近年来，我国液化天然气(LNG)产业发展迅速，目前国内已建成大型LNG接收站和LNG工厂40余座，年产量超过300×104 t，预计到2015年末，我国LNG年产能将达到750×104 t [1-3]。LNG生产中需使用大量的循环水对冷剂进行冷却，循环冷却水系统的排污量也非常可观。以目前国内产能最大的湖北LNG工厂为例，循环水系统排污量可达1 200 m3/d，占全厂排污总量的95%以上。实际上，该部分废水仅为轻度污染，直接排放不仅造成水资源的浪费，也对下游污水处理厂的运行产生较大冲击，同时不菲的排污费也会对运行成本产生不小的负担。由此可见，有必要将此部分废水进行专门收集和处理，再回用补充循环冷却水系统。
从工艺原理、运行成本进行比选和实地调研，考虑采用电渗析作为循环废水处理的主要工艺，计算确定了各主要设计参数，对各操作参数进行了优选，分析了运行的经济指标。
为使设计数据更为真实可靠，原水水样取自流程、规模近似的循环水系统。原水水质、电渗析装置设计出水水质和循环冷却系统补水水质要求见表 1。
由表 1可见，原水中的Cl-、悬浮物质量浓度，以及硬度和浊度超出了补水要求，需在电渗析装置前端设置预处理单元, 降低其指标。
电渗析废水除盐系统的主工艺流程见图 1。
循环废水经收集后，由提升泵(0.3 MPa)增压进入预处理单元，通过电化学絮凝、斜板沉淀和多介质过滤等方法去除原水中的大部分悬浮物和COD。预处理后的原水由增压泵(0.5 MPa)提升进入超滤单元(0.1 μm)过滤，滤后水经一级增压泵(0.5 MPa)增压进入一级电渗析装置(35 m3/h)，脱盐后浓水进入一级浓水池，淡水进入淡水池储存，其后浓水再提升进入二级电渗析装置，达到75%~80%的脱盐率后，分离出的水再分别进入浓、淡水池储存。最后，淡水回用至循环水系统，浓水进入厂内污水系统外排。
设计产水量Q=50 m3/h；原水ρ(盐)≈1 375 mg/L；处理后淡水ρ(盐)＜250 mg/L；原水水温：32 ℃；其余水质条件见表 1，水质属于碳酸氢盐水型。
根据Wilson[4]提出的在一定的流速和浓度范围内，且温度变化不大的情况下，电渗析装置有如下工艺参数计算式[5]：
式中，Imax为极限电流密度，Am/cm2；Cd为电渗析装置进口盐质量浓度，mg/L；ε为脱盐率，%；I为操作电流密度，Am/cm2；Δp为电渗析装置压降，MPa；n为电渗析装置级数；v为流速，cm/s。
原水水质分析结果表明，水中阴离子主要是Cl-，其次有少量的SO42-离子；阳离子主要是Na+，且总硬度不高，表明该原水属侵蚀型，操作电流取极限电流的92%，总电流效率按95%考虑，系统起始压力按0.2 MPa考虑[6]。
根据式(2)、式(3)计算出不同级数下的系统总脱盐率和总压降，计算结果见表 2。
从表 2可见，适宜本工程的电渗析装置组装形式有：2级和3级，流速4~6 cm/s。用3级装置脱盐，虽脱盐率高，但总体压降较大，整体能耗提高；2级装置能满足设计要求，在5 cm/s的流速下，总脱盐率ε可满足82%的设计值，故装置流速按5 cm/s考虑[7]。
Wilson于1960年提出的极限电流和操作电流计算公式如下[5]：
式中，η为有效系数。
式(6)和式(7)计算所得结果如表 3所示。
调试采用连续进料模式，过程中改变操作电压和运行流量等参数，同时对能耗、电导率、电流效率等技术指标进行实时监测。
根据《给水排水设计手册》第4册《工业给水处理》，对常温下电导率小于1 200 μs/cm的水体，其盐含量(C; mg/L)、水温(t; ℃)与电导率(S; μs/cm)存在如下对应关系：
不同操作电压对电渗析装置出水电导率和运行能耗的影响见图 2。由图 2可见，电压从100 V升高到130 V的过程中，出水电导率显著降低，这是因为提高电压增强了极板间的电流强度和电势差，使得离子迁移速度增大。电压在110 V时，出水电导率稳定在300~350 μs/cm左右。根据式(8)计算结果，该电导率下盐的质量浓度约为210~245 mg/L，满足设计出水指标。如再提升电压，虽电导率会进一步降低，但能耗也明显增加[8]，且增加到一定电压之后，脱盐反而会因为电离水导致结垢而使膜电阻增加。综合比较，110 V为最佳操作电压。
在出水水质达到设计要求的情况下，应尽可能地提高流量。但是盲目提高流量，会使离子来不及在电场作用下进入选择性透过膜就直接流出装置，达不到分离的效果，且容易发生浓差极化的现象，降低电流效率。
在保持电压110 V的情况下调整进水流量，出水电导率和平均电流效率的变化如图 3所示。由图 3可见，在流量逐渐增大的过程中，出水电导率逐渐增加[9]。在流量为60 m3/h时，出水电导率已接近设计临界值；在50 m3/h时，出水电导率保持在300 μs/cm左右，满足设计要求。平均电流效率则随流量的增加逐渐下降，这是因为随着流量的增大，减少了溶液中离子与交换膜接触的时间，导致电流利用效率降低[10]。平均电流效率的计算式如下[11]：
式中，Q为原水流量，m3/h; Cd1，Cd0为原水进出电渗析装置的质量浓度，mg/L; I为电流强度，A; N为组装膜对数。
循环系统排污废水与脱盐处理后的产水效果比较如图 4所示。
装置运行成本主要为：设备电耗、药剂费和折旧费。设备折旧按15年使用期限计算约0.53元/t水[12]；实际电耗约1.1 kW·h/m3，电费若按0.6元/(kW·h)计，药剂费按0.12元/t水计，则直接运行成本为：1.21元/t水。按与当地政府签订的自来水费1.8元/t和排污费1.2元/t计，本装置每天可节约自来水费和排污费约1 650元，年产生经济效益近60万元。
(1) 本装置的最佳运行电压为110 V，流量为50 m3/h，此时的淡水回收率可达到75%~80%，产水各项指标均满足预期设计要求[13]。
(2) 本套电渗析装置经合理设计和优化调试，一次投运成功，出水水质达到预期设计要求，可为以后新建工程提供良好的废水回用经验和基础数据。
(3) 本装置每天可回收900 t的淡水，即每年可节约30×104 t的新鲜水消耗，同时也可减少约30×104 t废水的排放，不仅有良好的经济效益，也具有良好的社会环保效益。
2014, Vol. 43 Issue (6): 689-692, 704
2014, Vol. 43 Issue (6): 689-692, 704