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离子交换法和反渗透技术应用比较

 
 
[ ] 本文通过工艺、运行、成本等方面进行了离子交换法和反渗透技术的应用比较。
[关键词] 离子交换 反渗透 应用
1  前言

  由于水处理设备的工艺是根据不同的入水水质和出水要求而设计的,针对不同的原水水质特点而设计水处理方案才是最经济有效的方案,同时也是出水水质长期稳定达到要求的保证。
  除盐处理工艺的要求是多样的,用户对不同技术的看法也是不同。例如有些用户希望用反渗透技术,而有些用户则希望用更传统的技术如离子交换,另外有些用户则以低投资为主要考虑因素。
  在70年到80年代末离子交换法在我国除盐水处理领域得到广泛应用。
  离子交换法处理有以下特点:
  优点:
  ◇预处理要求简单、工艺成熟,出水水质稳定、设备初期投入低;
  ◇由于制水原理类同于用酸碱置换水中离子,所以在原水低含盐量的应用区域运行成本较低。
  缺点:
  ◇由于离子交换床阀门众多,操作复杂烦琐;
  ◇离子交换法自动化操作难度大,投资高;
  ◇需要酸碱再生,再生废水必须经处理合格后排放,存在环境污染隐患;
  ◇细菌易在床层中繁殖,且离子交换树脂会长期向纯水中渗溶有机物
  ◇在含盐量高的区域,运行成本高
  从80年末开始,膜法水处理在我国得到了广泛应用,反渗透就是除盐处理工艺的膜法水处理工艺之一。
  反渗透法处理有以下特点:
  优点:
  ◇反渗透技术是当今较先进、稳定、有效的除盐技术;
  ◇与传统的水处理技术相比,膜技术具有工艺简单、操作方便、易于自动控制、无污染、运行成本低等优点,特别是几种膜技术的配合使用,再辅之经其他水处理工艺,如石英砂、活性炭吸附、脱气、离子交换、UV杀菌等
  ◇原水含盐量较高时对运行成本影响不大
  ◇缺点:
  ◇预处理要求较高、初期投资较大
  本文以地下水为原水,生产250m3/h除盐水(5MΩ.cm)为例,就离子交换和反渗透两种处理方法在工艺、占地方面、和运行成本作简要比较。

2  工艺比较

 2.1离子交换法
  1)离子交换处理工艺流程:
  2)流程简介:
  原水首先进入无阀滤池进行预处理直流入过滤水槽,再通过过滤水泵送水至阳床上部,在床中与强酸阳树脂接触,树脂将Ca2+、Mg2+、Na+、K+、等阳离子从水中置换到树脂上,除去阳离子后的水从塔下流出并送入脱CO2塔上部,在塔内与塑料多面空心球接触形成水膜, HCO3-很快分解成CO2和H2O,通过风机将CO2从塔顶吹除,从而大大减轻阴床的负荷。脱除CO2的水进入中间水池,中间水泵将水送入阴床,在床中与强碱阴树脂接触,树脂将水中SO42-、Cl-、NO3-等阴离子置换到树脂上,水中的阴离子被除去。经一级除盐后的水再进入混床除去少量残存阳、阴离子和SiO3,经混床处理制得合格的的除盐水。
  交换过程中,阳床、阴床和混床因交换剂饱合而失效,这时由再生系统对阳床、阴床和混床进行再生。再生结束进入下一周期,再生废水经处理合格后外排。
  3)流程单元说明:
  预处理:
  无阀滤池:
  地下水经采集后在无阀滤器中将浊度降低至5NTU,避免污泥在后续床层上积聚,影响树脂交换能力。
  预除盐
  阳床:
  经阳床交换后,原水中98%的阳离子将被除掉,而变成软水,阳床出水呈酸性。阳床运行周期一般设计为24-48小时,若要更长时间,则设备和树脂将增大,不经济。在运行周期内一般要设计小反洗,避免水流将树脂层压实,而影响树脂交换能力。失效后的阳树脂可以用盐酸或硫酸进行再生,本例以盐酸为再生剂。
  脱碳塔:
  一般来说地下水碱度都在100mg/l以上,所以经阳床脱除金属离子后,碳酸氢根转化成大量的CO2,设置脱碳塔的目的就是将CO2去除。经脱碳塔后的CO2含量会在5mg/l,这样大大降低阴床的负荷。
  阴床:
  阴床的作用原理与使用要求与阳床类似,只是去的是阴离子。阴树脂失效后选用氢氧化钠再生。
  上述过程为一级除盐水,它的电导率<10μs/cm,SiO2<0.2mg/l,能满足中压锅炉给水要求。但是若需更高品质除盐水,就得在一级除盐水的基础上进行深化处理。
  精除盐
  混床:离子交换法精除盐的方法有二级除盐、多级除盐及混床除盐。常用的经济有效的方法是混床除盐。经混床处理过的除盐水,它的电导率<0.2μs/cm,SiO2<0.01mg/l。混床失效后,需用酸碱同时对阳、阴树脂进行再生。
  废水处理
  废水池:阳床、阴床和混床再生的过程都会产生酸碱废水,直接外排将对环境造成污染,所以必须收集起来,经处理合格后外排。废水池起到收集废水、调节废水、中和废水的作用。
  再生系统
  酸、碱贮槽和计量泵及混合器共同完成再生过程供液、计量的作用。
  整个工艺过程比较烦琐的是阳床、阴床和混床再生时要多次倒换阀门,而且一般每天或间隔一天就需再生,所以操作难度大,通常须配置经验丰富的操作人员。若采用自动控制,则控制点多、阀门要求高,投资很大。同时酸碱耗量大,再生废水也多。另外由于树脂对非极性的大分子没有去除能力,所以制水过程中可能会出现细菌殖生。
 2.2反渗法
  1)反渗透处理工艺流程:
 2)流程简介
  原水经原水泵送到石英砂过滤器降低浊度,在活性炭过器中降低COD,胶体及有机大分子的含量。活性炭出水再送至保安过滤器进行最后的预处理,使原水SDI<5mg/l,满足反渗透(RO)主机的进水要求。经保安过滤器后的合格水由高压泵送至RO主机反渗透进行除盐处理。反渗透膜截留下的有机物、胶体和盐无机盐由浓水侧直接排掉,不会给环境造成污染。产品水由膜清水侧送出至脱碳塔,除去渗透至清水的二氧化碳气体。脱气后的一级除盐水送至混床进行最后的精除盐。由于膜的运行与温度有关,在温度低时会降低产水量,所以在冬季原水须由加热器加热至25℃左右。另外反渗透膜运行4-8月需进行一次化学清洗,以保证膜的透水量。
 3)流程单元说明:
  预处理
  反渗透的预处理要求比离子交换法严格,主要目的是解决如下问题:
  (1) 防止反渗透膜面结垢(包括CaCO3、CaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2、铁、铝氧化物等在膜面沉积);
  (2)防止胶体物质及悬浮固体微粒污堵;
  (3)防止有机物的污堵;
  (4)防止氧化性物质对膜的氧化破坏;
  (5)保证进水水温,保持反渗透装置产水量稳定。
  该过程主要包括加热器、加药装置、多介质过滤器、活性炭过滤器、保安滤器等设备。
  换热器:
  由于反渗透装置产水量随水温变化较大(一般温度每变化一度,反渗透膜元件产水量变化2.5%),因而为保证冬季系统供水量,本工艺配置一台换热器。
  石英砂过滤器:
  配制石英砂过滤器,用于截留水中的悬浮物和胶体杂质,降低反渗透进水浊度,过滤器一般出水浊度≤1NTU。当出水大于1NTU或进出口压差大二0.01Mpa,过滤器需进行反洗。所以反洗周期及反洗时间视原水浊度而定。反洗时在进水同时送入压缩空气,擦洗滤料。
  活性炭过滤器:
  滤器内装填净水专用颗粒活性炭,用于吸附水中余氯和有机物,降低进水COD含量,活性碳过滤器出水的余氯(PPm)<0.1。活性炭过滤器反洗以设备运行时间(或压差)来控制反冲洗周期。
  阻垢剂投加系统: 为防止硬度离子及胶体等杂质在反渗透膜面上结垢,特在反渗透装置进水中添加阻垢剂,加药量一般为3~4 mg/l,具体由进水水质决定。
  保安过滤器:
  反渗透装置前配置保安过滤器,以防止颗粒进入高压泵及RO膜组件,损伤高压泵部件和划伤反渗透膜表面.保安过滤器滤芯采用外层精度为10μm,内层精度为3-5μm;这样不仅提高了过滤精度,还提高了滤芯使用寿命。因为普通滤芯为均一精度,在外表层堵塞后,就需更换;由于内外层精度不一,对进水不同粒径的大小粒子进行分层截留,充分利用了滤芯的内外表层,提高了粒子的截留效果。在正常工作条件下,滤芯可维持6-8个月以上的使用寿命,比普通滤芯寿命提高50%。当过滤器进出口压差达到1.0Kg/cm2时需更换滤器内滤芯。
  以上预处理也可采用超滤(UF)等其它膜法处理方式。
  一级除盐:
  高压泵:
  高压泵是反渗透膜实现物理分离过程的动力源,目前低压膜的运行压力在1.5Mpa以内。
  反渗透(RO)主机:
  反渗透(RO)主机是一级除盐的心脏部分,由渗透膜、膜壳和辅助阀门和仪器组成。反渗透膜已发展到超低压、低污染的复合膜,单根膜脱盐率达99.5%。在RO装置运行期间,设间断自动快冲冲洗。在RO装置停运时,用产品水自动冲洗,挤排膜和不锈钢管道中的高TDS残水,使停运膜完全浸泡在淡水中,可以防止膜的自然渗透造成的膜损伤,去污除垢,使装置和RO膜得到有效保养。经反渗透处理,原水中绝大部分无机盐、有机物、微生物、细菌被截留。经反渗透处理的产品水可达到电导率<10μs/cm,SiO2<0.2mg/l。
  反渗透装置清洗:
  在长期运行过程中,反渗透膜面上总会日积月累水中存在的各种污染物。从而使装置的性能(产水量和脱盐率)下降,组件进、出口压差升高。为此,除日常启停装置前,进行低压冲洗外,还需进行定期化学清洗。
  化学清洗流程如下:
  清洗水箱→清洗泵→清洗过滤器→反渗透装置
    ↑-------------------------------↓
  除碳器:
  由于反渗透对二氧化碳等气体去除率低,所在在RO的产品水送到脱碳器是必要的,这样可大大提高混床的使用周期。当然脱二氧化碳也可以脱气膜来实现。
  精除盐
  混床:
  反渗透产水经混床内阳阴树脂进一步脱盐,去除残存的离子,出水电导率≤0.2μs/cm,SiO2<0.01mg/l。混床运行周期长,所以一般设置为手动再生。再生废水也较少。   目前实现精除盐过程还可以选用EDI技术,该技术可实现完全无再生废水产生,因此市场前看好,但是由于预期投入较大,所以在国内应用实例不多。
  反渗透法制取除盐水是一个物理过程,所以比离子交换法环保。同时处理过程简单,易操作,自动程度化高,人工干预量小。同时系统的管理与维护简单。
  3、占地面积比较(以地下水为原水,生产250m3/h除盐水(5MΩ.cm)为例)
  
项  目
离子交换法(m2
反渗透法(m2
预处理、一级除盐部分
415
485
精除盐部分
375
315
废水处理部分
400
125
其  它
445
425
合  计
1635
1350
小 结
离子交换法比反渗法占地面积大,原因是离子交换法需要酸、碱再生需要酸、碱贮槽和废水处理池
  4、经济运行比较(以地下水为原水,生产250m3/h除盐水(5MΩ.cm)为例)
  1)设备投资
项  目(包含土建)
离子交换法(万元)
反渗透法(万元)
吨水投资额
2.50-3.00
3.00-4.00
总投资(250吨)
625-750
750-1000
小  结
本投资为初略估算,工艺路线和自动化程度不同,投资也不一样
  2)工艺酸碱、酸耗量:
项  目(8000h计)
离子交换法(t)
反渗透法(t)
阳床酸平均耗量(30%计)
925
 
阴床碱平均耗量(20%计)
1430
 
混床酸平均耗量(30%计)
10
10
混床碱平均耗量(20%计)
25
25
吨水耗酸量(10-3kg/t)
0.47
0.005
吨水耗碱量(10-3kg/t)
0.73
0.013
小  结
离子交换法全年要消耗大量的酸和碱,在酸、碱贮运、树脂再生过程中要产生大量的酸碱废水,所以反渗透法在环保方面比离子交换法有更大的优势
3)装机容量及运转负荷:
项  目
离子交换法
反渗透法
装机容量(Kw.h)
269.00
398.00
运转负荷 (Kw.h)
210.50
270.00
吨水耗电量(Kw.h/t)
0.84
1.08
小  结
反渗透法比离子交换法电耗稍高
4)水利用率:
项  目
离子交换法
反渗透法
系统回收率
88%
75%
小  结
由于阳床、阴床和混床再生需要水,所以整个过程原水会一定损失,据经验回收率在88%左右。而反渗透的回收率在75%,但反渗透浓水的只是在盐份上较高,其浊度都比原水好。对水重复利用较好的厂家通常都将浓水引入到其它系统可以实现对很高的系统回收率。
5)水运行成本

 项   目
离子交换法(元/吨)
反渗透法(元/吨)
水成本(原水按1.50元/吨计)
1.50÷88%=1.70
1.50÷75%=2.14
酸成本(盐酸按700元/吨计)
700×0.47×10-3=0.33
 
碱成本(碱按1000元/吨计)
1000×0.73×10-3=0.73
 
电耗成本(按0.25元/KWh)
0.84×0.25=0.21
1.08×0.25=0.27
合  计
2.97
2.41
反渗透法年节约成本(万元)
2.97-2.41)×8000×250÷10000=112
小  结
反渗透法运行成本低的优势是明显的,由于反渗透极易实现自动控制,人工干预小,人工成本也比离子交换法低。
 
 
 
发  布  者:  admin 添加时间:  2013/1/19 点  击  数: 3048