電吸附技術在石化污水回用領域應用的研究工作總結

電吸附技術在石化污水回用領域應用的研究工作總結

 

背景介紹

電吸附除鹽技術是由常州愛思特凈化設備有限公司開發的具有自主知識產權的除鹽技術。中石化齊魯分公司研究院2003年因為進行乙烯含鹽污水回用技術研究，在進行工藝路線選擇時，針對乙烯污水處理場外排污水的特點，特別需要一種既耐有機污染的又具備除鹽功能的技術，而此時愛思特公司剛好開發出電吸附除鹽技術，已經有了初期的工業化設備用于引用水處理，并通過學術交流會的形式對新技術進行了公布。由此開始，我們2個單位開始進行3年的友好合作，共同進行電吸附技術在石化污水回用領域應用的研究工作，愛思特公司提供設備，齊魯研究院進行污水處理的試驗，發現問題后共同研究、協商，并對電吸附工藝進行改進。從2003年至2005年期間，使用愛思特公司提供的EMK300、EMK300B、EMK320和EMK400產品，分別對齊魯石化乙烯污水處理場I、II系列低含鹽生化出水、黃河水和齊魯石化煉油實業部二凈化污水處理場生化出水進行除鹽試驗，試驗結果表明：采用電吸附除鹽技術可以將中水和凈水中的鹽含量按需求進行去除，并且可以達到陰、陽離子同時去除，與此同時電吸附除鹽設備可以保持長周期穩定運行。現將這三年的工作按項目總結如下：

 

1、2003年乙烯污水回用脫鹽試驗

2003年乙烯污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK300和EMK300B。流程為兩級模塊串聯，間歇運行，處理規模為1m3/h。第一級使用EMK300B，有50×6=300對模塊，第二級使用EMK300，有50×3=150對模塊，每對模對的尺寸為300×1800mm，因此，模塊的總面積為234m2，單位面積連續處理水量為2.14L/m2/h。試驗全部采用手動操作。試驗流程見表1：

表1 EMK300B和EMK300模塊串聯試驗結果

	COD/mg.L-1	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產水率/%	模對電壓/V
進水	20.7	2500	628	400	217	2.7	66.7	1.40
出水	15.0	800	106	118	40.3
去除率,%	27.5	68.0	83.1	70.4	81.4

表1的試驗結果表明：采用EMK300B和EMK300模塊串聯處理乙烯污水（電導率為2500μS/cm，處理水量1m3/h），模對電壓為1.4V時除鹽效果明顯；電導率去除率為68%時，鈣硬的去除率為83.1%，氯離子的去除率為70.4%，硫酸根去除率為81.4%，而且電吸附模塊對COD有去除能力，去除率可以達到27.5%，此時，產水率為66.7%，生產每噸水的電耗為2.7度電。
 

乙烯污水脫鹽試驗中存在的問題：

 

• 模塊啟動電流過大，可以達到110A，電器部分負荷很大，需要采用較大的變壓器；
• 外接變壓器，間歇式手動調壓，調壓的準確度低，電壓調整時，電流會明顯增加，說明電耗在明顯增加；
• 短接放電時，電流過大，由于放電電流達到300A以上，發生過電器元件過載的現象，而且此部分能量白白浪費掉，增加了單位產水的成本；
• EMK300模塊是方形，反洗時，頂部常漏水，說明模塊承壓能力差；
• EMK300B模塊的電極數量為300模塊的2.0倍，單獨使用時EMK300B模塊的處理效果較EMK300模塊差，事后證明該模塊存在串水現象；
• 由于生化出水電導率過高（約13000μS/cm），電吸附脫鹽試驗所用的原水為自來水與生化出水的配水，不能完全說明證明電吸附模塊抗化工污水污染的能力；
• 電吸附模塊的試驗周期較短，能否在工業應用中長期連續運行需要驗證。
   

2、2004年煉油污水回用脫鹽試驗

2004年煉油污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK320。流程為兩級模塊串聯，間歇運行，處理規模為1m3/h。每一級均有59×2=118對模塊，每對模對的尺寸為300×1800mm，因此模對的總面積為127.44m2，單位面積連續處理水量為3.92L/m2.h。試驗結果見表2。

 

該電吸附脫鹽裝置較2003年使用的有如下幾個方面的改進：

• 電吸附模塊設計成長方體，并增設加強筋，使模塊具有一定的承壓能力，戰地面積也大大減少；
• 電吸附脫鹽裝置除鹽過程實現了自動和手動兩種方式運行；
• 模塊啟動時可以按要求自動增加電壓，電路系統中設置了限流，可避免電流過大，因此變壓器相對較小；
• 短接放電采用電阻放電，設置銅排，有效地避免了電器元件過載的現象，同時還可以將模塊中的電盡快放掉；
• 電吸附裝置工作23小時后，增加0.5小時的反洗時間，該部分水可以回到原水池中，不降低產水率。此措施用于降低模塊因連續工作而產生的無機鹽積累；
• 電吸附裝置工作若干個周期時，將中間水池中的反洗水PH調至3，在反洗的濃水排放期間內使用一次，可有效提高電吸附裝置的工作效率，此措施用于解決電吸附模塊再生是否完全問題；
• 設備運行一段時間后進行徹底酸洗，用于徹底消除電吸附脫鹽裝置的無機鹽積累問題。

 

表2 EMK320模塊串聯處理煉油污水試驗結果

	COD/mg.L-1	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產水率/%	模對電壓/V
進水	37.8	1239	131.3	196.1	159.3	1.8	66.7	1.31
出水	14.0	297	44.7	36.1	26.2
去除率,%	63	76.0	75.3	81.6	83.5

表2的試驗結果表明：采用EMK320模塊串聯處理乙烯污水（電導率為1239μS/cm，處理水量1m3/h），模對電壓為1.31V時除鹽效果明顯；電導率去除率為76.0%時，鈣硬的去除率為75.3%，氯離子的去除率為81.6%，硫酸根去除率為83.5%，而且EMK320電吸附模塊對COD去除能力較好，去除率可以達到63.0%，此時，產水率為66.7%，生產每噸水的電耗為1.8度電。

 

3、2004年黃河水脫鹽試驗

2004年黃河水脫鹽試驗使用的電吸附模塊與2004年煉油污水回用脫鹽試驗使用的是同一塊電吸附模塊，間歇運行，處理規模為1.4m3/h，單位面積連續處理水量為5.49L/m2.h，試驗結果見表3。

表3 EMK320模塊串聯處理黃河水試驗結果

	電導/μS.cm-1	鈣硬/mg.L-1	氯離子/mg.L-1	硫酸根mg.L-1	噸水電耗/度	產水率/%	模對電壓/V
進水	976	216	114	136	1.01	75	1.36
出水	414	81	38	47
去除率,%	57.6	62.3	66.6	65.8

表3的試驗結果表明：采用EMK320模塊串聯處理黃河水（電導率為976μS/cm，處理水量1.4m3/h），模對電壓為1.36V時除鹽效果明顯；電導率去除率為57.6%時，鈣硬的去除率為62.3%，氯離子的去除率為66.6%，硫酸根去除率為65.8%，由于處理水量增大40%，因此處理效果低于煉油污水，但可以滿足要求，此時，產水率為75%，生產每噸水的電耗僅為1.01度電。
 

煉油污水和黃河水脫鹽試驗中存在的問題：

• 單組電吸附模塊每天需要增加半小時的清洗時間，操作較為繁瑣，當模塊進行長周期運轉并投入工業化時，需要較大的原水池。
• 電吸附模塊中離子的積累較快，酸洗頻率為3～4天一次，過于頻繁，不利于工業應用中的長周期連續運行。
• 短期放電時，放電電阻較熱，此部分能量白白浪費掉，對降低產水成本不利。
• 由于二凈化生化出水電導率過高（約2000μS/cm），預計將來二凈化生化出水電導率為1300μS/cm，電吸附脫鹽試驗所用的原水為自來水與生化出水1：1的配水，不能完全說明電吸附脫鹽裝置具有耐煉油污水污染的能力。
• 煉油污水脫鹽試驗單組模塊連續運行的時間為144h，黃河水脫鹽試驗單組模塊連續運行的時間為200h，運行時間相對較短，而且未能進行兩組模塊的連續運行試驗，因此，電吸附模塊能否長周期連續運行仍然需要驗證。
   

4、2005年煉油污水回用脫鹽試驗

4.1 EMK400電吸附模塊簡介

2005年煉油污水回用脫鹽試驗使用的電吸附模塊的型號為EMK400。由于EMK400電吸附模塊集成技術上面取得了重大突破，使電吸附核心模塊和整個系統在結構和配置上更趨合理，性能有了很大程度的提高，因而帶動系統的投資有了較大幅度的下降。另外，在電吸附模塊的運行方式上進行了改進，避免了EMK320模塊的加洗和酸洗，使操作更為簡單合理，同時還有利于連續的長周期運轉。試驗流程為A、B兩組單級模塊，交替運行，連續產水，規模為1.4m3/h。A、B兩組模塊均有50×2=100對模塊模對的尺寸為600×1800mm，因此，模塊的總面積為216m2，單位面積連續處理水量為6.48L/m3.h。

4.2 EMK400電吸附模塊的改進

• 將過去的一組模塊間歇生產改為兩組模塊連續生產，對于煉油污水（電導率為1500μS/cm），處理規模可以達到1.4m3/h以上；
• 改進了電吸附模塊的結構設計，使核心材料的能力得以充分發揮，因此減少了模塊的需要量，試驗流程也由過去的兩級處理改為單級處理，這對模塊的再生極為有利，同時降低了投資；
• 實現了部分能量回收。將A組模塊再生時釋放的電能施加給B組模塊，從而實現部分能量的回收，使模塊工作的耗電量下降，B組模塊得到了預充電，啟動電流大幅度降低，這不僅降低了運行成本，而且使供電系統的負荷大幅度降低，從而降低了配電系統的投資；
• 改進了電吸附模塊的供電方式，將過去的50對電極施加75V電壓該為100對電極施加155V電壓，就是將兩個電阻由并聯該為串聯，從而大幅度減少了模塊的工作電流，使供電回路所需的電源、銅排、接觸器及其它輔助材料成本有了較大幅度地降低；
• 將電吸附模塊進水的PH值調到5.8～6.2，可有效地避免電吸附模塊的經常性酸洗；
• 每日一次用原水更換中間水池的水，是降低電吸附模塊的積累有效措施之一，從而保證電吸附模塊長時間的穩定運行；
• 每周斷電運行兩小時，也可以有效降低電吸附模塊的積累，為電吸附模塊長時間的穩定運行提供保障；
• 通過采取電能回收時間內工作通水、增加再生靜置時間、縮短短接排污時間和短接再生時間來有效地提高產水率，并保證出水水質不受較大的影響。

4.3 2005年煉油污水回用脫鹽試驗情況

2005年煉油污水回用脫鹽試驗9月25日開始調試，10月9日8點開始連續運行，至11月19日8點的41天（984小時）時間里，該設備連續運行的時間為928小時，約38.7天，其它為停電26小時、維修18小時（模塊漏水）、斷電運行8小時、啟動 及清洗水池4小時。由于受煉油廠新原油灌區排水影響，二凈化車間排水電導率在2500～5200μS/cm范圍波動，因此，在進行電吸附脫鹽試驗時只能根據來水情況將原水配成電導率為1400μS/cm左右的試驗水進行脫鹽試驗，10月9日至10日14時采用自來水與污水服配作為電吸附進水，10月10日14時至11月8日8時采用電吸附出水與污水復配作為電吸附進水，11月8日8時至試驗結束的11月19日8時來水電導率在1500μS/cm左右，電吸附進水全部采用煉油廠二凈化污水進行試驗。

4.4 EMK400電吸附模塊工作情況

EMK400電吸附模塊工作時A、B兩組模塊交替運行，EMK400電吸附模塊2005年11月9日8：00至16：00工作時原水與A、B兩組交替工作時出水電導率（在線電導監測數據）的變化情況。

 

來水電導率基本保持不變，A、B兩組模塊的出水電導率則呈現規律性變化，因此，出水經過一段時間的停留，可以保持最終出水的連續和穩定。電流和電壓的變化也呈現出了較好的規律。電流的正負值表示施加在模塊上電流的正向與反向。

4.5 EMK400電吸附模塊試驗結果

電吸附模塊在試驗初期電導率的去除率為58.6%，試驗結束時電導率的去除率仍達到58.4%，期間未對模塊進行酸洗或其它處理措施，由此可以說明采取了降低進水PH值、每日一次用原水更換中間水池水和每周斷電運行兩小時幾項措施后，電吸附模塊對污水電導率去除率在連續運行38.7天的時間里沒有明顯的下降，說明模塊中離子的積累現象已被消除，并且可以保持長時間的連續穩定運行。

4.5.1 實際污水脫鹽試驗情況

試驗期間對模塊電壓、產水率進行了條件試驗。電吸附模塊處理煉油二凈化污水在流量為1.4m3/h、產水率為75%、模對電壓為1.55V、使用煉油實際污水進行試驗時（11月8日至18日），氯離子（每日分析數據）

采用EMK400電吸附模塊煉油實際污水時，來水電導率基本保持在1500μS/cm左右，在十天的試驗時間里出水電導率也基本保持穩定，在630μS/cm左右，電導率的去除率相對比較穩定，在58%左右。由圖子變化及去除率曲線與電導率基本相同，無明顯變化。由此可以說明EMK400電吸附模塊在處理煉油實際污水時可以連續穩定運行。

4.5.2 試驗結果總結

將試驗期間各條件下的試驗結果的平均值列于表4，其中1#使用的原水為二凈化污水與EST產水的配水；2#～4#使用的原水全部為二凈化污水。

表4 EMK400單級模塊處理煉油污水試驗結果

編號	流量m3/h	酸	COD/mgL-1			/mg.L-1			SO42/mg.L-1			電導率/μS.cm			噸水 耗電 量度
			進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%	進水	出水	去除率,%
1#	1.4	HCL	38.1	28.6	24.9	287.6	103.1	64.2				1343	570	57.6	1.47
2#	1.4	HCL	33.8	15.9	53.0	255.9	95.9	62.5	73.0	39.0	45.8	1483	59.3	59.3	1.56
3#	1.4	H2SO4	52.5	30.2	42.5	241.0	92.0	61.8	144.0	73.0	49.4	1552	58.8	58.8	1.64
4#	1.6	H2SO4	77.6	53.9	30.5	194.3	79.2	59.2	163.4	90.1	44.9	1518	54.0	54.0	1.53

表4的試驗結果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水時，來水電導率越高則產生每噸水的耗電量越高，而且使用鹽酸和使用硫酸調PH值時，各項指標的去除率沒有明顯的變化，因此，對于氯離子要求較高的回用水質，需要使用硫酸調PH值。
表4的試驗結果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水，在產水率為75%、流量為1.4m3/h、使用硫酸調PH值的情況下，電導率去除率為58.8%，氯離子去除率為61.8%，硫酸根去除率為49.4%，噸水耗電量為1.64度電。如果降低出水水質，即電導率去除率為54%的情況下，處理水量可以達到1.6m3/h，氯離子去除率為59.2%，硫酸根去除率為44.9%，此時噸水耗電量為1.53度電。
試驗中使用硫酸調PH值時，對來水COD進行控制，表4 的試驗結果表明：采用單級EMK400模塊處理煉油污水時，雖然來水COD達到了52.5mg/L，甚至達到了77.6mg/L，均沒有影響到電吸附模塊的脫鹽效果，而且對COD仍有一定的去除能力，去除率可以達到30%以上，說明EMK400電吸附模塊對COD具有較好的耐受性。
綜上所述，將2003年至2005年電吸附模塊處理各種污水的試驗結果匯總見表5。

表5 電吸附模塊處理實驗結果匯總表

項目	原水	運行方式	處理水量m3/h	模塊	模塊 電壓V	產水率,%	原水電導μS.cm	單位模對面積處理水量L.h3/h	COD去除率,%	電導率去除率,%	氯離子去除率,%	噸水電耗量度
2003年乙烯污水	配水	間歇	1.0	EMK310+EMK300	70	66.7	2500	2.14	27.5	68.0	70.4	2.8
2004年煉油污水	配水	間歇	1.0	EMK310+EMK310	77	66.7	1239	3.92	63.0	76.0	81.6	1.8
2004年黃河水	實際水	間歇	1.4	EMK310+EMK310	80	75	976	5.49		57.6	66.6	1.01
2005年煉油污水	實際污水	連續	1.4	EMK400	155	75	1552	6.48	42.5	58.8	61.8	1.64

在2003年至2005年期間的試驗，采用電吸附模塊處理污水取得了如下幾個方面發進步：

• 電吸附模塊由處理配水到處理實際污水，使試驗數據更具代表性。
• 處理水量由間歇式1m3/h到連續式1.4m3/h，并且可以保證連續長周期穩定運行。
• 電吸附模塊由EMK300升級到EMK400，單位模對面積處理水量由2.14L/m2.h提高到6.48L/m2.h，模塊的工作處理效率得以提高，與此同時，工作流程由兩級簡化到一級，雖然除鹽率下降17.2%，但可以滿足回用要求，因此，大大節省了電吸附模塊的投資。
• 由過去的50對電極施加75V電壓改為100對電極施加155V電壓，從而大幅度減少了模塊的工作電流，減少了電器方面的投資。建議繼續進行技術改進，達到200對電極施加310V電壓時，電器方面的投資還會降低。
• 產水率由66.7%提高到75%，使該技術更具實用性。建議繼續進行技術研究，充分利用電吸附模塊的放電電流來提高產水率，同時還可以降低噸水電耗量。
• 在相同水質的情況下，噸水電耗量下降了25%，提升了電吸附水技術的競爭能力。

由此可以可以得到以下幾個方面的結論：

• 1.EMK400電吸附除鹽裝置對有機物具有較大的耐受性，能夠處理石化污水。
• 2.試驗結果表明：電吸附除鹽方式可以用于石化污水的除鹽，通過加強控制，EMK400電吸附模塊可以保持長時間的連續穩定運行。
• 3.EMK400電吸附除鹽裝置對于石化行業污水具有較好的除鹽能力，對于那些不需要完全除鹽而且要求平衡地去除陰陽離子的水質來說，電吸附不失為一種較好的選擇。
• 4.EMK400電吸附除鹽裝置對水質的處理效果是可以控制的，在產水率為75%、流量為1.4m3/h、使用硫酸調PH值的情況下，電導率去除率為58.8%，氯離子去除率為61.8%，硫酸根去除率為49.4%，噸水耗電量為1.64度電。如果降低出水水質，即電導率去除率為54%的情況下，處理水量可以達到1.6m3/h，氯離子去除率為59.2%，硫酸根去除率為44.9%，此時噸水耗電量為1.53度電。