當(dāng)前化學(xué)水處理的幾個(gè)問題的探討

[摘  要] 本文對(duì)化學(xué)水處理的幾個(gè)問題的進(jìn)行了探討：RO、ED等膜法水處理的濃鹽水對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(yáng)樹脂和陰樹脂每次都能充分混合。凝結(jié)水處理混床系統(tǒng)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(yīng)盡量設(shè)計(jì)有二次混合裝置；如有足夠的投資和土地，則采用陽(yáng)床、陰床、陽(yáng)床串聯(lián)運(yùn)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(zhì)好”等優(yōu)點(diǎn)都是在運(yùn)行中幾個(gè)小時(shí)的行為，而離子交換樹脂混床可運(yùn)行數(shù)天、甚至數(shù)星期；粉末樹脂過濾器的“再生度高”、“可在高溫下運(yùn)行”、“無(wú)再生設(shè)備，投資低”、 “可去除腐蝕產(chǎn)物”等優(yōu)點(diǎn)，離子交換樹脂混床也是可以達(dá)到的。
[關(guān)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(guó)外及國(guó)內(nèi)山東省某企業(yè)的資料表明，從一次投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用總費(fèi)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(huì)有濃鹽水對(duì)環(huán)境的污染，且不易處理。
2  除鹽系統(tǒng)的RO、ED等膜法直接加混床的問題
除鹽系統(tǒng)混床的混合與出水顯酸性的問題。
試驗(yàn)表明，混床出水最好、陽(yáng)床—陰床串聯(lián)其次、陰床—陽(yáng)床串聯(lián)最差。
補(bǔ)給水處理混床在兩種樹脂的交叉污染嚴(yán)重得多等較惡劣的條件下，其出水水質(zhì)基本都能合格，主要原因是因?yàn)樵摶齑驳倪M(jìn)水是經(jīng)過“陽(yáng)床—除碳器--陰床”組成的一級(jí)除鹽后的水，其水質(zhì)很好，只含幾十μg/L的SiO2和Na+，pH值為中性（7左右），電導(dǎo)率≦5μs/cm。
此時(shí)的離子交換反應(yīng)即使在上層為強(qiáng)堿陰樹脂、下層為強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂的極端情況下也能進(jìn)行：
上層強(qiáng)堿陰樹脂的離子交換為：
NaHSiO3+ROH=RHSiO3+NaOH                           （1）
反應(yīng)（1）較難進(jìn)行，有部分NaHSiO3會(huì)泄漏到下層與RH發(fā)生離子交換反應(yīng)。
下層的強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂的離子交換為：
NaOH+RH=RNa+H2O                                   （2）
NaHSiO3+RH=RNa+H2SiO3                              （3）
反應(yīng)（2）很容易進(jìn)行，所以，混床出水的水質(zhì)應(yīng)該較好；但是，反應(yīng)（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(dǎo)率≦0.3μs/cm。
交叉污染生成的RCl、RNa樹脂與進(jìn)水中的NaHSiO3的離子交換反應(yīng)，由于是動(dòng)態(tài)離子交換反應(yīng)，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(jìn)行，生成的NaCl與下層陽(yáng)離子交換樹脂RH發(fā)生離子交換反應(yīng)產(chǎn)生HCl，會(huì)影響混床的出水的pH值。
將取自運(yùn)行混床且已再生好的D001MB強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂（RH）和D201MB強(qiáng)堿陰樹脂（ROH）以1∶2的體積比，按下層為D201MB強(qiáng)堿陰樹脂、上層為D001MB強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂和下層為D001MB強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂、上層為D201MB強(qiáng)堿陰樹脂分別裝入2個(gè)有機(jī)玻璃交換柱中，并并聯(lián)到陰床出水口，投入運(yùn)行，測(cè)定出水pH、DD、SiO2與Na+。測(cè)試結(jié)果如表2-1。
 
表2-1   兩種極端情況的混床運(yùn)行結(jié)果對(duì)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(yáng)床—除碳器—陰床的一級(jí)除鹽，當(dāng)預(yù)處理（包括RO（反滲透）等）來(lái)的水達(dá)不到一級(jí)除鹽水水質(zhì)要求而直接進(jìn)入混床時(shí)，由于上層主要是強(qiáng)堿陰樹脂（ROH），基本不與中性水發(fā)生離子交換反應(yīng)，而直接進(jìn)入下層的主要是強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂（RH），則發(fā)生如下離子交換反應(yīng)：   
Ca(Mg、 Na)Cl(SO4、NO3、 SiO3)+RH=RNa(Ca、Mg)+HCl(H2SO4、HNO3、H2SiO3 )
生成的HCl(H2SO4、HNO3、H2SiO3 )會(huì)使出水電導(dǎo)率、SiO2和Na+大大提高、pH值大大下降，嚴(yán)重惡化出水水質(zhì)。尤其當(dāng)除鹽系統(tǒng)運(yùn)行半年以上，樹脂發(fā)生污染后更為嚴(yán)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(yáng)樹脂和陰樹脂每次都能充分混合。
3  凝結(jié)水處理系統(tǒng)的問題
3.1  雙塔、三塔混床系統(tǒng)
都是在陽(yáng)再生塔中分離二種樹脂，由于沉降速度大的強(qiáng)堿陰樹脂和沉降速度小的強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂總會(huì)在二種樹脂交叉層互相混雜，因此，總是分離不凈，再生時(shí)發(fā)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(zhì)。
3.2  三層床混床系統(tǒng)
三層混床主要是由強(qiáng)堿陰樹脂、惰性樹脂和強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂組成。由于對(duì)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(dāng)在體內(nèi)再生時(shí)，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(yáng)樹脂接觸，從而消除了交叉污染。
在體外再生時(shí)，惰性樹脂層可防止輸送陰樹脂過程中將陽(yáng)樹脂帶走，也可避免交叉污染。普通凝結(jié)水處理混床的出水Na+為1.5~2.8μg/L，氫電導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)，密度發(fā)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(huì)發(fā)生交叉污染。
3.3  T塔混床系統(tǒng)
在體外再生系統(tǒng)中，當(dāng)混床的失效樹脂在陽(yáng)再生分離塔中反洗分層時(shí)，在陰、陽(yáng)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(yáng)樹脂則留在陽(yáng)再生分離塔，這樣，可使陰樹脂輸送時(shí)不攜帶陽(yáng)樹脂、陽(yáng)再生塔中的陽(yáng)樹脂層也不殘留陰樹脂，保證陰、陽(yáng)樹脂得到良好的分離，減少再生時(shí)的交叉污染。
采用中間抽出法的凝結(jié)水處理混床的出水電導(dǎo)率為0.07~0.09μs/cm（25℃）。
這種將雙塔、三塔混床系統(tǒng)中陽(yáng)再生塔中會(huì)給再生和運(yùn)行帶來(lái)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(yáng)再生塔直徑較大，存在二個(gè)問題：一是在輸送強(qiáng)堿陰樹脂時(shí)不可能完全水平輸送，因此，塔體周圍的強(qiáng)堿陰樹脂不易輸送干凈，可能會(huì)殘留到下面的強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂中，仍然導(dǎo)致交叉污染；二是如反洗分層的反洗速度太大，部分強(qiáng)堿陰樹脂會(huì)沖出去，如反洗分層的反洗速度太小，部分強(qiáng)堿陰樹脂會(huì)夾雜在強(qiáng)酸陽(yáng)樹脂中，也會(huì)導(dǎo)致交叉污染。

3.4  高塔分離法（Funsep法）
該設(shè)備由樹脂分離塔、陰再生塔、陽(yáng)再生塔組成。高塔是該系統(tǒng)的專門分離樹脂的設(shè)備，其特點(diǎn)是上部直徑擴(kuò)大為錐體，從而可以保證下面的陽(yáng)樹脂可以充分膨脹，而陰樹脂在上面不會(huì)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(yáng)樹脂的混脂層，以保證陰樹脂在輸送過程中不帶走陽(yáng)樹脂），然后，將陽(yáng)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(bào)警點(diǎn)裝置，將混脂留在分離塔內(nèi)）。這樣可以使兩種樹脂得到很好的分離，將再生時(shí)的交叉污染降到最小。
高塔分離法可使陰、陽(yáng)樹脂得到較徹底的分離，美國(guó)U.S Filter/Permtek 公司提供的資料認(rèn)為，此系統(tǒng)可使陰樹脂在陽(yáng)樹脂層中的含量和陽(yáng)樹脂在陰樹脂中的含量小于0.1%，其混床出水水質(zhì)良好（見表3-1和表3-2）。
 
表3--1  凝結(jié)水混床進(jìn)水水質(zhì) 

表3-2  凝結(jié)水混床出水水質(zhì)
  

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(nèi)的樹脂的混合問題?；齑沧詈眠€是設(shè)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(qiáng)酸陽(yáng)樹脂和強(qiáng)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(shù)關(guān)鍵是用電導(dǎo)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(nèi)的樹脂的混合問題?；齑沧詈眠€是設(shè)再混合裝置。
3.6  三室床法
三室床的三室合并在一個(gè)床內(nèi)，上、下室為第一級(jí)、第二級(jí)陽(yáng)樹脂室，中室為陽(yáng)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(dāng)三室床采用體外再生時(shí)，先將上室陽(yáng)樹脂輸送到再生塔，清洗干凈后，再將下室陽(yáng)樹脂送到再生塔，采用順流再生方式，使位于上部的下室陽(yáng)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(guó)外某電廠采用三室床，在凝汽器無(wú)泄漏或少有泄漏（凝結(jié)水含鈉量小于20μg/L）時(shí)，三室床出水含鈉量為0.1μg/L，氫電導(dǎo)率為0.064μs/cm（25℃）。
3.7  單床法
采用陽(yáng)床、陰床串聯(lián)運(yùn)行（還可再串聯(lián)一臺(tái)陽(yáng)床）代替凝結(jié)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(guó)某電廠采用單床運(yùn)行，效果很好。與混床比較，單床具有以下優(yōu)點(diǎn)。
（1）再生劑用量小。
（2）再生次數(shù)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(jiǎn)單。
（4）出水水質(zhì)與混床相近。
（5）單獨(dú)再生，沒有交叉污染。也沒有混合不好的問題。
單床的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、投資較高、阻力比較大。
綜合上述分析可見，凝結(jié)水處理混床系統(tǒng)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(yīng)盡量設(shè)計(jì)有二次混合裝置。如有足夠的投資和土地，則采用陽(yáng)床、陰床、陽(yáng)床串聯(lián)運(yùn)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(jié)水處理可去除凝結(jié)水中鐵等腐蝕產(chǎn)物，有利于凝結(jié)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(duì)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(dāng)然離子交換速度快；但是，數(shù)量少，失效也快，僅能工作幾個(gè)小時(shí)。而離子交換樹脂混床可運(yùn)行數(shù)天、甚至數(shù)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(yīng)該的。
 
（4）所謂“可在高溫下運(yùn)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(zhì)好”。粉末狀樹脂的表面積大，當(dāng)然離子交換速度快，出水水質(zhì)好，但是它僅能維持4小時(shí)左右。
（6）所謂“無(wú)再生設(shè)備，投資低”。實(shí)際上凝結(jié)水處理混床樹脂也可不要再生設(shè)備，請(qǐng)離子交換樹脂生產(chǎn)廠家再生，將一次投資降下來(lái)。
（7）所謂“可去除腐蝕產(chǎn)物”。凝結(jié)水處理混床樹脂也能去除腐蝕產(chǎn)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(zhì)好”等優(yōu)點(diǎn)都是在運(yùn)行中幾個(gè)小時(shí)的行為，而離子交換樹脂混床可運(yùn)行數(shù)天、甚至數(shù)星期；粉末樹脂過濾器的“再生度高”、“可在高溫下運(yùn)行”、“無(wú)再生設(shè)備，投資低”、 “可去除腐蝕產(chǎn)物”等優(yōu)點(diǎn)，離子交換樹脂混床也是可以達(dá)到的。
至于粉末樹脂過濾器和凝結(jié)水處理混床在一次投資、運(yùn)行費(fèi)用、對(duì)水質(zhì)的影響等各方面的比較，還有待對(duì)運(yùn)行機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行統(tǒng)計(jì)。