浮動床離子交換除鹽裝置制水量逐步偏低的問題分析及對策

王志良

摘 要：本文通過對浮動床工藝運(yùn)行過程中出現(xiàn)的制水量逐步偏低的問題，從原水水質(zhì)、浮動床差壓、流速、預(yù)處理、有機(jī)物污染、再生劑用量等不同因素進(jìn)行了具體分析，并結(jié)合實際生產(chǎn)提出了相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：浮動床；制水量；原水水質(zhì)；壓差；流速；預(yù)處理；高效纖維過濾器；有機(jī)物污染；再生劑用量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.201

某公司化學(xué)水處理裝置為一級過濾、兩級離子交換除鹽工藝，其中一級離子交換除鹽設(shè)備采用的是雙室浮動床加除碳工藝。該公司現(xiàn)有4個系列的雙室浮動床，在近期的運(yùn)行過程中，制水量明顯逐步減少，從年初的每周期3000 m3左右下降至2000 m3。影響浮動床制水量的因素主要有原水水質(zhì)、浮動床壓差、流速、預(yù)處理效果、樹脂污染及再生劑用量等，本文結(jié)合該公司雙室浮動床在運(yùn)行中出現(xiàn)過的實際問題進(jìn)行了具體的原因分析，并提出了相應(yīng)的解決方法。

1 生產(chǎn)工藝流程簡介

該化學(xué)水站使用當(dāng)?shù)氐淖詠硭疄樵?/p>

1.1 陽床制水流程

原水經(jīng)高效過濾器處理后，進(jìn)入陽床底部入口，水由下至上運(yùn)行進(jìn)入陽床下室，下室裝有D113-ⅢFC大孔弱酸性丙烯酸系陽樹脂離子交換樹脂，可除去水中90%的暫時硬度。下室出水由塔內(nèi)進(jìn)入上室，上室裝有D001 x 7FC凝膠型強(qiáng)酸苯乙烯陽離子交換樹脂，可以將水中余下的10%暫時硬度和其他陽離子大部分除去。

1.2 陰床制水流程

陽床出水進(jìn)入對應(yīng)的除碳塔，水中的CO2被除碳塔風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)空氣帶走，經(jīng)除碳后的水中殘留CO2小于5mg/l。中間水泵將水輸送至陰床底部入口，水由下向上運(yùn)行進(jìn)入陰床下室，陰床下室裝有D301-ⅢFC大孔弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，可以除去水中的強(qiáng)酸陰離子。下室出水由塔內(nèi)進(jìn)入上室，上室裝有201 x 7FC凝膠型強(qiáng)堿苯乙烯系陰離子交換樹脂，除去水中余下的強(qiáng)酸陰離子和弱酸陰離子。之后，出水進(jìn)入一級除鹽水罐。

1.3 再生流程

再生時采用逆流再生方式，陽樹脂再生液為3.5%的鹽酸，陰樹脂再生液為2.5%的氫氧化鈉。再生液由交換器的上部注入、下部排出，先對強(qiáng)型樹脂進(jìn)行再生，后對弱型樹脂進(jìn)行再生，以達(dá)到充分利用再生液的目的，再生進(jìn)酸堿時間約60分鐘。

2 制水量逐步減少的原因分析

2.1 原水水質(zhì)的影響

由樹脂的強(qiáng)弱性質(zhì)可知，水中溶解的各種物質(zhì)均會對制水量產(chǎn)生影響。通過化驗分析數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)前原水水質(zhì)指標(biāo)均比設(shè)計時高出很多（設(shè)計值：余氯<0.1mg/L，硬度<120mg/L，硫酸根<82mg/L，氯離子<37mg/L）。從2008年至今，原水含鹽量逐年增加（見表1），樹脂除鹽負(fù)荷加大。另外，弱堿性陰樹脂對難電離的硅酸化合物無作用，只能靠強(qiáng)堿性陰樹脂除去，而原水中二氧化硅的濃度較高，制約了制水量的增加。除堿度外各陰陽離子的含量都有明顯增加，尤其是硫酸根和氯離子相對應(yīng)的升高較多，堿度占比逐步下降，這對制水很不利。

2.2 浮動床壓差的影響

在制水運(yùn)行周期的中后期，我們發(fā)現(xiàn)在未達(dá)到使用壽命前樹脂就會出現(xiàn)大量破碎的現(xiàn)象，主要原因如下：一是由于浮動床滿負(fù)荷運(yùn)行，再生非常頻繁，樹脂顆粒頻繁的收縮、膨脹，加速了樹脂的破碎。二是流速問題，在最初的運(yùn)行過程中，實際運(yùn)行流速大約在220m?/h左右（設(shè)計流速：250m?/h），這一流速在運(yùn)行初期對系統(tǒng)影響不大，但隨著樹脂本身的自然降解和老化，這個流速就加速了樹脂的破碎。三是原水中的游離氯指標(biāo)偏高，水中游離氯被陽離子交換樹脂周而復(fù)始的吸收，造成樹脂氧化分解。

破碎的樹脂堵塞水帽，使交換床配液裝置和排液裝置流通面積減小，交換器進(jìn)出口壓差增大，特別是陰床啟床壓差急劇升高速度快，運(yùn)行早期啟床壓差約為60至70kpa左右，而到后期啟床壓差甚至?xí)_(dá)到180至200kpa，交換器運(yùn)行周期制水量也隨之下降。制水量下降后，致使再生運(yùn)行更加頻繁，進(jìn)一步加劇了樹脂的破碎，如此造成惡性循環(huán)。以陰床B壓差為例，自6月21日漂洗加樹脂后，于8月2日、9月2日、9月26日、10月31日接連漂洗4次，平均一個月就需漂洗一次陰樹脂，在沒有補(bǔ)加樹脂的情況下，陰床B的陰樹脂不足，制水量在4個床中最少。

2.3 預(yù)處理高效纖維過濾器污染的影響

在原水預(yù)處理段，采用的是5臺高效纖維過濾器。經(jīng)長期運(yùn)行， 濾料上截留的機(jī)械雜質(zhì)，特別是有機(jī)物大量聚積，加上過濾器內(nèi)溫度較適應(yīng)微生物、細(xì)菌、藻類的生長，造成纖維濾料被嚴(yán)重污染，使其吸附截污能力嚴(yán)重下降。在纖維過濾器定期清洗時，反洗排水呈現(xiàn)深棕色，伴有少量銹渣且呈惡臭味，混洗后需要清洗30min以上排水才能清澈。陽床樹脂進(jìn)行體外反洗操作時發(fā)現(xiàn)排水也很臟，也能說明大量污染物在纖維過濾器運(yùn)行中未被有效截留而進(jìn)入到后序陽床中。

2.4 有機(jī)物對樹脂特別是陰樹脂污染的影響

有機(jī)物在水中往往帶負(fù)電，是污染陰離子交換樹脂的主要物質(zhì)。這些物質(zhì)吸附在樹脂上，有的占據(jù)或者結(jié)合了樹脂上的活性基團(tuán)，有的使樹脂的強(qiáng)堿活性基團(tuán)堿性降低，從而導(dǎo)致樹脂的離子交換能力大幅下降。有機(jī)物污染的主要現(xiàn)象是陰離子交換樹脂顏色變深，正洗水量逐漸增大，運(yùn)行時電導(dǎo)率增大，pH值降低，周期制水量降低。判斷：取樹脂樣，加蒸餾水振蕩，除去表面附著物后，換10%食鹽水，振蕩5-10分鐘，觀察食鹽水顏色并判斷有機(jī)物污染程度（見表2）。

2.5 再生劑用量的影響

由于交換過程是按等摩爾量進(jìn)行的，理論上講1摩爾的再生劑足以使樹脂恢復(fù)1摩爾的交換容量。但實際上再生反應(yīng)不可能徹底進(jìn)行而最多只能進(jìn)行到化學(xué)平衡狀態(tài)，所以實際再生劑用量要超過理論用量。在再生過程中，再生劑用量的多少對再生效果有一定的影響，再生劑用量愈大，則再生后樹脂的交換容量也愈大。但當(dāng)再生劑用量加大到一定量時，交換容量的增加就很少了，此時就會影響到再生過程的經(jīng)濟(jì)性。在實際生產(chǎn)運(yùn)行中，再生劑的用量一般為理論計算量的1.3-1.5倍，在滿足樹脂恢復(fù)到最大交換容量的前提下，再生劑用量盡可能低。首先是先判斷失效的具體是陰床還是陽床：當(dāng)陽床先失效時，陽床出水Na+濃度首先升高，運(yùn)行一段時間后硬度開始升高，陰床出水電導(dǎo)持續(xù)上升；當(dāng)陰床先失效時，出水電導(dǎo)一般會先微降而后上升。endprint

通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，陰床失效次數(shù)占失效總數(shù)比例偏大，因此將降低再生劑的重點放在減少堿的使用上。下面分別調(diào)取了某月1日至5日、11日至15日、21日至25日三個階段的平均制水量和平均再生劑耗量情況進(jìn)行對比，具體數(shù)據(jù)見表3。

通過上表可以看出，月初的平均制水量普遍偏低，但到了中旬以后，制水量有了一定的上升，到了月末，制水量有了明顯的增高。與之相對應(yīng)的是再生用堿量的明顯增大，而同期用酸量卻沒有顯著的提高。這說明在前期再生的過程中陰樹脂未被完全再生，而這部分陰樹脂卻是直接導(dǎo)致制水量高低的關(guān)鍵所在，而且雖然表面上看再生耗堿量增加了，但通過計算我們可以得知噸水的堿耗從月初的1.144kg/t降到了0.926kg/t，這也從一個方面說明如果一味的追求單純的低耗堿量而忽視了樹脂再生的完全性，有時反而會適得其反。

3 提高制水量的相應(yīng)對策

通過以上原因分析，影響浮床制水量的因素是多種多樣的，這就要求我們在日常的生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，精心調(diào)整操作，不斷總結(jié)經(jīng)驗，在出現(xiàn)異常時仔細(xì)觀察，認(rèn)真分析，綜合思考，只有這樣才能保證裝置的安全平穩(wěn)的長周期運(yùn)行。

3.1 針對原水水質(zhì)采取的對策

由于原水為市政自來水，受水源限制的影響，能做的工作比較少。為此，該公司引入了經(jīng)過雙膜反滲透處理后的城市中水作為原水來源，其水質(zhì)指標(biāo)見表4。

該城市中水的水質(zhì)非常好，總體鹽含量接近一級除鹽水的指標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于市政自來水，浮動床的周期制水量從2400噸提高到了16000-18000噸。盡管該城市中水的單價比市政自來水高約51%，但是由于制水周期延長、再生頻次減少、外排廢水量減少、檢維修費用降低、物料消耗減少，總體核算下來的制水成本還有所降低（大約降低-1.054元/噸）。這樣一來，不僅解決了夏季化學(xué)水站供水緊張的問題，還減輕了操作人員和檢維修人員的勞動強(qiáng)度。帶來一個新問題就是“化學(xué)水標(biāo)準(zhǔn)離子水耗”指標(biāo)高于去年，大概在20-25m3/kmol，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出下達(dá)的指標(biāo)。

3.2 針對壓差升高采取的對策

實踐證明，破碎的樹脂顆粒是導(dǎo)致床層壓差升高的“元兇”，降低浮動床的壓差，關(guān)鍵是要降低樹脂的破碎程度。當(dāng)然，頻繁再生運(yùn)行使樹脂破碎不可避免。采取的措施包括：第一，當(dāng)床層壓差達(dá)到設(shè)定的報警值，及時對樹脂進(jìn)行漂洗操作，同時，化學(xué)水站應(yīng)常備新樹脂，在漂洗1、2次后及時補(bǔ)加，避免浮動床長時間超壓運(yùn)行。第二，不斷摸索試驗，控制運(yùn)行水流流速在190±10m3/h左右，這會有效緩解樹脂破碎和床層壓差升高過快的情況。第三，在預(yù)處理階段增設(shè)了除氯系統(tǒng)，使用亞硫酸鈉Na2SO3作為除氯投加藥劑，可在一定程度上減輕水中余氯對樹脂氧化的影響。

3.3 針對高效過濾器污染采取的對策

采取的措施包括：第一，加強(qiáng)高效過濾器運(yùn)行管理，修改反洗頻率，由原來的每16天反洗一次，修改為現(xiàn)在每8天反洗一次，大大改善了高效過濾器的預(yù)處理效果，入床水的指標(biāo)也達(dá)到了工藝要求。第二，及時對5臺高效纖維過濾器進(jìn)行堿洗，經(jīng)過堿洗，纖維束呈現(xiàn)出本色，而清洗前的纖維束發(fā)黑、纖維黏結(jié)。

3.4 針對有機(jī)物對樹脂污染采取的對策

當(dāng)檢查出有機(jī)物污染時，需對樹脂進(jìn)行體外反洗。反洗步驟如下：第一，采用1.5倍樹脂體積的10%鹽酸將樹脂浸泡4小時，并通入凈化風(fēng)擦洗，然后用除鹽水清洗，直至出水顯中性。第二，對陰樹脂以2倍氫氧化鈉的用量進(jìn)行徹底再生。如果采取以上措施后達(dá)不到技術(shù)要求，則應(yīng)及時進(jìn)行報廢并更新樹脂。

4 結(jié)論

通過以上分析，浮動床離子交換除鹽裝置制水量逐步偏低的主要原因是原水水質(zhì)變差引起的，水質(zhì)變差后導(dǎo)致浮動床高負(fù)荷運(yùn)行，再生頻繁，樹脂破碎增多而導(dǎo)致壓差升高，進(jìn)一步制約了制水量的提高。

同時，在日常的生產(chǎn)運(yùn)行中，對于預(yù)處理段的維護(hù)和檢查力度不夠，再生時過于追求減少再生劑用量導(dǎo)致再生不充分等是輔助原因。經(jīng)過實踐，以上原因的相應(yīng)對策均有效，目前有效解決了浮動床離子交換除鹽裝置制水量偏低的問題。

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