电吸附技术在污水回用处理中应用技术资料新[]

电吸附技术及在污水回用中的应用
技术资料
常州爱思特净化设备有限公司
2008.5
目录
1.前言1
2.污（废）水除盐技术的发展简述1
2.1.应用现状1
2.2.主要问题2
3.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2
3.2.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6
3.3.电吸附除盐装置类型9
3.4.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14
3.6.应用领域15
4.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16
4.2.与常规除盐技术的比较分析与技术优势17
4.3.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20 5.1.某钢铁公司中试20
5.2.某纸业中试24
6.电吸附除盐技术的项目应用26
6.1.项目应用的技术目标和技术关键26
6.1.1.项目应用的技术目标26
6.1.2.项目应用的技术关键26
6.2.电吸附除盐技术在污（废）水回用领域项目应用实例26 6.2.1.某化工集团项目26
6.2.2.某石化项目30
7.电吸附除盐技术的经济分析32
7.1.电吸附除盐项目的经济评价32
7.2.电吸附除盐技术的经济优势33
8.电吸附主要技术的应用前景与发展趋势33
8.1.应用前景33
8.2.发展趋势33
1.前言
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。

因为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）水回用处理方面的项目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（废）水除盐技术的发展简述
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，因为双膜法用于污（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，不仅增加项目的总体投资，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.电吸附除盐技术及其研究与发展
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，而且因为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：
q M=+(8RTε)1/2(C b)1/2sinh(zFΦ2/2RT)（3-1）
其中：q M为电极表面电荷量，ε为溶液介电常数，C b为溶液离子浓度，z为离子电荷数，Φ2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：
q M=k(C b)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(C b)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，因为直流电场的消失，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。

5
m
（3-4）
.C
0.
6
ad
式中：m ad—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
因为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，因为电吸附过程中阴、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
电导率
μS/cm
10分钟
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。

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项目。

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Ⅰ、Ⅱ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.项目化示范引导、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，为项目项目的应用奠定了基础。

2006~2007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项目项目的电吸附除盐项目，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项目，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规模的污水回用项目，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的示范项目，取得了先进的技术经济指标，原水电导率为1000~3000μS/cm时，系统除盐率为60~90%，稳定产水率为75~85%，耗电量为1~2kWh/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
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：1000～5000μS/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：1~2kWh/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1.5V－2.0V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1000~5000μS/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。

因为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
城市/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，COD Cr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COD Cr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80－100μm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。

（Ⅰ）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。

（Ⅱ）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。

（Ⅲ）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。