電滲析技術(shù)詳解！

     電滲析(eletrodialysis,簡稱ED)技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種,它將陰、陽離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間,并用特制的隔板將其隔開,組成除鹽(淡化)和濃縮兩個系統(tǒng),在直流電場作用下,以電位差為動力,利用離子交換膜的選擇透過性,把電解質(zhì)從溶液中分離出來,從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。

     電滲析技術(shù)的研究始于德國,1903年,Morse和Pierce把2根電極分別置于透析袋內(nèi)部和外部溶液中,發(fā)現(xiàn)帶電雜質(zhì)能迅速地從凝膠中除去;1924年,Pauli采用化工設(shè)計的原理,改進(jìn)了Morse的實驗裝置,力圖減輕極化,增加傳質(zhì)速率。但直到1950年Juda首次試制成功了具有高選擇性的離子交換膜后,電滲析技術(shù)才進(jìn)入了實用階段,其中經(jīng)歷了三大革新：
     (1)具有選擇性離子交換膜的應(yīng)用;
     (2)設(shè)計出多隔室電滲析組件;
     (3)采用頻繁倒極操作模式。
     現(xiàn)在離子交換膜各方面的性能及電滲析裝置結(jié)構(gòu)等不斷革新和改進(jìn),電滲析技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段,其應(yīng)用前景也更加廣闊。
     電滲析器由隔板、離子交換膜、電極、夾緊裝置等主要部件組成。離子交換膜對不同電荷的離子具有選擇透過性。陽膜只允許通過陽離子,阻止陰離子通過,陰膜只允許通過陰離子,阻止陽離子通過。在外加直流電場的作用下,水中離子作定向遷移。由于電滲析器是由多層隔室組成,故淡室中陰陽離子遷移到相鄰的濃室中去,從而使含鹽水淡化。在食品及醫(yī)藥工業(yè),電滲析可用于從有機(jī)溶液中去除電解質(zhì)離子,在乳清脫鹽、糖類脫鹽和氨基酸精制中應(yīng)用得都比較成功。
     電滲析作為一種新興的膜法分離技術(shù),在天然水淡化,海水濃縮制鹽,廢水處理等方面起著重要的作用,已成為一種較為成熟的水處理方法。
     下面，介紹幾種電滲析技術(shù)
     電滲析水處理方法
     1、倒極電滲析(EDR)
     倒極電滲析就是根據(jù)ED原理,每隔一定時間(一般為15～20min),正負(fù)電極極性相互倒換,能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢,以確保離子交換膜工作效率的長期穩(wěn)定及淡水的水質(zhì)水量。在20世紀(jì)80年代后期,倒極電滲析器的使用,大大提高了電滲析操作電流和水回收率,延長了運(yùn)行周期。EDR在廢水處理方面尤其有獨到之處,其濃水循環(huán)、水回收率最高可達(dá)95%。
     2、液膜電滲析(EDLM)
     液膜電滲析是用具有相同功能的液態(tài)膜代替固態(tài)離子交換膜,其實驗?zāi)Ｐ途褪怯冒胪覆ＡЪ垖⒁耗と芤喊瞥杀訝畹母舭?然后裝入電滲析器中運(yùn)行。利用萃取劑作液膜電滲析的液態(tài)膜,可能為濃縮和提取貴金屬、重金屬、稀有金屬等找到高效的分離方法,因為尋找對某種形式離子具有特殊選擇性的膜與提高電滲析的提取效率有關(guān)。提高電滲析的分離效率,直接與液膜結(jié)合起來是很有發(fā)展前途的。例如,固體離子交換膜對鉑族金屬(鋨、釕等)的鹽溶液進(jìn)行電滲析時,會在膜上形成金屬二氧化物沉淀,這將引起膜的過早損耗,并破壞整個工藝過程,應(yīng)用液膜則無此弊端。
     3、填充床電滲析(EDI)
     填充床電滲析(EDI)是將電滲析與離子交換法結(jié)合起來的一種新型水處理方法,它的最大特點是利用水解離產(chǎn)生的H+和OH-自動再生填充在電滲析器淡水室中的混床離子交換樹脂,從而實現(xiàn)了持續(xù)深度脫鹽。它集中了電滲析和離子交換法的優(yōu)點,提高了極限電流密度和電流效率。1983年Ke2dem.o.及其同事們提出了填充混合離子交換樹脂電滲析過程除去離子的思想,1987年,Mlillpore公司推出了這一產(chǎn)品。填充床電滲析技術(shù)具有高度先進(jìn)性和實用性,在電子、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,可望成為純水制造的主流技術(shù)。
     4、雙極性膜電滲析(EDMB)
     雙極膜是一種新型離子交換復(fù)合膜,它一般由層壓在一起的陽離子交換膜組成,通過膜的水分子即刻分解成H+和OH-,可作為H+和OH-的供應(yīng)源。雙極性膜電滲析突出的優(yōu)點是過程簡單,能效高,廢物排放少。目前雙極性膜電滲析工藝的主要應(yīng)用領(lǐng)域在酸堿制備。例如,用雙極性膜和陽膜配成的二室膜可以實現(xiàn)有機(jī)酸鹽(葡萄糖酸鈉、古龍酸鈉等)的轉(zhuǎn)化,同時得到堿(NaOH),但濃度(酸最大濃度2mol?L-1,堿最大濃度6mol?L-1)和純度兩方面都受到限制?，F(xiàn)在開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域還有廢氣脫硫、離子交換樹脂再生、鉀鈉的無機(jī)過程等。
     5無極水電滲析
     無極水電滲析是傳統(tǒng)電滲析的一種改進(jìn)形式,它的主要特點是除去了傳統(tǒng)電滲析的極室和極水。例如在裝置的電極緊貼一層或多層離子交換膜,它們在電氣上都是相互聯(lián)接的,這樣既可以防止金屬離子進(jìn)入離子交換膜,同時又防止極板結(jié)垢,延長電極的使用壽命。由于取消了極室,無極水排放,大大提高了原水的利用率。無極水電滲析于1991年問世,在應(yīng)用過程中技術(shù)不斷改善,現(xiàn)裝置在運(yùn)行方式上多采用頻繁倒極的形式。目前,無極水全自動控制電滲析器已在國內(nèi)20個省、市使用,近來,還遠(yuǎn)銷東南亞。

     高濃度氨氮廢水處理！

     過量氨氮排入水體將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，降低水體觀賞價值，并且被氧化生成的硝酸鹽和亞硝酸鹽還會影響水生生物甚至人類的健康。因此，廢水脫氮處理受到人們的廣泛關(guān)注。

     目前，主要的脫氮方法有生物硝化反硝化、折點加氯、氣提吹脫和離子交換法等。
     消化污泥脫水液、垃圾滲濾液、催化劑生產(chǎn)廠廢水、肉類加工廢水和合成氨化工廢水等含有極高濃度的氨氮（500mg/L以上，甚至達(dá)到幾千mg/L），以上方法會由于游離氨氮的生物抑制作用或者成本等原因而使其應(yīng)用受到限制。
     高濃度氨氮廢水的處理方法可以分為物化法、生化聯(lián)合法和新型生物脫氮法。
     在堿性條件下，利用氨氮的氣相濃度和液相濃度之間的氣液平衡關(guān)系進(jìn)行分離的一種方法。一般認(rèn)為吹脫效率與溫度、pH、氣液比有關(guān)。
     控制吹脫效率高低的關(guān)鍵因素是溫度、氣液比和pH。
     在水溫大于25℃,氣液比控制在3500左右，滲濾液pH控制在10.5左右，對于氨氮濃度高達(dá)2000～4000mg/L的垃圾滲濾液，去除率可達(dá)到90%以上。
     吹脫法在低溫時氨氮去除效率不高。
     采用超聲波吹脫技術(shù)對化肥廠高濃度氨氮廢水（例如882mg/L）進(jìn)行了處理試驗。最佳工藝條件為pH＝11，超聲吹脫時間為40min，氣水比為l000:1試驗結(jié)果表明，廢水采用超聲波輻射以后，氨氮的吹脫效果明顯增加，與傳統(tǒng)吹脫技術(shù)相比，氨氮的去除率增加了17％～164％，在90％以上，吹脫后氨氮在100mg/L以內(nèi)。
     為了以較低的代價將pH調(diào)節(jié)至堿性，需要向廢水中投加一定量的氫氧化鈣，但容易生水垢。同時，為了防止吹脫出的氨氮造成二次污染，需要在吹脫塔后設(shè)置氨氮吸收裝置。
     在處理經(jīng)UASB預(yù)處理的垃圾滲濾液（2240mg/L）時發(fā)現(xiàn)在pH＝11.5，反應(yīng)時間為24h，僅以120r/min的速度梯度進(jìn)行機(jī)械攪拌，氨氮去除率便可達(dá)95％。
     而在pH＝12時通過曝氣脫氨氮，在第17小時pH開始下降，氨氮去除率僅為85％。
     據(jù)此認(rèn)為，吹脫法脫氮的主要機(jī)理應(yīng)該是機(jī)械攪拌而不是空氣擴(kuò)散攪拌。
     沸石脫氨法
     利用沸石中的陽離子與廢水中的NH4+進(jìn)行交換以達(dá)到脫氮的目的。
     沸石一般被用于處理低濃度含氨廢水或含微量重金屬的廢水。然而，研究結(jié)果表明，每克沸石具有吸附15.5mg氨氮的極限潛力，當(dāng)沸石粒徑為30～16目時，氨氮去除率達(dá)到了78.5%，且在吸附時間、投加量及沸石粒徑相同的情況下，進(jìn)水氨氮濃度越大，吸附速率越大，沸石作為吸附劑去除滲濾液中的氨氮是可行的。
     用沸石離子交換法處理經(jīng)厭氧消化過的豬肥廢水時發(fā)現(xiàn)Na-Zeo、Mg-Zeo、Ca-Zeo、k-Zeo中Na-Zeo沸石效果最好，其次是Ca-Zeo。增加離子交換床的高度可以提高氨氮去除率，綜合考慮經(jīng)濟(jì)原因和水力條件，床高18cm（H/D=4），相對流量小于7.8BV/h是比較適合的尺寸。離子交換法受懸浮物濃度的影響較大。
     應(yīng)用沸石脫氨法必須考慮沸石的再生問題，通常有再生液法和焚燒法。采用焚燒法時，產(chǎn)生的氨氣必須進(jìn)行處理。
     膜分離技術(shù)
     利用膜的選擇透過性進(jìn)行氨氮脫除的一種方法。這種方法操作方便，氨氮回收率高，無二次污染。采用電滲析法和聚丙烯(PP)中空纖維膜法處理高濃度氨氮無機(jī)廢水可取得良好的效果。
     電滲析法處理氨氮廢水2000～3000mg/L，去除率可在85％以上，同時可獲得8.9％的濃氨水。此法工藝流程簡單、不消耗藥劑、運(yùn)行過程中消耗的電量與廢水中氨氮濃度成正比。PP中空纖維膜法脫氨效率＞90％，回收的硫酸銨濃度在25％左右。運(yùn)行中需加堿，加堿量與廢水中氨氮濃度成正比。
     乳化液膜是種以乳液形式存在的液膜具有選擇透過性，可用于液-液分離。分離過程通常是以乳化液膜（例如煤油膜）為分離介質(zhì)，在油膜兩側(cè)通過NH3的濃度差和擴(kuò)散傳遞為推動力，使NH3進(jìn)入膜內(nèi)，從而達(dá)到分離的目的。
     用液膜法處理某濕法冶金廠總排放口廢水（1000～1200mgNH4+-N/L，pH為6～9），當(dāng)采用烷醇酰胺聚氧乙烯醚為表面活性劑用量為4％～6％，廢水pH1.4MAP沉淀法。
     主要是利用以下化學(xué)反應(yīng)：
     Mg2++NH4++PO43-=MgNH4PO4
     理論上講以一定比例向含有高濃度氨氮的廢水中投加磷鹽和鎂鹽，當(dāng)[Mg2+][NH4+][PO43-]>2.5×10–13時可生成磷酸銨鎂（MAP），除去廢水中的氨氮。向氨氮濃度較高的工業(yè)廢水中投加MgCl2?6H2O和Na2HP04?12H20生成磷酸銨鎂沉淀的方法，以去除其中的高濃度氨氮。
     結(jié)果表明，在pH為8.9l，Mg2+，NH4，P043-的摩爾比為1.25:1:1，反應(yīng)溫度為25℃，反應(yīng)時間為20min，沉淀時間為20min的條件下，氨氨質(zhì)量濃度可由9500mg/L降低到460mg/L，去除率達(dá)到95％以上。
     由于在多數(shù)廢水中鎂鹽的含量相對于磷酸鹽和氨氮會較低，盡管生成的磷酸銨鎂可以做為農(nóng)肥而抵消一部分成本，投加鎂鹽的費用仍成為限制這種方法推行的主要因素。
     海水取之不盡，并且其中含有大量的鎂鹽。以海水做為鎂離子源試驗研究了磷酸銨鎂結(jié)晶過程。鹽鹵是制鹽副產(chǎn)品，主要含MgCl2和其他無機(jī)化合物。Mg2+約為32g/L為海水的27倍。用MgCl2、海水、鹽鹵分別做為Mg2+源以磷酸銨鎂結(jié)晶法處理養(yǎng)豬場廢水，結(jié)果表明，pH是最重要的控制參數(shù)，當(dāng)終點pH≈9.6時，反應(yīng)在10min內(nèi)即可結(jié)束。由于廢水中的N/P不平衡，與其他兩種Mg2+源相比，鹽鹵的除磷效果相同而脫氮效果略差。
     化學(xué)氧化法
     利用強(qiáng)氧化劑將氨氮直接氧化成氮氣進(jìn)行脫除的一種方法。折點加氯是利用在水中的氨與氯反應(yīng)生成氨氣脫氨，這種方法還可以起到殺菌作用，但是產(chǎn)生的余氯會對魚類有影響，故必須附設(shè)除余氯設(shè)施。
     在溴化物存在的情況下，臭氧與氨氮會發(fā)生如下類似折點加氯的反應(yīng)：
     Br－+O3+H+→HBrO+O2;
     NH3+HBrO→NH2Br+H2O;
     NH2Br+HBrO→NHBr2+H2O;
     NH2Br+NHBr2→N2+3Br－+3H+。
     用一個有效容積32L的連續(xù)曝氣柱對合成廢水(氨氮600mg/L)進(jìn)行試驗研究，探討B(tài)r/N、pH以及初始氨氮濃度對反應(yīng)的影響，以確定去除最多的氨氮并形成最少的NO3-的最佳反應(yīng)條件。
     發(fā)現(xiàn)NFR(出水NO3--N與進(jìn)水氨氮之比)在對數(shù)坐標(biāo)中與Br-/N成線性相關(guān)關(guān)系，在Br-/N>0.4，氨氮負(fù)荷為3.6～4.0kg/(m3/d)時，氨氮負(fù)荷降低則NFR降低。出水pH＝6.0時，NFR和BrO－-Br（有毒副產(chǎn)物）最少。BrO－-Br可由Na2SO3定量分解，Na2SO3投加量可由ORP控制。
     生化聯(lián)合法
     SHENGWULIANHEFA
     物化方法在處理高濃度氨氮廢水時不會因為氨氮濃度過高而受到限制，但是不能將氨氮濃度降到足夠低（如100mg/L以下）。而生物脫氮會因為高濃度游離氨或者亞硝酸鹽氮而受到抑制。實際應(yīng)用中采用生化聯(lián)合的方法，在生物處理前先對含高濃度氨氮的廢水進(jìn)行物化處理。
     研究采用吹脫-缺氧-好氧工藝處理含高濃度氨氮垃圾滲濾液。結(jié)果表明，吹脫條件控制在pH=95、吹脫時間為12h時，吹脫預(yù)處理可去除廢水中60%以上的氨氮，再經(jīng)缺氧-好氧生物處理后對氨氮（由1400mg/L降至19.4mg/L）和COD的去除率>90%。
     用生物活性炭流化床處理垃圾滲濾液（COD為800～2700mg/L，氨氮為220～800mg/L）。研究結(jié)果表明，在氨氮負(fù)荷0.71kg/(m3/d)時，硝化去除率可達(dá)90％以上，COD去除率達(dá)70％，BOD全部去除。
     以石灰絮凝沉淀+空氣吹脫做為預(yù)處理手段提高滲濾液的可生化性，在隨后的好氧生化處理池中加入吸附劑（粉末狀活性炭和沸石），發(fā)現(xiàn)吸附劑在0～5g/L時COD和氨氮的去除效率均隨吸附劑濃度增加而提高。對于氨氮的去除效果沸石要優(yōu)于活性炭。
     膜-生物反應(yīng)器技術(shù)（MBR）是將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的廢水生物反應(yīng)器有機(jī)組合形成的一種新型高效的污水處理系統(tǒng)。MBR處理效率高，出水可直接回用，設(shè)備少戰(zhàn)地面積小，剩余污泥量少。其難點在于保持膜有較大的通量和防止膜的滲漏。
     利用一體化膜生物反應(yīng)器進(jìn)行了高濃度氨氮廢水硝化特性研究。
     研究結(jié)果表明，當(dāng)原水氨氮濃度為2000mg/L、進(jìn)水氨氦的容積負(fù)荷為2.0kg/(m3?d)時，氨氮的去除率可達(dá)99％以上，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的比硝化速率在半年的時間內(nèi)基本穩(wěn)定在0.36/d左右。