離子交換法和全膜法技術(shù)應(yīng)用比較

鐘文波

[摘 要]本文通過工藝、運(yùn)行、成本等方面進(jìn)行了離子交換法和全膜法技術(shù)的應(yīng)用比較，主要介紹了水處理工藝中使用的全膜法裝置的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及與離子交換法的比較，并指出了全膜法技術(shù)在發(fā)電行業(yè)化學(xué)水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的。

[關(guān)鍵詞]離子交換 超濾 反滲透 電滲析 應(yīng)用

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）29-0366-02

1 前言

由于水處理設(shè)備的工藝是根據(jù)不同的入水水質(zhì)和出水要求而設(shè)計(jì)的，針對不同的原水水質(zhì)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)水處理方案才是最經(jīng)濟(jì)有效的方案，同時(shí)也是出水水質(zhì)長期穩(wěn)定達(dá)到要求的保證。

在70年到80年代末離子交換法在我國除鹽水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其在使用中具有預(yù)處理要求簡單、工藝成熟，出水水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備初期投入低，應(yīng)用區(qū)域運(yùn)行成本較低的優(yōu)點(diǎn)。從80年末開始，膜法水處理在我國得到了廣泛應(yīng)用，全膜法工藝就是除鹽處理工藝的膜法水處理工藝之一，其在應(yīng)用過程中具有技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定、有效的優(yōu)點(diǎn)，尤其是與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比，膜技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、勞動強(qiáng)度低、易于自動控制、不需酸堿再生、徹底取消了再生酸堿儲運(yùn)和再生設(shè)施、無再生污染產(chǎn)生、工藝過程潔凈、不需污水處理設(shè)施、水的回收率高、可進(jìn)入系統(tǒng)再利用、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 工藝比較

2.1 離子交換法

1）離子交換處理工藝流程：

河水→泵站→5000m3原水池→原水泵→水力循環(huán)澄清池→無閥濾池→1000m3清水池→工業(yè)水泵→機(jī)械過濾器→陽離子交換器→脫二氧化碳塔→中間水箱→中間水泵→弱陰離子交換器→強(qiáng)陰離子交換器→除鹽水箱→除鹽泵→鍋爐用水

2）流程簡介：

河水經(jīng)廠外補(bǔ)給水泵送入廠區(qū)5000m3水池再經(jīng)水泵進(jìn)入水力循環(huán)澄清池及無閥濾池進(jìn)行預(yù)處理直流入1000m3清水池，再通過工業(yè)水泵經(jīng)雙層機(jī)械過濾器送水至陽床上部，在床中與強(qiáng)酸陽樹脂接觸，樹脂將Ca2+、Mg2+、Na+、K+、等陽離子從水中置換到樹脂上，除去陽離子后的水從塔下流出并送入脫CO2塔上部，在塔內(nèi)與塑料多面空心球接觸形成水膜，HCO3-很快分解成CO2和H2O，通過風(fēng)機(jī)將CO2從塔頂吹除，從而大大減輕陰床的負(fù)荷。脫除CO2的水進(jìn)入中間水箱，中間水泵將水送入弱陰床及強(qiáng)陰床，在床中與弱堿及強(qiáng)堿陰樹脂接觸，樹脂將水中SO42-、Cl-、NO3-等陰離子置換到樹脂上，水中的陰離子被除去。經(jīng)一級除鹽后的水經(jīng)除鹽泵送至鍋爐。

交換過程中，陽床、陰床因交換劑飽和而失效，這時(shí)由再生系統(tǒng)對陽床、陰床進(jìn)行再生。再生結(jié)束進(jìn)入下一周期，再生廢水經(jīng)處理合格后外排。

3）流程單元說明：

預(yù)處理：

水力循環(huán)澄清池

河水經(jīng)水力循環(huán)澄清池經(jīng)混凝沉淀將濁度降低至5NTU。

無閥濾池：

澄清池出水經(jīng)無閥濾池將濁度進(jìn)一步降低至5NTU以下。

機(jī)械過濾器

從清水箱來水經(jīng)機(jī)械過濾器將濁度進(jìn)一步降低至2NTU以下，避免污泥在后續(xù)床層上積聚，影響樹脂交換能力。

預(yù)除鹽

陽床：

經(jīng)陽床交換后，原水中98%的陽離子將被除掉，而變成軟水，陽床出水呈酸性。陽床運(yùn)行周期一般設(shè)計(jì)為24～48小時(shí)，若要更長時(shí)間，則設(shè)備和樹脂將增大，不經(jīng)濟(jì)。在運(yùn)行周期內(nèi)一般要設(shè)計(jì)小反洗，避免水流將樹脂層壓實(shí)，而影響樹脂交換能力。失效后的陽樹脂可以用鹽酸或硫酸進(jìn)行再生，本例以鹽酸為再生劑。

脫碳塔：

一般來說地下水堿度都在100mg/l以上，所以經(jīng)陽床脫除金屬離子后，碳酸氫根轉(zhuǎn)化成大量的CO2，設(shè)置脫碳塔的目的就是將CO2去除。經(jīng)脫碳塔后的CO2含量會在5mg/l，這樣大大降低陰床的負(fù)荷。

弱陰床

弱陰床的作用是減少對強(qiáng)堿陰樹脂的污染。

陰床：

陰床的作用原理與使用要求與陽床類似，只是去的是陰離子。陰樹脂失效后選用氫氧化鈉再生。

上述過程為一級除鹽水，它的電導(dǎo)率<5μs/cm，SiO2<0.1mg/l，能滿足中壓鍋爐給水要求。

廢水處理

中和池：陽床、弱陰床、陰床再生的過程都會產(chǎn)生酸堿廢水，直接外排將對環(huán)境造成污染，所以必須收集起來，經(jīng)處理合格后外排。中和池起到收集廢水、調(diào)節(jié)廢水、中和廢水的作用。

再生系統(tǒng)

酸、堿貯槽、再生泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)及噴射器共同完成再生過程供液、計(jì)量的作用。

2.2 全膜法

1）全膜法工藝流程：

河水→泵站→5000m3原水池→原水泵→水力循環(huán)澄清池→無閥濾池→1000m3清水池→工業(yè)水泵→多介質(zhì)過濾器→活性炭過器→超濾→保安過濾器→一級反滲透→反滲透后的預(yù)脫鹽水箱→升壓泵→脫碳器→EDI升壓泵→EDI模塊→出水

2）流程簡介

河水經(jīng)澄清池及無閥濾池處理后由工業(yè)水泵送到多介質(zhì)過濾器降低濁度，在活性炭過器中降低COD，膠體及有機(jī)大分子的含量?；钚蕴砍鏊偎椭脸瑸V及保安過濾器進(jìn)行最后的預(yù)處理，使原水SDI<5mg/l，滿足反滲透（RO）主機(jī)的進(jìn)水要求。經(jīng)保安過濾器后的合格水由高壓泵送至RO主機(jī)反滲透進(jìn)行除鹽處理。反滲透膜截留下的有機(jī)物、膠體和鹽無機(jī)鹽由濃水側(cè)直接排掉，不會給環(huán)境造成污染。產(chǎn)品水由膜清水側(cè)送出至脫碳塔，除去滲透至清水的二氧化碳?xì)怏w。脫氣后的一級除鹽水送至EDI裝置進(jìn)行最后的精除鹽。

3）流程單元說明：

預(yù)處理

全膜法的預(yù)處理要求比離子交換法嚴(yán)格，主要目的是解決如下問題：

（1）防止反滲透膜面結(jié)垢（包括CaCO3、CaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2、鐵、鋁氧化物等在膜面沉積）；

（2）防止膠體物質(zhì)及懸浮固體微粒污堵；

（3）防止有機(jī)物的污堵；

（4）防止氧化性物質(zhì)對膜的氧化破壞；

（5）保證進(jìn)水水溫，保持反滲透裝置產(chǎn)水量穩(wěn)定。

該過程主要包括加熱器、加藥裝置、多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、保安濾器等設(shè)備。

換熱器：

由于反滲透裝置產(chǎn)水量隨水溫變化較大（一般溫度每變化一度，反滲透膜元件產(chǎn)水量變化2.5%），因而為保證冬季系統(tǒng)供水量，本工藝配置一臺換熱器。

多介質(zhì)過濾器：

多介質(zhì)過濾器，用于截留水中的懸浮物和膠體雜質(zhì)，降低反滲透進(jìn)水濁度，過濾器一般出水濁度≤1NTU。

活性炭過濾器：

濾器內(nèi)裝填凈水專用顆?；钚蕴?，用于吸附水中余氯和有機(jī)物，降低進(jìn)水COD含量，活性碳過濾器出水的余氯（PPm）<0.1?；钚蕴窟^濾器反洗以設(shè)備運(yùn)行時(shí)間（或壓差）來控制反沖洗周期。

阻垢劑投加系統(tǒng)：為防止硬度離子及膠體等雜質(zhì)在反滲透膜面上結(jié)垢，特在反滲透裝置進(jìn)水中添加阻垢劑，加藥量一般為3～4mg/l，具體由進(jìn)水水質(zhì)決定。

保安過濾器：

反滲透裝置前配置保安過濾器，以防止顆粒進(jìn)入高壓泵及RO膜組件，損傷高壓泵部件和劃傷反滲透膜表面.保安過濾器濾芯采用外層精度為10μm，內(nèi)層精度為3～5μm。

超濾（UF）

超濾是一種以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動力的機(jī)械篩分膜分離技術(shù)，采用中空纖維膜的操作形式，可有效去除水中的懸浮物、膠體微粒、細(xì)菌和大部分病毒等雜質(zhì)，確保反滲透等設(shè)備的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行。

一級除鹽：

高壓泵：

高壓泵是反滲透膜實(shí)現(xiàn)物理分離過程的動力源，目前低壓膜的運(yùn)行壓力在1.5Mpa以內(nèi)。

反滲透（RO）主機(jī)：

反滲透（RO）主機(jī)是一級除鹽的心臟部分，由滲透膜、膜殼和輔助閥門和儀器組成。反滲透膜已發(fā)展到超低壓、低污染的復(fù)合膜，單根膜脫鹽率達(dá)99.5%。在RO裝置運(yùn)行期間，設(shè)間斷自動快沖沖洗。經(jīng)反滲透處理的產(chǎn)品水可達(dá)到電導(dǎo)率<10μs/cm，SiO2<0.2mg/l。

反滲透裝置清洗：

在長期運(yùn)行過程中，反滲透膜面上總會日積月累水中存在的各種污染物。從而使裝置的性能（產(chǎn)水量和脫鹽率）下降，組件進(jìn)、出口壓差升高。為此，除日常啟停裝置前，進(jìn)行低壓沖洗外，還需進(jìn)行定期化學(xué)清洗。

化學(xué)清洗流程如下：

清洗水箱→清洗泵→清洗過濾器→反滲透裝置

↑-------------------------------↓

除碳器：

由于反滲透對二氧化碳等氣體去除率低，所以在RO的產(chǎn)品水送到脫碳器是必要的，這樣可大大提高EDI的使用周期。

精除鹽

EDI（電去離子）：

EDI屬于連續(xù)運(yùn)行設(shè)備，不存在運(yùn)行周期問題，系統(tǒng)出水電阻率達(dá)到14-15MΩ/cm（相當(dāng)于0.06-0.07μS/cm）而且水質(zhì)穩(wěn)定.EDI采用電再生與制水同步進(jìn)行，不使用酸堿再生，也就減免了這部分費(fèi)用和污染物的排放。

3、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行比較（以河水為原水，生產(chǎn)200m3/h除鹽水（5MΩ.cm）為例）

1）設(shè)備投資（表1）

2）工藝酸堿、酸耗量：（表2）

結(jié)論

比較離子交換制水系統(tǒng)，全膜法工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、有效提升了出水水質(zhì)，完全能滿足中溫中壓鍋爐的補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。出水水質(zhì)控制指標(biāo)為：電導(dǎo)率<0.1μS/cm；SiO2<20μg/l；硬度≈0。

2、采用膜法工藝，河水電導(dǎo)不再成為使用的瓶頸。

3、全膜法工藝可連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)超純水，無需備用，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。

4、全膜法工藝不需酸、堿再生，徹底取消了再生酸堿儲運(yùn)和再生設(shè)施；

5、全膜法工藝無再生廢水產(chǎn)生，工藝過程潔凈，不需污水處理設(shè)施；

6、全膜法工藝由于取消了酸堿再生系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)；

7、全膜法工藝設(shè)備自動化程度高，運(yùn)行操作簡單，勞動強(qiáng)度低。

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