在工业给水处理过程中，离子交换是除去水中离子态物质的技术，采用离子交换法可制取软水、纯水和超纯水^〔1〕。离子交换技术具有处理程度高、出水水质好、技术成熟、设备简单、管理方便、价格适宜的特点，因而在水处理领域得到了广泛应用。离子交换脱盐装置主要用来降低水中的硬度、碱度和阴阳离子，使其成为软化水、纯水和超纯水。但是，离子交换装置在提供高纯水的同时也会产生大量酸碱废水。

目前对离子交换树脂再生废水的处理方法主要有酸碱中和法、分步沉淀法、Fenton催化氧化法和纳滤法等^〔2-5〕。由于离子交换树脂再生废水属于高盐和高氯离子污水，往往对污水处理系统具有较大的冲击性，因此回收利用离子交换再生废水成为工艺系统设计中的技术问题。与上述方法相比，电渗析技术具有处理工艺简单、设备投资适中、运行成本低、离子交换膜的抗污染性强、对进水水质的要求宽泛的特点，出水水质可以满足《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）回用水标准的要求。

笔者利用电渗析具有在难溶盐超饱和工况下的运行能力，旨在探讨电渗析脱盐处理离子交换树脂再生废水的可行性和对废水中硬度、氯离子、电导率的去除效果以及运行能耗，以期为电渗析脱盐技术工程化应用提供参考。

电渗析（ED）是在直流电场作用下，利用荷电离子膜的反离子迁移原理从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子的过程，是一个以电位差为推动力的膜分离过程。电渗析器内设置多组交替排列的阴、阳离子交换膜，其工作原理如图1所示。

从图1中可以看到在直流电场作用下，阳离子穿过阳膜向负极方向运动，阴离子穿过阴膜向正极方向运动，由此形成淡水室和浓水室。该方法具有在难溶盐超饱和工况下的运行能力，无需酸、碱再生设施，运行成本低，操作简单，出水水质稳定。

试验用电渗析设备由中海油天津化工研究设计院有限公司设计制造，型号为DSA-IV-3X6-160，规格为200 mm×400 mm×0.9 mm，160对膜组成的三级六段膜堆。离子交换膜为磺酸型聚乙烯异相阳离子交换膜和季铵型聚乙烯异相阴离子交换膜。隔板采用聚丙烯单双丝编织的无回路网与隔板框热烫而成，具有水流分布均匀、有效面积大、电耗小的特点。电极采用钛丝涂二氧化钌，既可作阳极，又可作阴极，并且耐腐蚀性能优良，适用水质范围广。整流器型号为TSCA-20/120，直流输出电流20 A，直流输出电压0~120 V，供水泵型号为CHL2-20，扬程18.6 m，流量0.6 m³/h，功率0.37 kW。

试验工艺流程如图2所示^〔6〕，离子交换再生废水通过预处理过滤装置进入原水箱中，再生废水再经过供水泵一次性供给浓水室、淡水室和极水室。通过阀门调节和控制浓水、淡水、极水的进水流量和压力，浓水直接进入浓水箱或者部分浓水循环回到原水箱，极水全部回到原水箱，产品水进入淡水箱。

电渗析试验装置设计成自动倒换电极模式，运行方式采用频繁倒极，倒极周期为26 min，在倒极过程中设定20~30 s时间将浓水室中浓水置换并排放，当再次通电后浓水室就变成淡水室，淡水室变成浓水室。倒极过程中会留出足够时间排出浓水和淡水至浓水箱和淡水箱。这样通过倒换电极可以达到浓、淡水室互换，以造成沉淀水垢的不稳定状态，消除膜表面沉淀物积累，减轻浓水室结垢趋势，还能够有效缓解电渗析浓差极化的发生。由于电极极性频繁倒转，水中带电荷的胶体或菌胶团的运动方向频繁倒转，减轻了黏泥性物质在膜面上的附着和积累^〔7〕。另外，在运行过程中，阳极室产生的酸还可以自身清洗电极，去除阴极表面上的沉淀，从而保障了试验装置的稳定运行。

分别通过整流器的电流表、电压表直接读出工作电流和电压，电导率则由电导率仪测量。脱盐率和耗电量的计算见式（1）、式（2）。

(1)

(2)

式中：f_N——总脱盐率，%；

C₁——进水中盐浓度，mmol/L；

C₂——淡水中盐浓度，mmol/L；

W——单位淡水产量所耗的电功率，kW·h/m³；

I——电流，A；

U——总直流电压，V；

Q——淡水产量，m³/h；

m——整流器效率，按90%~95%计。

根据电渗析装置膜对数、极数、段数和原水电导率以及实验室小试等运行参数，确定总进水流量为0.50 m³/h，其中浓水流量0.20 m³/h，淡水流量0.20 m³/h，极水流量0.1 m³/h。运行压力为浓水0.02 MPa、淡水0.02 MPa、极水0.01 MPa，直流电压为75 V，倒极周期为26 min。试验评价了电渗析对硬度、氯离子、电导率的去除效果和运行能耗。

电渗析试验装置釆用恒定电压、恒定进水流量、极水返回到原水和频繁倒极的方式运行。在实际应用中，电压是一个主要参数，它既关系到电渗析的电流效率也关系到整个运行过程的能量消耗。恒定一定工作电压运行，可以有效避免由于电流过大所造成的电流由电极横向通过临近的膜传到浓水内流道中，并产生热而损坏电极附近隔板和膜的问题。根据实验室小试运行电压与脱盐效率和现场废水电导率，首先将运行电压调整到75 V进行试验，试验进行一段时间后脱盐率开始下降，从80%~85%下降了10%~15%，此时调整电压为85 V，5 min左右脱盐率即可恢复，此时再将电压调回75 V，如此反复运行，累积运行超过500 h。期间进水、产水电导率的变化见图3，电渗析处理离子交换再生废水的平均去除效果见表1。

从图3可以看到，离子交换再生废水电导率在5 300~7 400 μS/cm变化。电渗析平均产水电导率为962 μS/cm。

从表1可以看出，电渗析脱盐处理离子交换再生废水时的脱盐率为85.46%，对总硬度的去除率只有59.38%，但对氯离子的去除率高达91.13%，说明电渗析在脱盐过程中具有选择透过性。产水中氯离子含量能够达到《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）回用水标准中≤250 mg/L的要求。

电渗析运行能耗主要是用于克服膜堆本体内的电阻。根据法拉第定律和欧姆定律，在淡水产量不变的情况下，为得到一定的淡水水质，电渗析能耗和原水含盐量成正比。

在试验过程中，电渗析装置釆用75 V工作电压进行了脱盐率与能耗的评价测试，结果见图4。

从图4可以看出，电渗析运行过程中的平均电流为5.9 A。根据运行参数和式（2），可计算出在进水平均电导率为6 617 μS/cm、脱盐率85.46%时，电渗析产生的单位淡水的能耗是2.46 kW·h/m³（整流器效率按90%计算）。

虽然电渗析装置的设计制造、运行参数的优化和自动倒换电极等手段的控制可以减缓膜污染，但是具有低流速性的有机离子会渗透到膜的空隙与膜的连接处，也会限制其他离子穿过膜。在长期运行过程中，阴、阳离子交换膜表面就会逐渐积累各种污染物，如胶体、微生物、有机物、无机物垢、金属氧化物等一些其他物质。这些物质经过长时间累积会沉积在膜的表面上，也会造成膜表面电阻增加、脱盐率和电流效率下降以及能耗的增加。因此，为保证电渗析装置的长期稳定运行，在试验累计运行超过400 h、脱盐率下降到75%时，进行了停车在线化学清洗，以恢复电渗析的脱盐性能。

首先，用质量分数为1%~2%氢氧化钠+10%氯化钠的碱性溶液进行循环清洗，整个碱洗过程大约90 min；随后，又用质量分数为2%盐酸溶液进行循环清洗，酸洗过程大约100 min，最后用自来水冲洗至中性。从洗后电渗析运行参数看，脱盐率从75%提高到87%，电渗析经过碱洗和酸洗，脱盐性能得到恢复。

电渗析脱盐装置釆用频繁倒极设计，克服了普通倒极电渗析在运行过程中出现的污堵、结垢和出水水质不稳定的现象，整个试验过程运行稳定，产水水质能够达到我国《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）回用水标准的要求。

（1）电渗析脱盐处理离子交换再生废水在技术上可行。对废水的脱盐率、氯离子、总硬度的去除率分别为85.46%、91.13%、59.38%。

（2）电渗析脱盐系统运行参数：倒极周期26 min、直流电压75 V、直流电流5.90 A，能耗2.46 kW·h/m³。

（3）电渗析脱盐系统经过化学清洗，能够将脱盐率从75%提高到87%，脱盐性能得到恢复。