作為用水和排水大戶(hù)，火電廠(chǎng)在節約用水、分質(zhì)梯次用水、廢水處理后回用上起到示范帶頭作用，意義重大。為了防止火電廠(chǎng)廢水對外界水體的污染，目前，火電廠(chǎng)廢、污水處理正從一般治理逐步走向“零排放（ZLD）”的深度處理。

火電廠(chǎng)排放的廢水按照含鹽量的不同可分為3類(lèi)：一是含鹽量較少的廢水，如生活污水、含油廢水等，可經(jīng)過(guò)相應的處理后回用；二是含鹽量中等的廢水，如循環(huán)水排污水等，一般采用軟化-超濾-反滲透系統處理后回用。三是末端高鹽廢水，如脫硫廢水、反滲透濃水等，目前常采用軟化-濃縮減量-蒸發(fā)結晶的零排放處理，以脫硫廢水為代表的末端高鹽廢水處理難度較大，花費高昂。電滲析（ED）作為一種傳統的脫鹽技術(shù)，具有濃縮倍率高、濃縮液量較少、能耗較低和占地面積小的優(yōu)勢，常用于海水制鹽工業(yè)中。但近些年來(lái)，隨著(zhù)ED技術(shù)的不斷發(fā)展和零排放的不斷推進(jìn)，其在火電廠(chǎng)高鹽廢水的處理和資源化利用上受到越來(lái)越多的研究和應用。

1、ED的原理和性能

近些年來(lái)，ED技術(shù)逐漸在廢水處理及零排放工藝中展現出獨特的優(yōu)勢。

ED的原理如圖1所示。

ED系統主要由電極、離子交換膜、隔板、輔助墊片等組成，并被液壓裝置壓緊在機架上。含鹽水經(jīng)過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入ED膜堆，并通過(guò)隔板將鹽水分布在各個(gè)淡水室，在兩極板的強電場(chǎng)作用下，鹽水中的陰陽(yáng)離子發(fā)生定向移動(dòng)，陰離子穿過(guò)陰離子交換膜遷移到濃室，繼續遷移時(shí)受到陽(yáng)離子交換膜的阻擋而停留在濃室，陽(yáng)離子亦然。隨著(zhù)離子的遷移，濃水室的含鹽量越來(lái)越大，淡水室的含鹽量越來(lái)越小，達到出水條件后在各自水箱中溢流排出。

評價(jià)ED最直觀(guān)的性能在于淡水回收率、電流效率、脫鹽能力和使用壽命等因素。除了自然條件外，進(jìn)出水流速和模式、離子含量和種類(lèi)、電流密度和離子交換膜的性質(zhì)等，均深深影響著(zhù)ED設備的性能。

郭春禹等采用國產(chǎn)低含量淡化均相ED設備，考察了不同操作條件下的單程脫鹽率，研究表明，膜堆的單程脫鹽率隨著(zhù)進(jìn)水含鹽量、流速的增大而降低，隨著(zhù)電流密度的增加而升高，脫鹽率隨水中離子種類(lèi)變化順序為：NaCl>Na2SO4>NaCl+Na2SO4>NaCl+MgSO4>NaHCO3>MgSO4。這為ED處理水質(zhì)較雜的脫硫廢水提供了一定的經(jīng)驗數據。

由于離子在離子交換膜中的傳質(zhì)速率遠大于在水中，因此隨著(zhù)電流密度的不斷升高，膜兩側會(huì )出現濃差極化現象，導致能耗的增加及膜破壞的可能，因此工作電流密度應在極限電流密度之下。MENG等研究表明，膜堆的最大工作電流密度應處于極限電流密度的70%～80%。

離子交換膜是ED最核心的部分，幾乎決定著(zhù)ED系統的性能。李麗等實(shí)驗對比了中外5家生產(chǎn)商制備的離子交換膜除鹽性能，結果表明，其中AGC傳質(zhì)性能較好、能耗較低，應用于純鹽濃縮工藝更占優(yōu)勢。

王天成通過(guò)計算流體動(dòng)力學(xué)方法對隔網(wǎng)形狀進(jìn)行模擬研究，研究發(fā)現，采用菱形隔網(wǎng)可使進(jìn)水分布更均勻，傳質(zhì)更均勻，流動(dòng)死區更小，從而減緩濃差極化，降低能耗。

如此多的因素影響了ED膜堆的性能，無(wú)疑增加了其理論計算，限制了其實(shí)用和推廣，因此建立ED的傳質(zhì)模型是非常有必要的。祝海濤等綜述了Maxwell-Stefan等6種ED傳質(zhì)模型，對比了各個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了ED模型未來(lái)的研究方向在于采用仿真工具并結合經(jīng)驗方程和系數，進(jìn)一步優(yōu)化ED的傳質(zhì)模型。

2、ED在火電廠(chǎng)水處理中的應用

除了應用于海水淡化及海水制鹽外，ED還廣泛用于火電廠(chǎng)的水處理工藝中。自上世紀70年代起，ED常用于鍋爐補給水的脫鹽處理中，如上海崇明發(fā)電廠(chǎng)、吳淞發(fā)電所和保定石油化工電廠(chǎng)等。運行結果顯示ED脫鹽效果較好，水回收率較高，大大地減輕了離子交換系統的負擔。但是限于當時(shí)技術(shù)的不成熟如膜易破損、出現黃水、易結垢和除硅效果差等，以及反滲透在脫鹽處理中的迅速成熟，ED在工業(yè)水處理中未能大量使用。據BURN等統計，截止到2015年，在全球水脫鹽處理總容量中，反滲透技術(shù)約占65%，多級閃蒸占21%，而ED僅占3%。

但是近些年來(lái)，隨著(zhù)ED技術(shù)的不斷研究和優(yōu)化，在火電廠(chǎng)水處理中也得到更多的研究和應用。陳文婷等通過(guò)中試研究了頻繁倒極電滲析（EDR）處理電廠(chǎng)循環(huán)水排污水（硬度739mg/L，電導率3.039mS/cm），結果表明，在產(chǎn)水率高于80%的前提下，脫鹽率大于80%，出水水質(zhì)（硬度162mg/L，電導率0.5696mS/cm）優(yōu)于循環(huán)水回用水質(zhì)標準，能耗為1.93kW?h/t。謝春玲等通過(guò)中試驗證了雙膜法ED組合的工藝處理循環(huán)水排污水的可行性，通過(guò)ED處理RO濃水，淡水回至RO進(jìn)水，系統總回收率高達96.1%。

目前，ED在火電廠(chǎng)水處理中最成熟的應用是與離子交換法結合成電去離子（EDI）技術(shù)，其有機結合了ED與離子交換的特點(diǎn)，具有除鹽率高、無(wú)需化學(xué)藥劑再生、自動(dòng)化程度高、運行成本低等優(yōu)勢，廣泛應用于鍋爐補給水、凝結水精處理等系統的深度除鹽工藝中。然而，EDI至今在超純水制備中仍占據較小份額，傳統的離子交換樹(shù)脂法市場(chǎng)比例仍接近于90%，相應的市場(chǎng)規模仍然需求巨大。

近幾年來(lái)，隨著(zhù)火電廠(chǎng)脫硫廢水等末端高鹽廢水零排放的不斷推進(jìn)，形成了以“預處理-濃縮減量結晶蒸發(fā)”為主的零排放水處理工藝。脫硫廢水水質(zhì)波動(dòng)大，硬度大、懸浮物和鹽含量高且復雜，處理困難。電廠(chǎng)普遍采用三聯(lián)箱技術(shù)、雙堿法等預處理技術(shù)，后續常采用管式微濾膜和中空纖維超濾等進(jìn)一步除硬和除濁。濃縮減量技術(shù)是廢水零排放工藝的關(guān)鍵所在，關(guān)乎著(zhù)零排放系統的工藝、投資和運行。濃縮減量技術(shù)可分為熱法和膜法，熱法主要包括機械蒸汽再壓縮（MVR）、低溫多效蒸發(fā)（LTMED）和多級閃蒸（MSF）等，膜法主要包括高壓反滲透膜（SWRO）、碟管式反滲透膜（DTRO）、正滲透（FO）和ED等。較多研究者如AMSHAWEE、YAQUB和韋鋒濤等對比了各種濃縮減量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及能耗，總結見(jiàn)表1。

由表1可知，熱法技術(shù)成熟，但能耗高、設備有腐蝕風(fēng)險，膜法濃縮不涉及水分子的相變反應，能耗較低，自動(dòng)化水平較高，適用于當下智能電廠(chǎng)、電站的建設。在膜濃縮工藝中，FO技術(shù)濃縮倍率高、出水鹽含量可控，已應用于華能長(cháng)興電廠(chǎng)，其電耗約為10kW?h/m3，但相對于RO和ED，其能耗依然略高，且存在汲取劑再生的問(wèn)題。以DTRO為代表的高壓反滲透具有能耗低、脫鹽率高、出水水質(zhì)好且技術(shù)成熟的優(yōu)勢，已應用于國電漢川電廠(chǎng)和華電包頭電廠(chǎng)等。但是高壓反滲透依然面臨著(zhù)不可忽視的劣勢――濃液含鹽量低（質(zhì)量分數10%～15%），離蒸發(fā)結晶的適宜進(jìn)水鹽含量（質(zhì)量分數約25%）差距依然較大，這無(wú)疑提高了蒸發(fā)結晶段的能耗和規模。

為了改善這個(gè)問(wèn)題，ED這一傳統的脫鹽工藝再一次得到應用與發(fā)展。因為RO是將比例極大的水透過(guò)膜從溶液中擠壓出來(lái)，而ED是電場(chǎng)力直接作用在離子上，隨著(zhù)離子遷移完成分離過(guò)程。因此ED具有更高的濃縮效率。實(shí)驗表明，ED濃水的鹽的質(zhì)量分數可達20%以上，盡管仍未達到適宜的結晶蒸發(fā)進(jìn)水量，但ED較大程度上減少了高鹽廢水的量，大大降低了后續零排放的成本和難度，提高了水的回收率（可達90%以上）。

2011年，RICK等使用ED技術(shù)濃縮海水淡化RO濃水，ED濃水進(jìn)行蒸發(fā)結晶處理，這是文獻記載的首次使用ED的零排放系統。李恩超通過(guò)DTRO和ED分別濃縮不同含鹽量的脫硫廢水的RO濃水，研究表明，DTRO的淡水水質(zhì)更好，能耗略低，水回收率處于66%～80%，然而ED回收率高達73%～96%，可大大減小后續零排放階段的成本。盧劍等在對某海水直流冷卻電廠(chǎng)脫硫廢水進(jìn)行零排放實(shí)驗，脫硫廢水TDS的質(zhì)量濃度為12.58g/L，經(jīng)過(guò)預處理-管式微濾-反滲透處理后，產(chǎn)品水可回用至工業(yè)用水，隨后的ED濃縮系統可將鹽的質(zhì)量分數為7%的RO濃水濃縮至21%，系統回收率高達90%，且采用恒壓運行時(shí)未發(fā)現ED離子交換膜的污染和結垢現象，系統運行較為穩定。

另外，ED的能耗也略低，華電章丘電廠(chǎng)使用NF+ED工藝濃縮脫硫廢水，ED進(jìn)水為NF產(chǎn)水電導率約22mS/cm，ED將其濃縮至170mS/cm，后續經(jīng)旁路煙氣蒸發(fā)的零排放處理，ED段噸水能耗為1～2k?Wh/m3，且系統運行穩定，調試完成后含鹽量有望濃縮至20%以上。由于大多數有機物會(huì )呈現電中性，并不能荷電穿過(guò)離子交換膜，而是隨著(zhù)淡水排出，因此減小了膜的堵塞風(fēng)險，也降低了進(jìn)水條件的苛刻性，一定程度上減小預處理的成本。

以上種種數據表明，ED在高鹽廢水的濃縮減量上具有較大優(yōu)勢，在火電廠(chǎng)高鹽廢水的零排放處理中具有很大的應用前景。

3、新型離子交換膜的應用前景

經(jīng)過(guò)濃縮減量后較少量的濃液常使用蒸發(fā)結晶和煙道蒸發(fā)等零排放技術(shù)。盡管實(shí)現了廢水的零排放，但也帶來(lái)了一定的弊端。如旁路煙道蒸發(fā)和煙道噴霧蒸發(fā)技術(shù)利用煙氣將廢水蒸發(fā)后，雜鹽隨煙氣進(jìn)入除塵器，一方面或會(huì )增大除塵器負荷、影響粉煤灰品質(zhì)，另一方面有可能影響鍋爐效率、腐蝕煙道。相比于煙氣蒸發(fā)，蒸發(fā)結晶的零排放技術(shù)投資和運行成本更高。MVR、MED技術(shù)將廢水固液分離后，產(chǎn)生了以NaCl、Na2SO4為主的雜鹽固廢，處理難度較大。

為了將雜鹽資源化，李宏秀等使用納濾（NF）工藝將電廠(chǎng)脫硫廢水中的一、二價(jià)鹽進(jìn)行分離，除去二價(jià)鹽的廢水經(jīng)DTRO-MVR零排放工藝處理，得到了質(zhì)量分數為99.2%的NaCl，優(yōu)于精制工業(yè)鹽一級標準。

總體來(lái)說(shuō)，目前所使用的熱法結晶技術(shù)依然面臨著(zhù)能耗高、投資高、占地大、易結垢、維修困難且有副產(chǎn)品產(chǎn)生等問(wèn)題。

如何既能在廢水零排放的同時(shí)又能將雜鹽進(jìn)行資源化，且消耗較少的能耗，雙極膜電滲析（BMED）為此提供了一定的思路。BMED的膜單元不僅包括陰陽(yáng)離子交換膜，還具有能夠快速催化解離水的雙極膜，在電場(chǎng)力的作用下，陰陽(yáng)離子定向移動(dòng)，和雙極膜解離水生成的H+和OH分別在酸室和堿室生成相應的酸和堿，其典型的三隔室構型原理如圖2所示。

若使用BMED技術(shù)將火電廠(chǎng)脫硫廢水等高鹽末端廢水轉化為酸和堿，或可回用至幾個(gè)方面：1）酸堿溶液用于脫硫廢水預處理系統；2）堿液代替石灰石作為脫硫劑用于脫硫過(guò)程；3）酸液或可用作陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的再生劑。

夏敏對BMED處理脫硫廢水做出了系統的研究，運行過(guò)程中發(fā)現酸室鹽含量逐漸平衡，而堿室鹽含量先升高后降低，并指出造出這一現象的原因是酸室泄露造成的，導致鹽室pH降低及堿含量降低。為解決這一現象，在鹽室中增加1張陰離子交換膜組成4隔室雙極膜電滲析，并對脫硫廢水的DTRO濃水（TDS的質(zhì)量濃度116.7g/L）進(jìn)行了實(shí)驗，在電流密度分別為30、50mA/cm2工況下，分別得到了0.8、1.1mol/L的HCl-H2SO4的混酸溶液和0.85、1.2mol/L的NaOH溶液，系統能穩定運行且未發(fā)現結垢現象。隨后其課題組對BMED進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟上的評估。

在酸液的回用上，YANG等使用BMED產(chǎn)生的混酸溶液用于控制RO膜結垢問(wèn)題。WANG等將BMED所產(chǎn)酸堿用于離子交換樹(shù)脂的再生。在投資和運行成本上，BADRUZZAMAN等分別對RO濃水的4種處理工藝進(jìn)行了經(jīng)濟性評估，結果顯示BMED工藝的投資和運行費用遠低于蒸發(fā)池、蒸發(fā)結晶及電解制氯工藝，且產(chǎn)物具有一定的經(jīng)濟效益。

以上研究表明，BMED在火電廠(chǎng)脫硫廢水零排放的資源化處理上表現出較大的應用前景。目前，BMED雙極膜造價(jià)昂貴、混酸的回收方向以及膜堆淡鹽水回水去向依然需要進(jìn)一步的研究。

基于新型離子交換膜的ED技術(shù)在高鹽廢水處理及零排放工藝也具有廣闊的研究?jì)r(jià)值及應用空間，如選擇性電滲析（SED）。與ED不同的是，SED采用單價(jià)選擇性離子交換膜，根據單價(jià)離子交換膜對一價(jià)離子更強的親和能力以及不同離子在膜中的遷移速度，實(shí)現鹽的分離和濃縮，其原理如圖3所示。

SED對于脫硫廢水的零排放處理具有優(yōu)勢：1）既能濃縮鹽又能分離鹽，更容易實(shí)現脫硫廢水雜鹽的分離，如和納濾工藝配合，可獲得較高純度的NaCl，便于資源化；2）由于單價(jià)選擇性離子交換膜表現出對二價(jià)離子較低的親和能力，因此SED具有更高的抗結垢性能；3）理論上SED比ED具有更高的鹽濃縮性能。

陳靜等對比了NF膜（DOW）和SED膜（AGC）對濃海水一、二價(jià)離子的分離性能，研究表明，SED對陽(yáng)離子的分離效果遠優(yōu)于NF，對陰離子的分離效果略低于DL2540（DOW）納濾膜，NF的優(yōu)勢在于截留二價(jià)鹽，SED的優(yōu)勢在于回收一價(jià)鹽。

CHEN等將選擇性電滲析膜與雙極膜結合成集濃縮、分離、制備酸堿于一體的選擇性雙極膜電滲析（BMSED），并在不同操作條件下對RO濃海水進(jìn)行處理，在進(jìn)水鹽的質(zhì)量濃度105g/L，采用10mA/cm2恒電流操作時(shí)，可獲得2mol/L的酸堿溶液，其質(zhì)量分數均大于99.99%。

施小林等根據SED的抗結垢性能，設計了基于離子選擇性電滲析的脫硫廢水的零排放系統，其特點(diǎn)是三聯(lián)箱預處理階段pH無(wú)需加堿至11，廢水中投加石灰至pH為9～9.5，經(jīng)絮凝、沉淀和過(guò)濾后不經(jīng)過(guò)管式膜微濾，直接進(jìn)入SED系統，濃鹽水TDS的質(zhì)量濃度大于200g/L，最后進(jìn)入蒸發(fā)結晶系統。此系統大大降低了脫硫廢水零排放處理的藥耗和能耗。但脫硫廢水水質(zhì)和水量情況復雜，此工藝或需進(jìn)一步的實(shí)驗驗證。

盡管諸多的研究表明離子交換膜未結垢或未發(fā)現結垢，但實(shí)際上膜結垢仍然是制約ED推廣應用的主要原因。目前，除了化學(xué)清洗外，為提高膜堆的抗結垢風(fēng)險，很多研究將電脈沖、超聲、微波及磁場(chǎng)等與ED相結合，如EDR，脈沖電場(chǎng)電滲析等。此外，置換電滲析（EDM）在抗結垢上也具有較大的優(yōu)勢，EDM和ED的離子交換膜并無(wú)不同，只是將2股不同的溶液分在相間的隔室進(jìn)入，在電場(chǎng)力的作用下不同溶液的陰陽(yáng)離子分別進(jìn)入相鄰隔室發(fā)生置換反應，其原理如圖4所示。

基于這個(gè)思想，在脫硫廢水濃縮處理中，EDM可將易于結垢的CaSO4、CaCO3等轉化為易溶的CaCl2，從根本上避免了離子交換膜潛在的結垢風(fēng)險，濃室中分別得到氯型濃液和鈉型濃液，有望提高脫硫廢水的濃縮倍率。晉銀佳和曹含等對此種工藝進(jìn)行了探索。

以上研究數據均表明，基于新型離子交換膜的ED技術(shù)在火電廠(chǎng)的高鹽廢水零排放和資源化上表現出巨大的應用潛力和研究?jì)r(jià)值，國家和企業(yè)應進(jìn)一步推動(dòng)ED在火電廠(chǎng)廢水零排放上的應用，積累經(jīng)驗數據，優(yōu)化改進(jìn)，以獲得更廣泛的應用。

4、結語(yǔ)

與其他脫鹽技術(shù)對比，ED在高鹽廢水的濃縮減量階段表現出了濃縮倍率高、濃縮液量較少、自動(dòng)化水平高、能耗較小等優(yōu)點(diǎn)；新型的ED技術(shù)也展現出巨大的應用前景，如BMED用于高鹽廢水濃縮液的資源化處理、SED對脫硫廢水的分鹽濃縮以及EDM對脫硫廢水的抗結垢濃縮。

基于以上的優(yōu)勢，ED在電廠(chǎng)廢水處理及零排放的應用上是一種較為理想的脫鹽技術(shù)，但目前依然受到限制：1）一次性投資高，尤其是均相離子交換膜價(jià)格高昂，且主要核心技術(shù)依然被國外企業(yè)所壟斷（AGC、ASTOM），限制了ED大范圍的應用；2）運行數據資料的匱乏，盡管ED用于脫硫廢水的組合工藝設計和實(shí)驗研究較多，但在火電廠(chǎng)脫硫廢水濃縮減量中實(shí)際應用的資料依然較少，部分電廠(chǎng)仍處于實(shí)驗和設計階段；3）新型ED技術(shù)的不成熟性，如BMED處理脫硫廢水混酸的回用，酸室泄露、EDM兩股混鹽濃液的后處理等問(wèn)題仍需要長(cháng)時(shí)間的探討和研究。

針對這些問(wèn)題，隨著(zhù)ED在高鹽廢水濃縮減量中不斷應用和數據的積累，ED技術(shù)在火電廠(chǎng)脫硫廢水零排放工藝中會(huì )趨向成熟，巨大的市場(chǎng)需求將刺激國內高端離子交換膜的研發(fā)和制備，以提高離子交換膜的使用壽命、降低離子交換膜價(jià)格，完善基于經(jīng)驗或半經(jīng)驗的理論研究，從而使得ED獲得更大的應用。此外，未來(lái)的工作還將指向ED與其他技術(shù)的先進(jìn)耦合，如與誘導結晶、電解制氯以及電吸附等技術(shù)連用，開(kāi)發(fā)更低能耗、更高環(huán)保、更長(cháng)壽命的火電廠(chǎng)高鹽廢水零排放技術(shù)，以提高資源和能源可持續性。（來(lái)源：華電水務(wù)工程有限公司）