据电极材料厚度、通道宽度等特征来控制加压范围在 1.5V2.0V 之间。 （2）流量 流量大小对于出水水质、水量以及制水成本均产生直接的影响。主要体现为水力停 留时间的长短。在相同的电压和电极对数目下，电吸附的处理效果与水力停留时间有着 密切的关系。流量大的时候，水力停留时间短，除盐率低；随着流量的降低，除盐的效 果越来越好。但流量过低也会对再生效果产生一定的影响，因为它影响了再生冲洗的速 率，因此，流量也不宜过低。 另外，随着流量增加，单位能耗的吸附量也增加。因此，选择较大的流量有利于提 高出力，降低能耗，但随着极板间流速增大，水力停留时间缩短，离子来不及吸附到极 板上，会使除盐率降低，因此，过大的流量不利于保证除盐率。在实际应用中应该根据 不同的出水要求来考虑选择合适的进水流量。 （3）原水含盐量 对同一系统来说，原水含盐量不同，直接影响到电吸附的除盐效果，根据目前已有 的研究与实践结果，现阶段电吸附除盐装置可以接受的污（废）水电导率范围是 10005000S/cm。 3.5.电吸附的工艺流程 3.5.1.电吸附系统的组成 电吸附装置由电吸附模块、水箱、水泵、前置过滤器、后置过滤器、管阀系统、电 源系统、检测仪表及电气控制系统等组成，如图 3.4 所示。由于通常电吸附模块的水流 阻力很小，所需压力一般小于 0.2MPa，所以对提升泵的要求不高，普通的离心泵即可 满足使用要求。前置过滤器主要用于去除泥沙、悬浮物等。 图 3.4 电吸附工艺流程简图 一般情况下，电吸附模块对原水中余氯、有机物、高价离子没有特别限制，通常要 求原水浊度小于 5NTU，悬浮物含量低于 5mg/L。预处理通常可采用砂滤、叠片式过滤 器、袋式过滤器、纤维球过滤器等手段。如对成品水有较高要求，可以在电吸附模块后 加精密过滤器、UV 杀菌器或臭氧杀菌器以及其它后处理装置。模块的供电通过一大功 率直流电源来实现，因模块是工作在恒电压状态下，直流电源必须能够提供一稳定的直 流电压，一般在 2V/（对电极）以下。电吸附模块的工作是间歇式的，在电极饱和后， 需要对其进行再生，电气控制系统负责电源、水路的通断、切换。电吸附装置采用模块 化结构，可针对各特定的应用场合根据需要将模块作任意组合以实现处理目标，在需要 大流量时可将模块并联，而在需要大的处理深度时可将模块串联。 3.5.2.电吸附工艺流程的设计要点 一般的电吸附除盐工艺流程是由预处理部分和电吸附部分组成。工艺流程的设计以 电吸附除盐工艺为核心，可根据原水的水质情况，将多种工艺技术进行组合，从而形成 多种解决方案。 1.预处理： 尽管电吸附对原水条件要求不苛刻，但进水仍需要满足一定的要求，见表 3.2。特 别是针对污（废）水处理，必须进行相应的预处理才能保证设备的长期稳定运行。 表 3.2 电吸附模块进水水质标准 名称单位限值 进水电导率 S/cm 10005000 CODCrmg/L 60 浊度mg/L 5 固体悬浮物mg/L 5 油mg/L 3 碱度mg/L 150 城市/工业污水经过混凝、沉淀、澄清、过滤后，水中的悬浮物、pH 值和油等一些 物理指标已经大大降低，但与自来水和一般天然水相比水中所含的油和悬浮物等仍较高， 水质的冲击性也比较强。为了使原水中悬浮物和油的含量稳定在电吸附能够接受的范围 内，必须在进入电吸附模块前对原水进行预处理。通过预处理降低水中的悬浮物、浊度 和油，同时降低水的碱度，从而防止模块频繁清洗、增加设备维护工作量和生产运行成 本。 在预处理过程中可使用各种单元操作，也可以将几种方法组合使用。目前，典型的 预处理工艺包括： （1）混凝砂滤/叠片过滤器 砂滤的滤料成本低、滤料损失小，截留悬浮物及降低浊度效果明显，不存在工艺性 能衰减问题。 （2）曝气生物滤池 为了进一步降低废水中的有机物含量，可以将电吸附技术与曝气生物滤池结合使用， 这既可以确保出水的质量满足目标要求，同时也保障 EST 电吸附系统的持久稳定运行。 废水在经过二次处理后，CODCr降至 100mg/L 以下。通过生物曝气滤池的进一步生化、 过滤处理，使 CODCr进一步降至 60mg/L 以下，悬浮物降至 5mg/L 以下，浊度小于 5NTU。 （3）加酸曝气装置和纤维过滤器 “加酸曝气装置和纤维过滤器”结合是常见的电吸附预处理工艺。该流程既可以保 证除盐系统的进水参数稳定可靠，同时相对增加的运行成本又不高。 在水中加酸（通常为硫酸） ，降低 pH 值后，重碳酸盐将处于不稳定状态，使下列平 衡右移 HCO3-+H+=H2O+CO2，通过曝气装置使水中的游离二氧化碳迅速地析出进入空气 中，降低原水中碱度，防止在模块中出现重碳酸盐的积存或可能出现的结垢。 一般情况下，曝气装置采用工作压力在 0.06MPa 下的空气，通过 80100m 孔径 的曝气膜片，使其在曝气水池内产生均匀性良好的微气泡。同时，曝气可进一步降低水 中的悬浮物和油。 纤维过滤器内装改性纤维过滤料，可以阻挡更小颗粒的悬浮物。具有运行稳定，滤 速高、截污量大、工作周期长、悬浮物去除效果好特点，经过曝气装置后的原水再经过 纤维过滤器进一步过滤后进入电吸附设备进行除盐处理。 （4）保安过滤器或微滤 在电吸附装置前设置保安过滤器或微滤是很有必要的，它可以用来截留水带来的颗 粒，以防预处理失效对模块带来冲击。 2.电吸附除盐模块： 电吸附模块为整个电吸附系统的核心，可根据原水水质和用户要求选择适当的模块 及模块组合。系统设计需考虑如何正确操作与维护系统。为了尽早发现潜在问题，须收 集系统性能数据并定期分析。若发生了问题，应该能迅速采取措施，准确地排除故障。 如果进水水质不稳定，仍然需要考虑经过半年到 1 年的使用后，对模块进行一定的保护 性清洗工作，目的是将材料所吸附的微粒、胶体、生物粘泥和有机物去除。 为了满足不同用户所需的出水水质要求，通常从以下几个方面来确定具体的模块组 合方式。 （）提高出水水质 为了保证较高的出水水质要求，可以把不同系列的电吸附模块（组）串联起来，工 作过程中每增加一个串联模块（组）即增加一级。 （）增大进水流量 当需要处理较大水量的原水时，可采用多个电吸附模块的并联组合，达到处理水量 较高的要求。 （）增大得水率 通过浓水再处理回流的方法可以进一步提高得水率。即在再生过程中收集部分含盐 量相对较低的浓水作为回流部分的原水，进入另一组电吸附模块进行再处理，这种方式 可以减少排放浓水的体积，增加得水率至 85%以上。 另外，在实际工程中，可以采用 A、B 组联合的交替运行方式，即 A 组模块（组） 再生时，B 组模块（组）在工作，这种方式可以保证连续出水，满足用水量大的需求。 3.后处理： 电吸附系统的出水是否需要进行后处理，要按具体情况加以确定。后处理技术一般 采用紫外线、臭氧或氯气消毒。 4.最终用途： 在电吸附流程设计中，必须慎重考虑产品水的具体用途，根据实际需要来选择适合 的工艺，以免因产水量或产水水质过度高于目标值而增加产品水的费用。 3.5.3.电吸附除盐的工艺过 程 （1）电吸附除盐系统的典型工艺过程 经过预处理后的原水，进入电吸附装置的工艺过程如图 3.5 所示，工艺过程分为三 个步骤：工作过程、再生过程、排污过程。 图 3.5 工艺过程图 工作过程：原水贮藏在原水池中，与此同时酸溶液也通过计量泵同步连续地加入原 水池，经过曝气后原水通过提升泵被提升进入精密过滤器，大于 10m 的残留固体悬浮 物在此道工序被截流，水再被送入电吸附（EST）模块 A。水中溶解性的盐类被吸附， 水得到除盐净化。 再生过程：就是模块的反冲洗过程，用原水冲洗经过短接静置的模块，使电极再生。 反冲洗后的水被送入中间水池，进入中水池的水等待下一个周期排污用。 排污过程：排污过程其本质和再生一样，是模块的一个反冲洗程序，但水源有区别， 排污过程用的是中间水池的水，即再生之后的浓水，这是一个有效的节水过程，因为经 过再生之后的浓水尚未达到饱和，所以用再生后产生的浓水再次冲洗模块，就节省了冲 洗过程中的用水量，从而提高了得水率。 三、电吸附模块数量计算 每个标准电吸附模块额定产水量为 10m3/h，举例说明：来水流量 100m3/h 来水水质 电导率 2000S/cm，去除率 75%，得水率 75%，采用二级串联处理流程，每个标准电 吸附模块一小时工作，一小时再生，需要标准电吸附模块数量为： N40 个。 10/4 Q 4/10 100 3.6.应用领域 由于电吸附除盐技术具有运行可靠、出水稳定、能耗低、操作方便、对进水水质要 求不高、产水率较高、运行成本较低等特点，因此，在工业污（废）水再生利用中可以 涉及很多领域，如造纸、纺织、印染、电力、化工、冶金等需大量净水作为工艺用水领 域以及核工业废水的治理等方面。 4. 电电吸吸附附除除盐盐技技术术的的技技术术特特点点 4.1. 科技创新点和主要技术特点 4.1.1.科技创新点 一、原理创新：电吸附除盐技术利用带电电极表面吸附水中离子，使水中溶解的盐 类在电极表面富集浓缩而实现水的净化/淡化。独特的除盐原理是将水中溶质从溶液中 提取出来，而不是将水中溶剂从溶液中提取出来。 二、工艺创新：电吸附模块的电极采用惰性材料加工而成，具有化学性能稳定、使 用寿命长（10 年以上）的优点。以电吸附模块为核心元件的电吸附除盐系统具有抗污染 性强、预处理简单、不需要添加专用药剂、通量稳定、不用频繁清洗、运行成本低、节 能环保的特性。 三、应用创新：该项目突破了污(废)水再生回用技术的瓶颈。为污(废)水再生回用 领域的发展提供了一项抗污染性强、经济环保、应用范围广的除盐技术。 4.1.2.电吸附除盐装置的技术特点 一、节能节水，环境友好，运行成本低 首先，电吸附技术能耗低。电吸附技术进行水的除盐处理时，其主要的能量消耗在 使离子发生迁移，而在电极上并没有明显的化学反应发生。与蒸馏法、反渗透法等除盐 技术相比，电吸附技术是有区别性地将水中离子提取分离出来，而不是把水分子从待处 理的原水中分离出来，无需高温或高压，因此所耗的能量相对较低。另外，由于电极加 电后即为充电电容器，所施加的电能被储存在双电层电容上，如有必要，就可以将所存 储的能量在电极再生时回收一部分，即将吸附饱和的模块上储存的电能再加到另一再生 好的模块上，也即所谓的“秋千式”供电。这样可以大大地节约能源。 其次，电吸附技术得水率高，用于再生的冲洗水可重复使用，一般情况下得水率可 以达到 75%以上；如采用适当的工艺组合，甚至可达 90%以上。 同时电吸附还是一项环境友好型技术。电极再生时只需将储存的电能释放掉，不需 任何化学药剂进行再生。与离子交换技术相比，减少了在浓酸、浓碱的运输、贮存和操 作上的麻烦，而且不向外界排放酸碱中和液；与反渗透相比，无需加入还原剂、分散剂、 阻垢剂等化学药剂，所排放的浓水系来自于原水，系统本身不产生新的排放物，从而避 免了二次污染问题。另外，抗污染性能较强，并表现出一定的去除 COD 的能力。 二、设备可靠，运行稳定 由于电吸附技术不采用膜类元件，只采用特殊的惰性材料为电极，因此对原水预处 理的要求不高，即使在预处理上出一些问题也不易对系统造成不可修复的损坏。电吸附 除盐装置采用通道式结构（通道宽度为毫米级） ，因此不易堵塞，对颗粒状污染物要求 较低；电吸附技术是利用电场作用将阴、阳离子分别去除，因此，阴、阳离子所处场所 不同，不会互相结合产生垢体；少量油类、铁、锰、余氯、有机物、pH 值等对系统几 乎没有什么影响，对各类水质的原水具有良好的适应性；在停机期间也无需对核心部件 作特别保养；系统采用计算机控制，自动化程度高；由于采用碳类电极材料，从理论上 讲电吸附模块可以长期服役，预期寿命至少在 10 年以上。 三、适应性强，操作及维护简便 系统对原水预处理的指标要求不高，铁、锰、氯等离子、pH 值和有机物等对系统 几乎没有什么影响，所以除盐技术适应性强。在停机期间也无需对核心部件作特别养， 维护方便。即使在预处理上出一些问题也可以进行处理恢复，不易对系统造成不可修复 的损坏。系统采用计算机控制，自动化程度高，操作程序简单容易掌握。 由于其广泛的适应性和良好的实用性，电吸附技术可以应用在生活饮用水深度净化 处理、工业废水回用处理、工业除盐水处理、苦咸水淡化等领域。苦咸水淡化乃至海水 淡化将是 EST 技术的下一个更加诱人的应用领域。 4.2.与常规除盐技术的比较分析与技术优势 各行各业对废水处理中有害物质的去除要求千差万别，但电吸附水处理技术对此均 有其用武之地。由于 EST 系统不采用膜类元件，因此对原水预处理的要求不高，而且 即使在预处理上出一些问题也不会对系统造成不可修复的损坏。一般情况下，铁、锰、 余氯、有机物、钙、镁、pH 值等对系统几乎没有什么影响，在停机期间也无需对核心 部件作特别保养。 对于有机物及含盐量较高的工业废水，现今没有好的办法处理，因为在有机物含量 高时无法用传统的水处理技术降低含盐量，而含盐量成分高时用生化技术又无法使厌氧 菌或好氧菌保持活性，实现去除有机物、降低 COD 的处理目标。在这种情况下，采用 电吸附水处理技术处理此类废水，则十分方便可行，因为电吸附水处理不仅除去废水中 过高的盐分，使生化法可以进行处理，而且还可以降低一部分 COD，为生化法进一步 降低 COD 减轻了负担。 电吸附除盐技术在污（废）水回用方面与反渗透工艺技术特点比较见表 4.1。 表 4.1 污(废)水回用中电吸附工艺与反渗透工艺技术特点的比较 序号项 目电吸附 EST反渗透 RO(双膜法) 1除盐原理 利用通电电极表面带电的特 性对水中盐离子进行静电吸 附，以电极为介质，以静电 场为推动力，将溶质从溶液 中取出 以分子扩散膜为介质，以 静压差为推动力将溶剂从 溶液中取出 2透过物溶质，盐，溶剂，水 3截留物溶剂，水溶质，盐 4膜类型无分离膜不对称膜，复合膜 5除盐率70%90% 80%95%（废水） 6 处理污水膜通量与处理 净水膜通量比 10.50.7 7经济回收率75%85%70%75% 8原水电导(范围)1000-5000S/cm(小)不限制(大) 9相同浓水量盐去除总量大小 10工作温度大于 0小于 50大于 4小于 40 11随温度降低通量衰减无 每降低 1膜通量下降 2- 3% 12污堵导致通量衰减小（可逆）衰减 7%-15%/年 13盐透过量每年增加量变化小变化较大 14是否结垢及原因 较少结垢, 极板难溶盐离 子浓度积低,极板间切向流, 频繁倒极 易结垢,垂直穿透膜,浓差极 化,浓水侧偏碱难溶盐离子 浓度积过饱和 15结垢可逆程度结垢可逆大部分结垢不可逆 16解决难溶盐结垢方法不添加阻垢剂,加少量酸添加阻垢剂,加酸 17维护保养性无需特别保养、简单频繁、复杂 18清洗周期6-12 个月，长1 周-3 个月，中短 19清洗效果较好不好, 膜通量不能彻底恢复 20 抗污染能力 对来水的适应性 强 COD60mg/L,油 3mg/L 适应性强 弱 COD40mg/L 油 0.1mg/L（RO） 对来水水质要求严格 21预处理要求简单 复杂并很难满足 RO 进水水 质要求 22能耗12kWh12kWh 23核心元件使用寿命8 年2-3 年左右 24运行成本低，1.5 元/ m3高，3-6 元/ m3 25二次污染 浓水排放不超标需添加阻垢剂、还原剂、 酸、碱等药剂，浓水排放 有污染 26浓水回收采用相同模块采用高性能膜,如海水膜 27浓水回收经济性好较差 注：为性能相对优异 从除盐率看，反渗透比电吸附要高一点，但对于污(废)水除盐，并不需要太高的除 盐率，而需要关注总除盐量，由于电吸附水回收率较高，相同浓水量盐去除总量比反渗 透多。 电吸附的运行成本和备品备件的费用很低，平均运行成本约 1.5 元/吨水，一年的运 行成本比反渗透少，运行 2-3 年即可将一次投资收回。 其次，电吸附核心部件的寿命较长（10 年左右更换） ，而反渗透、超滤膜组件应用 于污(废)水除盐时，由于水质较差则 2-3 年就需更换，更换膜组件的费用相当昂贵，相 当总投资的 40-50%。 再者，电吸附维护保养较简单；在运行中不使用任何添加剂，不存在二次污染，不 需要在除盐前上较多的预处理设施。反渗透在全寿命周期内加阻垢剂费用相当于反渗透 膜组件的投资费用。 4.3.技术优势 一、采用高效功能材料 EST 模块采用了高效功能材料作为电极，该电极材料不但除盐效果好，而且具有化 学性质高度稳定、耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗氧化等特点，这使得电吸附除盐装置具有对 来水水质约束小、抗污染、设备可靠、运行稳定等优点。 这种高效功能材料属于惰性的多孔无机物质，比表面大，且在电吸附运行中还有一 定量的初生活性氧化基团产生，对原水中的有机物具有一定的去除效果，扩大原水水质 约束范围。经过适当的预处理，原水就可以进入 EST 模块，即使在预处理上出一些问 题，如遇到包含少量油污在内的有机物污染，也不会使电吸附材料受到大的危害，仍能 保证相对较高的除盐率。因此，在这种情况下，可以在半年甚至一年的长期运行后，利 用酸洗或碱洗的方式对电极材料进行清洗恢复。 停机期间，无需对核心部件作特别保养，维护方便。 二、微通道设计 电吸附除盐装置采用微通道式设计（通道宽度为毫米级） ，水流是在宏观通道中运 动的，因此少量悬浮物和有机物不会污堵设备。对前处理要求相对较低，而且可以大大 提高得水率，一般情况下可达 75%以上，如有特殊需要，部分浓水经回收再处理工艺， 可使系统得水率达到 85%以上。 三、设备集成度高，实行智能化控制 电吸附除盐技术的开发依据于水力学、电化学、机械学、电子控制学等理论。系统 采用模块化设计，各个环节在中央控制计算机的集中控制下形成整个系统。所有的执行 机构、检测仪表等均由计算机按设定程序实现操作，正常运行时不需人工干预。 四、绿色技术节能、环保 由于电吸附除盐技术利用了双电层电容静电吸附的原理，工艺运行过程中不需添加 缓蚀剂、阻垢剂、还原剂之类的专用药剂，系统所排放的浓水均来自于原水，所以系统 不会产生新污染物。这既节约了运行成本，又避免了二次污染。 另外，与其他技术相比，电吸附技术属于常压操作，提升能耗少，其主要的能量消 耗在使离子发生迁移，并通过控制电压使电极表面不发生极化现象，同时工作时所储存 的电能可以在再生时回收一部分，因此，总体能耗较低。 五、适应性好，应用领域广泛 电吸附除盐技术对进水水质要求不高，并且可以根据电压调节来控制除盐率在 60%90%的范围内变化。因此，拓展了电吸附技术的适用领域。电吸附可以被广泛应 用于饮用水、废水、污水处理等方面，包括冶金、化工、电子、电力、制药、纺织、造 纸等工业领域。对于那些污染较重，不需要完全除盐的场合来说，电吸附不失为一种良 好的选择。 5. 电电吸吸附附技技术术在在污污（废废）水水回回用用除除盐盐方方面面的的中中试试研研究究 5.1.某钢铁公司 中试 为解决某钢铁公司浊环水含盐量持续增高问题，逐步实现污水零排放的目标。为了 验证电吸附技术在某钢铁公司回用水除盐应用的技术可行性，常州爱思特净化设备有限 公司在某钢铁公司 2 号污水厂现场进行了电吸附深度除盐中试试验。中试电吸附设备见 图 5.1。 图 5.1 电吸附设备 试验分为两个阶段，第一阶段为原水试验，其目标是实现产水率大于 75%、除盐率 大于 75%；第二阶段为浓水试验，即在原水试验的基础上，对浓排水进行二次电吸附除 盐，目的是提高产水率试验，减少浓排水量。 试验时间：2007 年 8 月 24 日-9 月 19 日 产水要求：除盐率75%，得水率75%，氟化物3mg/L 流 量：2.2m3/h。 中试的原水为某钢铁公司 2污水处理站出水，其水质见表 5.1。 表 5.1 某钢铁公司 2污水处理站出水水质指标 （2007.7.4） 检测项目检测结果单位 pH7.7 电导率15001900S/cm 总硬度(以碳酸钙计)200500mg/L 总碱度(以碳酸钙计)250mg/L 重碳酸盐（HCO3-）96.7mg/L 全盐量10001267mg/L 溶解性总固体(TDS)1010mg/L 化学需氧量(CODcr)30mg/L 硫酸盐（SO42-）250mg/L 氯化物(Cl-)350mg/L 氟化物(F-)16mg/L 亚硝酸盐（NO2-）0.51mg/L 石油类5mg/L 氨氮（NH3-N）5.87mg/L 钙(Ca)125mg/L 镁（Mg）8.05mg/L 铝（Al）0.18mg/L 铁（Fe）0.066mg/L 钡（Ba）0.5mg/L 锶（Sr）1mg/L 全硅（以 SiO2计）15.6mg/L 溶解硅（以 SiO2计）14.3mg/L 由表 5.1 可知，某钢铁公司 2污水处理站出水的含油量较高，因此对电吸附设备 的抗污染性能是一个较大考验。 某钢铁公司中试流程图见图 5.2。 中间水池 浓水池 再生泵 排污泵 混合器 EST模块微滤工作泵原水池计量泵储酸罐 进水 净水池 净水 工作 原水再生 中水排污 浓水排污 P-75 纤维球过滤器 浓水排污 图 5.2 某钢铁公司中试电吸附系统流程图 中试期间第一阶段电吸附设备进出水电导率见图 5.3，第一阶段进出水的各项指标 及去除率见表 5.2。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 时间（天） 电导率（S/cm） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 去除率（%） 进水出水去除率 图 5.3 某钢铁公司中试第一阶段电吸附设备进出水电导率及去除率 表 5.2 某钢铁公司中试第一阶段进出水指标及去除率 序号项目单位进水出水去除率（%） 1电导率S/cm141125382.0 2总硬度mg/L（以 CaCO3计）184.621.787.2 3氯化物mg/L218.923.789.0 4氟化物mg/L6.171.7971.7 注：表中的数值均为中试期间的平均值。 第二阶段即采用收集部分浓水进行二级电吸附，具体方案见图 5.4。 图 5.4 二级电吸附方案 二级电吸附将浓水电导为 3100S/cm 降为 1087S/cm，去除率达到了 64.9%，达到 了预期目的，两级电吸附的总产水率达到了 85.8%。 试验结果表明： （1）电吸附设备运行稳定，抗污染性能较强。 （2）第一阶段产水率达到 78.4%；平均除盐率达到 82.0%，实现了产水率大于 75%、除盐率大于 75%目标。对水中硬度、氟离子及氯根有较高的去除率。 （3）二级电吸附将浓水电导由 3100S/cm 降为 1087S/cm，去除率达到了 64.9%，达到了预期目的，两级电吸附的总产水率达到了 85.8%。 5.2.某某纸纸业业中中试试 常州爱思特净化设备有限公司与某纸业共同研究利用电吸附除盐设备对造纸废水进 行深度除盐处理，考察其对盐类、COD、色度、浊度等的去除效果、得水率、电耗等指 标，论证该技术在该领域解决污水回用问题的可行性。 试验时间：2008 年 1 月 3 日-1 月 22 日 产水要求：电导率800S/cm，得水率75%，COD30mg/L，浊度2.5NTU。 流 量：2.2m3/h。 一级电吸附 除盐率 82% 得水率 78.4% 净水 1.89m3 回流 0.21m3/h 收集 0.32m3/h 浓排 0.20m3/h 浓排 0.31 m3/h 二级电吸附 除盐率 64% 得水率 65% 浓排 0.11 m3/h 进水 2.2m3/h 中试流程图见图 5.5，中试期间电吸附设备进出水电导率见图 5.6，进出水 COD 见 图 5.7，进出水的各项指标及去除率见表 5.4。 中中间间水水池池 再再生生泵泵 排排污污泵泵 混混合合器器 EST模块微微滤滤工工作作泵泵原原水水池池计计量量泵泵 储储酸酸罐罐活活性性炭炭过过滤滤器器 进进水水 净净水水池池 净净水水 浓浓水水 污污水水池池 工工作作 原原水水再再生生 中中水水排排污污 P-75 纤纤维维球球过过滤滤器器 图 5.6 某纸业中试电吸附系统流程图 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 时间（天） 电导率（S/cm） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 去除率（%） 进水出水去除率 图 5.7 某纸业中试电吸附设备进出水电导率及去除率 0 20 40 60 80 100 120 140 160 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 时间（天） COD（mg/L） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 去除率（%） 进水出水去除率 图 5.8 某纸业中试电吸附设备进出水 COD 及去除率 表