當前化學水處理的幾個問題的探討

[摘  要] 本文對化學水處理的幾個問題的進行了探討：RO、ED等膜法水處理的濃鹽水對環境產生污染，且不易處理。采用反滲透直接加混床的水處理方法，必須采取措施，保證混床的陽樹脂和陰樹脂每次都能充分混合。凝結水處理混床系統中，樹脂的分離采用“高塔分離法（Funsep法）”“錐體分離法（Conesep法）”最好，但是混床的混合問題應盡量設計有二次混合裝置；如有足夠的投資和土地，則采用陽床、陰床、陽床串聯運行，可以將混床的樹脂分離、混合的矛盾較徹底地克服。粉末樹脂過濾器的“交換速度快”、“交換容量大”、“出水水質好”等優點都是在運行中幾個小時的行為，而離子交換樹脂混床可運行數天、甚至數星期；粉末樹脂過濾器的“再生度高”、“可在高溫下運行”、“無再生設備，投資低”、 “可去除腐蝕產物”等優點，離子交換樹脂混床也是可以達到的。
[關鍵詞]  RO（反滲透）；ED（電滲析）；混床；離子交換樹脂
 
1  RO、ED等膜法水處理的問題
反滲透（RO）、電滲析（ED）等膜法主要適用于高含鹽量的水。
國外及國內山東省某企業的資料表明，從一次投資費用和運行費用總費用看，離子交換法低于反滲透（RO）、電滲析（ED）法；離子交換法的酸堿廢水的處理比反滲透（RO）、電滲析（ED）法排出的濃鹽水好處理，因此，所謂反滲透（RO）、電滲析（ED）法避免了使用酸堿，但是另外會有濃鹽水對環境的污染，且不易處理。
2  除鹽系統的RO、ED等膜法直接加混床的問題
除鹽系統混床的混合與出水顯酸性的問題。
試驗表明，混床出水最好、陽床—陰床串聯其次、陰床—陽床串聯最差。
補給水處理混床在兩種樹脂的交叉污染嚴重得多等較惡劣的條件下，其出水水質基本都能合格，主要原因是因為該混床的進水是經過“陽床—除碳器--陰床”組成的一級除鹽后的水，其水質很好，只含幾十μg/L的SiO2和Na+，pH值為中性（7左右），電導率≦5μs/cm。
此時的離子交換反應即使在上層為強堿陰樹脂、下層為強酸陽樹脂的極端情況下也能進行：
上層強堿陰樹脂的離子交換為：
NaHSiO3+ROH=RHSiO3+NaOH                           （1）
反應（1）較難進行，有部分NaHSiO3會泄漏到下層與RH發生離子交換反應。
下層的強酸陽樹脂的離子交換為：
NaOH+RH=RNa+H2O                                   （2）
NaHSiO3+RH=RNa+H2SiO3                              （3）
反應（2）很容易進行，所以，混床出水的水質應該較好；但是，反應（3）生成H2SiO3，使得混床出水呈微酸性，pH值在6.0--6.5之間，SiO2≦20μg/L，電導率≦0.3μs/cm。
交叉污染生成的RCl、RNa樹脂與進水中的NaHSiO3的離子交換反應，由于是動態離子交換反應，所以，雖然NaHSiO3濃度很低、HSiO3-的離子選擇性差，但是NaHSiO3+RCl=RHSiO3+NaCl也能部分進行，生成的NaCl與下層陽離子交換樹脂RH發生離子交換反應產生HCl，會影響混床的出水的pH值。
將取自運行混床且已再生好的D001MB強酸陽樹脂（RH）和D201MB強堿陰樹脂（ROH）以1∶2的體積比，按下層為D201MB強堿陰樹脂、上層為D001MB強酸陽樹脂和下層為D001MB強酸陽樹脂、上層為D201MB強堿陰樹脂分別裝入2個有機玻璃交換柱中，并并聯到陰床出水口，投入運行，測定出水pH、DD、SiO2與Na+。測試結果如表2-1。
 
表2-1   兩種極端情況的混床運行結果對比

注：1.上層為RH、下層為ROH。2.上層為ROH、下層為RH。
 
但是，如果沒有前面的陽床—除碳器—陰床的一級除鹽，當預處理（包括RO（反滲透）等）來的水達不到一級除鹽水水質要求而直接進入混床時，由于上層主要是強堿陰樹脂（ROH），基本不與中性水發生離子交換反應，而直接進入下層的主要是強酸陽樹脂（RH），則發生如下離子交換反應：   
Ca(Mg、 Na)Cl(SO4、NO3、 SiO3)+RH=RNa(Ca、Mg)+HCl(H2SO4、HNO3、H2SiO3 )
生成的HCl(H2SO4、HNO3、H2SiO3 )會使出水電導率、SiO2和Na+大大提高、pH值大大下降，嚴重惡化出水水質。尤其當除鹽系統運行半年以上，樹脂發生污染后更為嚴重。
因此，反滲透直接加混床的水處理方法要慎重。如要采用反滲透直接加混床的水處理方法，必須采取措施，保證混床的陽樹脂和陰樹脂每次都能充分混合。
3  凝結水處理系統的問題
3.1  雙塔、三塔混床系統
都是在陽再生塔中分離二種樹脂，由于沉降速度大的強堿陰樹脂和沉降速度小的強酸陽樹脂總會在二種樹脂交叉層互相混雜，因此，總是分離不凈，再生時發生交叉污染。從而降低二種樹脂的再生度，惡化混床出水水質。
3.2  三層床混床系統
三層混床主要是由強堿陰樹脂、惰性樹脂和強酸陽樹脂組成。由于對三種樹脂的密度和顆粒大小有一定的要求，所以樹脂在反洗、沉降后，能清晰地分為三層。
當在體內再生時，中間排水裝置位于反洗后惰性樹脂層的中間，惰性樹脂成為緩沖層，可避免酸和陰樹脂或堿和陽樹脂接觸，從而消除了交叉污染。
在體外再生時，惰性樹脂層可防止輸送陰樹脂過程中將陽樹脂帶走，也可避免交叉污染。普通凝結水處理混床的出水Na+為1.5~2.8μg/L，氫電導率為0.11~0.15μs/cm（25℃）；三層混床的出水Na+為0.1~0.2μg/L，氫電導率為0.08~0.10μs/cm（25℃）。三層混床的周期制水量比普通混床增加25%~38%。
由于惰性樹脂易吸附油等雜質，密度發生變化，惰性樹脂污染后就起不到將二種樹脂隔離的作用，同樣也會發生交叉污染。
3.3  T塔混床系統
在體外再生系統中，當混床的失效樹脂在陽再生分離塔中反洗分層時，在陰、陽樹脂分界面處有一層混脂層。將上層的陰樹脂輸送到陰樹脂再生塔，將中間的混脂輸送到空塔，陽樹脂則留在陽再生分離塔，這樣，可使陰樹脂輸送時不攜帶陽樹脂、陽再生塔中的陽樹脂層也不殘留陰樹脂，保證陰、陽樹脂得到良好的分離，減少再生時的交叉污染。
采用中間抽出法的凝結水處理混床的出水電導率為0.07~0.09μs/cm（25℃）。
 這種將雙塔、三塔混床系統中陽再生塔中會給再生和運行帶來麻煩的二種樹脂交叉層取出的方法，是解決交叉污染的好方法。但是，由于陽再生塔直徑較大，存在二個問題：一是在輸送強堿陰樹脂時不可能完全水平輸送，因此，塔體周圍的強堿陰樹脂不易輸送干凈，可能會殘留到下面的強酸陽樹脂中，仍然導致交叉污染；二是如反洗分層的反洗速度太大，部分強堿陰樹脂會沖出去，如反洗分層的反洗速度太小，部分強堿陰樹脂會夾雜在強酸陽樹脂中，也會導致交叉污染。

3.4  高塔分離法（Funsep法）
該設備由樹脂分離塔、陰再生塔、陽再生塔組成。高塔是該系統的專門分離樹脂的設備，其特點是上部直徑擴大為錐體，從而可以保證下面的陽樹脂可以充分膨脹，而陰樹脂在上面不會被沖出，保證兩種樹脂可以得到很好的分層。
通過反洗分層分離后的樹脂，首先將陰樹脂從分離塔的陰樹脂排出口送出（陰樹脂排出口高出陰、陽樹脂的混脂層，以保證陰樹脂在輸送過程中不帶走陽樹脂），然后，將陽樹脂從分離塔底部送出（在分離塔底部裝有樹脂層高控制報警點裝置，將混脂留在分離塔內）。這樣可以使兩種樹脂得到很好的分離，將再生時的交叉污染降到最小。
高塔分離法可使陰、陽樹脂得到較徹底的分離，美國U.S Filter/Permtek 公司提供的資料認為，此系統可使陰樹脂在陽樹脂層中的含量和陽樹脂在陰樹脂中的含量小于0.1%，其混床出水水質良好（見表3-1和表3-2）。
 
表3--1  凝結水混床進水水質 

表3-2  凝結水混床出水水質
  

高塔分離法將交叉污染降到最小程度，但還是要注意混床內的樹脂的混合問題。混床最好還是設再混合裝置。
3.5  錐體分離法（Conesep法）
采用錐體分離法的原理也同樣是將強酸陽樹脂和強堿陰樹脂徹底分離，而將混層樹脂留在交接面混層樹脂隔離塔中，減少交叉污染。
該技術關鍵是用電導率儀表指示出二種樹脂的分離界面。
錐體分離法將交叉污染降到最小程度，但還是要注意混床內的樹脂的混合問題。混床最好還是設再混合裝置。
3.6  三室床法
三室床的三室合并在一個床內，上、下室為第一級、第二級陽樹脂室，中室為陽樹脂室。三室床從根本上消除了混床兩種樹脂的分離困難和混合不易的問題，從而也就解決了交叉污染的問題。
當三室床采用體外再生時，先將上室陽樹脂輸送到再生塔，清洗干凈后，再將下室陽樹脂送到再生塔，采用順流再生方式，使位于上部的下室陽樹脂得到最好的再生。陰樹脂則在陰再生塔中再生。這樣，可完全避免交叉污染。   
國外某電廠采用三室床，在凝汽器無泄漏或少有泄漏（凝結水含鈉量小于20μg/L）時，三室床出水含鈉量為0.1μg/L，氫電導率為0.064μs/cm（25℃）。
3.7  單床法
采用陽床、陰床串聯運行（還可再串聯一臺陽床）代替凝結水處理混床，也從根本上消除了混床兩種樹脂的分離困難和混合不易的問題，從而也就解決了交叉污染的問題。德國某電廠采用單床運行，效果很好。與混床比較，單床具有以下優點。
（1）再生劑用量小。
（2）再生次數少。單床的比制水量為31400m3/m3·R；而混床的比制水量只有12000 m3/m3·R.
（3）再生操作簡單。
（4）出水水質與混床相近。
（5）單獨再生，沒有交叉污染。也沒有混合不好的問題。
單床的缺點是系統復雜、投資較高、阻力比較大。
綜合上述分析可見，凝結水處理混床系統中，樹脂的分離采用“高塔分離法（Funsep法）”“錐體分離法（Conesep法）”最好，但是混床的混合問題應盡量設計有二次混合裝置。如有足夠的投資和土地，則采用陽床、陰床、陽床串聯運行，可以將混床的樹脂分離、混合的矛盾較徹底地克服。
4  粉末樹脂過濾器的問題
粉末樹脂過濾器用于凝結水處理可去除凝結水中鐵等腐蝕產物，有利于凝結水的凈化，但是基本不能除鹽，和銨型混床（R NH4/ROH）一樣，只能將純凈水更加凈化。
對粉末樹脂過濾器幾種概念的分析：
（1）所謂“交換速度快”。粉末狀樹脂的表面積大，易接近，當然離子交換速度快；但是，數量少，失效也快，僅能工作幾個小時。而離子交換樹脂混床可運行數天、甚至數星期。
（2）所謂“交換容量大”。粉末狀樹脂的表面積大，且是干的，而離子交換樹脂含水分50%左右，因此，粉末狀樹脂比離子交換樹脂的交換容量大是應該的。
 
（4）所謂“可在高溫下運行”。這是一次性使用，可不考慮粉末樹脂的使用壽命。離子交換樹脂如一次性使用也可滿足要求。
（5）所謂“出水水質好”。粉末狀樹脂的表面積大，當然離子交換速度快，出水水質好，但是它僅能維持4小時左右。
（6）所謂“無再生設備，投資低”。實際上凝結水處理混床樹脂也可不要再生設備，請離子交換樹脂生產廠家再生，將一次投資降下來。
（7）所謂“可去除腐蝕產物”。凝結水處理混床樹脂也能去除腐蝕產物。    
所以，粉末樹脂過濾器的“交換速度快”、“交換容量大”、“出水水質好”等優點都是在運行中幾個小時的行為，而離子交換樹脂混床可運行數天、甚至數星期；粉末樹脂過濾器的“再生度高”、“可在高溫下運行”、“無再生設備，投資低”、 “可去除腐蝕產物”等優點，離子交換樹脂混床也是可以達到的。
 至于粉末樹脂過濾器和凝結水處理混床在一次投資、運行費用、對水質的影響等各方面的比較，還有待對運行機組的長期運行統計。