电渗析技术在电镀废水零排放方面的应用研究

季宏飞，李志猛，陈金明，龚炎华

（中国电子科技集团第43研究所 合肥恒力装备有限公司，安徽 合肥 230088）

电镀行业在环保政策的指导下，电镀废水“零排放”技术成为水资源可持续利用的重要手段［1-4］。目前电镀废水“零排放”处理主流技术是“物化反应处理+多介质过滤处理+膜浓缩减量化处理+蒸发结晶处理”［5-7］。膜处理浓缩减量直接决定蒸发器的设备处理能力及决定项目整体运行成本，目前市面电镀废水“零排放”项目吨水处理成本约为40～70元。成本高昂对生产企业负担很重，因此降低电镀废水“零排放”运行成本迫在眉睫［8-10］。电镀废水“零排放”运行成本把控的技术关键点在于电镀废水的浓缩减量，然而反渗透膜浓缩效率有限，废水总回用率为80%，如果在膜浓缩末端再通过电渗析浓缩技术，则可以实现96%以上的废水总回用率，废水蒸发量显著减少，项目总体运营成本得到降低。

电渗析装置是在外设直流电场的作用下，并利用离子交换膜对溶液中离子进行选择透过性，将溶液中的阴离子和阳离子进行定向迁移，进而达到对溶液除盐或浓缩的目的［11-12］。为了降低电镀废水“零排放”运行成本，引入电渗析设备末端高倍浓缩是有必要的且具备理论基础。

通过电渗析技术浓缩反渗透浓水，减少废水蒸发量，可以极大降低电镀废水“零排放”运营成本，给电镀废水“零排放”的节能降耗提供了新的思路。

1 电渗析原理介绍

在直流电场的作用下，溶质则可以通过离子交换膜实现定向迁移，此现象被称为电渗析（ED）［13-15］。离子交换膜是一类由大分子或化合物材料所合成的膜，具备了对离子选择性透过的特点，包含阳离子交换膜（CM）和阴离子交换膜（AM）［16-17］。电渗析膜组器组成的基本单元是膜对，一个膜对是由一个脱盐室和一个浓缩室组成的［18］，一般一台工业应用的电渗析膜组器是由数百个膜对组成［19］。

图1 电渗析运行原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the operation principle of electrodialysis

以氯化钠溶液为例，当氯化钠溶液进入电渗析膜组器中，通入直流电，隔室中的钠离子会透过阳膜进入相邻隔室，氯离子会透过阴膜进入相邻隔室［20-21］，随着运行时间加长，隔室中的阴阳离子被迁移至相邻的隔室，结果该隔室溶液浓度会降低，则被称为淡室，相邻两边隔室会不断迁入阴阳离子，相邻两边隔室溶液浓度会升高，则被称为浓缩室［20-21］。因此电渗析膜组器就能够持续地产生淡化溶液和浓缩溶液［22］。

2 项目概述及工艺流程

本项目为某电镀公司废水“零排放”项目，处理能力为10 m³/h。该项目电镀废水通过电絮凝设备进行电解絮凝去除废水中的有机物及重金属，然后利用混凝沉淀池进行絮凝沉淀，剩余密度较小的悬浮物通过气浮机进行去除，再通过多介质过滤器和超滤膜设备进行去除更细小悬浮物及胶体，最后通过反渗透膜设备进行脱盐减量化，反渗透产水制作的纯水回用于生产线，反渗透浓水通过三效蒸发结晶设备进行处理。

废水初始电导率检测为3000 μS/cm，经过两段反渗透浓缩后，检测其电导率为30000 μS/cm，回用率80%，另外20%反渗透浓缩液需要蒸发结晶处理，运行成本为50元/t（运行成本包含：电费、蒸汽费、药品、耗材和污泥处理费等）。由于客户年处理废水量为24000 t，废水处理费用高达120万元，造成企业负担很重。

图2 废水零排放工艺流程图Fig.2 Process flow chart of zero wastewater discharge

应客户要求进行升级改造，降低废水运行成本，经过分析蒸发费用占总运行成本费用约50%，因此能很大地降低运行成本空间，我司提出使用电渗析技术对反渗透浓水高倍浓缩，减少废水蒸发量。将电导率30000 μS/cm的反渗透浓水继续浓缩，使浓缩液电导率提高至80000 μS/cm以上，为了使电渗析产水能够通过反渗透设备继续脱盐，因此控制电渗析产水的电导率不高于10000 μS/cm。设计电渗析设备回用率80%，较原“零排放”系统中需要蒸发的废水量减少了80%，成功地将运作成本降低至30元/t，每年处理废水的运作成本节省了40%。

图3 电渗析设备工艺流程图Fig.3 Process flow chart of electrodialysis equipment

电渗析系统设备是由一台电渗析器、保安过滤器、换热器、浓缩水箱、清洗水箱、泵阀仪器仪表和电气控制等设备组成。其中电渗析器中的离子交换膜使用的是日本富士均相膜。

设备具备倒极功能，为全自动化控制，运行维护方便简单。

3 电渗析设计参数

3.1 电渗析膜参数

隔板外框尺寸280 mm×560 mm×140 mm，单片膜尺寸：270 mm×550 mm，膜总面积为59.4 m2，膜的有效面积为20 m2，单张膜面积为0.1 m2，电渗析膜对共计200对，电渗析膜脱盐效率为500 g/（m2·h）（以氯化钠为例，理论值）。

3.2 电源参数

富士均相电渗析膜理论上单张每平方米膜需要电流为400 A，即电流密度为400 A/m2，因此本项目单张膜面积为0.1 m2，因此需要电流密度为40 A/m2。1对膜对需要0.6 V电压值（经验值），电渗析膜对共计200对，理论需要电压120 V，预留约10%余量，设计电压为130 V，电源电流-电压值为40 A-130 V，可倒极。

4 结果分析

本项目设计电渗析膜的总面积为59.4 m2，实际有效面积为20 m2，根据其特性，出厂理论上可以脱盐10 kg/h（以氯化钠为例，电渗析膜脱盐效率为500 g/（m2·h）。本项目是硫酸钠废水，初始浓淡水电导率均为30000 μS/cm（质量浓度约3%），经过电渗析脱盐，淡水电导率降低至10000 μS/cm（质量浓度约1%），共耗时1.5 h，实际脱盐量为20 kg，折合1 h脱盐为13 kg，符合设计预期标准。在运行的过程中，初始电流值为32 A，电压值为130 V，运行1 h后电流值为14 A，电压值为70 V，均在实际标准范围内。运行流量与压力参数见表1。

表1 运行流量与压力参数Tab.1 Operating flow and pressure parameters

电渗析设备运行发现5 t废水经过浓缩可以产生淡水4 t（电导率10000 μS/cm），浓水1 t（电导率80000 μS/cm），回用率为80%。

通过电渗析设备进行末端浓缩后，项目废水总回用率达到96%，只有4%的浓缩液进行蒸发，较原“零排放”系统中需要蒸发的废水量减少了80%，项目运行成本从50元/t降低至30元/t，效果显著。改造前后回用率及运行成本对照表见表2。

表2 改造前后回用率及运行成本对照Tab.2 Comparison of reuse rate and operating cost before and after transformation

由于普通的电渗析在运行过程中可能会出现污堵、结垢和出水水质不稳定等问题，在本项目的电渗析脱盐装置中，通过采用频繁倒极设计克服了上述现象，确保了整个过程的稳定运行。

5 结论与展望

本文采用均相膜电渗析系统作为浓缩设备，将反渗透浓水进一步浓缩，均相膜为日本富士进口离子膜，将电镀废水电导率从30000 μS/cm浓缩至80000 μS/cm以上，电渗析设备回用率达到80%以上，并验证了电渗析膜脱盐效率为500 g/（m2·h），实现了改造后“零排放”系统总回用率达到96%，只有4%的浓缩液进行蒸发，较原“零排放”系统中蒸发废水量减少了80%，项目运行成本从50元/t降低至30元/t，减少企业年运行成本40%。成功实现了电渗析技术在电镀废水“零排放”系统中的应用，并且大大降低了项目运行成本，为该系统的节能降耗提供新的思路，同时为电渗析技术在电镀废水“零排放”项目规模化应用奠定基础。