资源短缺一直是制约整个社会可持续发展的关键问题。社会生活节奏的加快产生了大量生活污水，实现污水的达标排放及资源回收是可持续发展的必然趋势。由于传统生化处理的局限性，城市二级出水中仍含有一定量的氮磷和其他无机，造成水体富营养化并产生较高的盐度，影响了水体的净化功能且难以实现污水回用。废水的“零排放”是指废水经适当处理后实现回用，不再向周边环境排放任何液态废弃物。为了达到二级出水的“零排放”，目前常见的处理方法主要有化学沉淀法、吸附法等。化学沉淀法需投加化学试剂易造成二次污染，且形成的沉淀需要进一步处理；吸附剂复杂的反洗过程和短暂的使用寿命则限制了吸附法的使用。因此，需要研究更加有效的，节能环保的二级出水深度处理技术。电渗析（electrodialysis，ED）是一种有效的脱盐处理工艺，它以外加电场为驱动力，利用离子交换膜的选择透过特性实现淡化室内溶液中特定离子的去除。该方法不会产生沉淀和二次污染，同时通过离子迁移入浓缩室内可实现磷等资源的浓缩回收。笔者主要研究了利用恒压电渗析技术处理城市二级出水的可能性。本研究以硝酸盐和磷酸盐作为典型氮磷营养物，以氯化钠作为典型无机盐模拟二级出水的电导率。通过实验考察了流速、电压和浓缩室电导率对脱盐率和氮磷回收率等的影响。本研究可为电渗析技术更加有效地处理二级出水提供理论依据和技术支持。
1实验材料和方法
1.1材料
本实验所用药品均购自中国国药集团，溶液由去离子水配制。阴离子交换膜（AEM）（NeoseptaAMX）和阳离子交换膜（CEM）（NeoseptaCMX）购自日本Astom公司，膜的主要特性如表1所示。
表1离子交换膜的主要特性

注：表中数据由离子交换膜厂家提供。
1.2实验装置及运行
电渗析所用电极为钛涂钌电极，采用3组膜对结构。如图1所示，从阴极到阳极，按顺序交替放置CEM和AEM，最后用CEM与阳极室隔开，膜有效面积为25cm2。膜之间用1mm厚硅胶板隔开分别作为电极室、淡化室和浓缩室。各腔室与储水瓶用硅胶管相连形成4个独立的闭合回路，分别用蠕动泵（BT100-2F，朗格）循环。电化学工作站（CHI660e，上海辰华）提供恒定电压，反应器各腔室的电导率用电导率仪（DDS-307A，上海雷磁）测定，离子浓度利用离子色谱仪（ICS-900，Doniex）测定。

图1电渗析法处理城市二级出水的原理示意图
1.3反应器运行
电极液为0.1mol/L硫酸钠溶液，淡化室内为250mL模拟城市二级出水，其中氯离子质量浓度为355mg/L，硝酸根（以N计，下同）质量浓度为30mg/L，磷酸根（以P计，下同）质量浓度为10mg/L。
实验采用恒电压模式，在流速分别为8、16mL/min的条件下，分析流速对脱盐过程的影响；控制流速为8mL/min，改变电压为6V和3V，研究不同电场强度对脱盐过程的影响；保持电压和流速不变，改变浓缩室溶液电导率，分析浓缩室离子强度对脱盐过程的影响。运行时间通过监测淡化室电导率控制，当电导率<1μS/cm时，反应结束。
电渗析过程第i种离子的脱盐率（Di）和回收率（Ri）可按如下公式计算。

式中：Cd，0、Cd，f——分别为淡化室内i离子初始质量浓度和最终质量浓度，mg/L；
Cc，_______f——浓缩室内i离子最终质量浓度，mg/L；
Vd——淡化室溶液体积，L；
Vc——浓缩室溶液体积，L。
2实验结果与讨论
2.1流速对电渗析过程的影响
电压为6V时，不同流速下电渗析对二级出水的脱盐效果如图2所示。

图2不同流速下淡化室氯离子、硝酸根和磷酸根浓度变化
实验结果表明，当流速为8mL/min时，运行11h后，淡化室中电导率降低至1μS/cm，其中氯离子、硝酸根、磷酸根去除率分别为99.1%、96.7%和98.9%，相应的去除速率分别为31.8mgCl/（L·h）、2.5mgN/（L·h）和0.8mgP/（L·h）。当流速为16mL/min时，实验进行6h即达到处理要求，氯离子、硝酸根、磷酸根去除率分别为99.9%、99.6%和99%，去除速率分别为59.1mgCl/（L·h）、5mgN/（L·h）和1.7mgP/（L·h）。由此可见，较大的流速可有效缩短运行时间，提高去除速率，并保持较高的去除效率，达到理想的脱盐效果。这主要是由于流速增大，导致腔室中溶液流动加快，减小了离子交换膜两侧的边界层，使离子与膜接触更充分，加快了离子迁移，从而提高了去除速率。
氮磷是农业生产中重要的营养元素，其中磷是有限的矿物元素，实现氮磷资源的回收再利用对社会发展具有重要的意义。本研究利用电渗析通过离子迁移实现氮磷在浓缩室的浓缩回收。图3为浓缩室各离子浓度的变化。

图3不同流速下浓缩室3种离子的浓度变化
实验结果表明，当流速为8mL/min时，氯离子在11h内浓缩3.51倍，其质量浓度达到1230.7mg/L；硝酸盐和磷酸盐质量浓度分别达到54.1、20.3mg/L，回收率分别为76.8%和87.7%；浓缩室电流效率为77.3%。当流速为16mL/min时，6h内氯离子质量浓度达到1264.9mg/L；硝酸盐和磷酸盐质量浓度分别达到64.2、20.9mg/L，回收率分别为85.6%和83.6%，电流效率为86.0%。可以看出，当流速增大时，硝酸盐和磷酸盐回收率均有提升，电流效率提高。当实验结束后对离子进行物料平衡分析，由于淡化室内电导率非常小，基本不存在氮磷等离子，基于离子交换膜的离子交换解析的原理，可知一部分氮磷仍存在离子交换膜的通道里，当流速增大时，离子交换膜的边界层较窄，可以加速离子传递转移，从而使氮磷的回收率变大。
2.2电压对电渗析过程的影响
当电渗析以恒定电流运行时，随着淡化室离子浓度降低，在离子交换膜表面会发生较强烈的水解离来维持恒定电流。恒压模式下，电流可以随溶液电阻不断变化来降低浓差极化影响。流速为8mL/min、电压为3V时淡化室和浓缩室中3种离子浓度变化如图4所示。

图4电压为3V时淡化室和浓缩室中3种离子浓度变化
实验结果表明，在电压为3V条件下，实验进行了17h，氯离子、硝酸根和磷酸根去除率分别为96.9%、99.5%和98.4%，相应的去除速率分别为20.2mgCl/（L·h）、1.5mgN/（L·h）和0.6mgP/（L·h），计算可知，氮和磷的回收率分别为78.5%和78.4%，实验的电流效率达到88.8%。与电压为6V时相比〔图2（a）、图3（a）〕可知，外加电场越强，电渗析中离子迁移越快；在低电压下，运行时间明显延长，去除速率明显降低，这主要是因为在电场力较低的情况下，离子迁移速度较慢，电渗析的离子交换能力较弱〔12〕；低电压时磷酸根的回收率下降且没有达到最终平衡状态，这主要是由于磷酸根水合半径较大，导致磷的相对扩散较慢，造成膜对磷的较多吸附。
2.3浓缩室电导率对电渗析过程的影响影响电渗析效率的因素主要有反应器构型、流速和系统电阻等。上述实验证明，提高流速可以有效提高污染物的去除速率和回收效率。根据Kohlrausch经验公式可知，溶液离子浓度越小，溶液电导率越小，电阻越大。由于淡化室电阻不可避免地随着二级出水“零排放”的实现而逐渐变大，为了减小浓缩室离子浓度对脱盐和资源回收的影响，本研究通过改变初始浓缩室电导率来研究浓缩室电阻对实验效果的影响。为了避免初始浓缩室电导率过低导致电阻过大，实验选取NaCl浓度分别为5、10、20mmol/L。图5是3种条件下的电流变化（E=6V，Q=16mL/min）。

图5 浓缩室电导率不同时电流的变化
实验结果表明，当NaCl浓度为5mmol/L时，运行时间更久（t=8h）。当NaCl浓度分别为5、10、20mmol/L时，初始电流分别为23.8、25.2、30.7mA，反应开始后电流逐渐降低，且后续的电流曲线差别很小，但NaCl浓度较高时，电流值比较大。当NaCl浓度分别为5、10、20mmol/L时，能量消耗分别为7.4×10-4、7.84×10-4、8.16×10-4kW·h/L。由此可见，电渗析中由浓度差形成的扩散迁移影响较弱，提高浓缩室NaCl浓度对电流影响很小，这主要是由于当电渗析待处理废水（二级出水）确定后，淡化室内离子浓度随实验进行变小，离子迁移速率降低，所以电渗析装置的处理能力由外加电场大小决定。为了更好地达到二级出水的“零排放”，加入离子交换树脂增大溶液电导率的电除盐技术（electrodeionization），或者增大电渗析装置的离子交换膜的有效面积等可以作为后续的研究继续进行。
3结论
采用电渗析处理二级出水，对可能影响电渗析效果的相关因素进行了分析。
（1）流速对电渗析过程有显著影响。当流速增大时，溶液流动加快，减小了离子交换膜两侧的边界层，使废水离子与膜接触更充分，加快了离子迁移，从而提高了去除速率。
（2）电压对电渗析过程有显著影响。当电压增大时，离子迁移速度较快；当电压较小时，由于磷的迁移速度较慢，导致磷的回收率下降。
（3）浓缩室电导率（非空白时）对电渗析没有显著影响。当原水为二级出水，且离子浓度逐渐降低时，系统的电阻主要集中在淡化室。