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行過程中出現的制水量逐步偏低的問題，從原水水質、浮動床差壓、流速、預處理、有機物污染、再生劑用量等不同因素進行了具體分析，并結合實際生產提出了相應的解決辦法。

關鍵詞：浮動床；制水量；原水水質；壓差；流速；預處理；高效纖維過濾器；有機物污染；再生劑用量

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

某公司化學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備采用的是雙室浮動床加除碳工藝。該公司現有4個系列的雙室浮動床，在近期的運行過程中，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、浮動床壓差、流速、預處理效果、樹脂污染及再生劑用量等，本文結合該公司雙室浮動床在運行中出現過的實際問題進行了具體的原因分析，并提出了相應的解決方法。

1 生產工藝流程簡介

該化學水站使用當地的自來水為原水。

1.1 陽床制水流程

原水經高效過濾器處理后，進入陽床底部入口，水由下至上運行進入陽床下室，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。下室出水由塔內進入上室，上室裝有D001 x 7FC凝膠型強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

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

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，先對強型樹脂進行再生，后對弱型樹脂進行再生，以達到充分利用再生液的目的，再生進酸堿時間約60分鐘。

2 制水量逐步減少的原因分析

2.1 原水水質的影響

由樹脂的強弱性質可知，水中溶解的各種物質均會對制水量產生影響。通過化驗分析數據可以看出，當前原水水質指標均比設計時高出很多（設計值：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

在制水運行周期的中后期，我們發現在未達到使用壽命前樹脂就會出現大量破碎的現象，主要原因如下：一是由于浮動床滿負荷運行，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，在最初的運行過程中，實際運行流速大約在220m?/h左右（設計流速：250m?/h），這一流速在運行初期對系統影響不大，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偏高，水中游離氯被陽離子交換樹脂周而復始的吸收，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，交換器進出口壓差增大，特別是陰床啟床壓差急劇升高速度快，運行早期啟床壓差約為60至70kpa左右，而到后期啟床壓差甚至會達到180至200kpa，交換器運行周期制水量也隨之下降。制水量下降后，致使再生運行更加頻繁，進一步加劇了樹脂的破碎，如此造成惡性循環。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 預處理高效纖維過濾器污染的影響

在原水預處理段，采用的是5臺高效纖維過濾器。經長期運行， 濾料上截留的機械雜質，特別是有機物大量聚積，加上過濾器內溫度較適應微生物、細菌、藻類的生長，造成纖維濾料被嚴重污染，使其吸附截污能力嚴重下降。在纖維過濾器定期清洗時，反洗排水呈現深棕色，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。陽床樹脂進行體外反洗操作時發現排水也很臟，也能說明大量污染物在纖維過濾器運行中未被有效截留而進入到后序陽床中。

2.4 有機物對樹脂特別是陰樹脂污染的影響

有機物在水中往往帶負電，是污染陰離子交換樹脂的主要物質。這些物質吸附在樹脂上，有的占據或者結合了樹脂上的活性基團，有的使樹脂的強堿活性基團堿性降低，從而導致樹脂的離子交換能力大幅下降。有機物污染的主要現象是陰離子交換樹脂顏色變深，正洗水量逐漸增大，運行時電導率增大，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行的，理論上講1摩爾的再生劑足以使樹脂恢復1摩爾的交換容量。但實際上再生反應不可能徹底進行而最多只能進行到化學平衡狀態，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濟性。在實際生產運行中，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：當陽床先失效時，陽床出水Na+濃度首先升高，運行一段時間后硬度開始升高，陰床出水電導持續上升；當陰床先失效時，出水電導一般會先微降而后上升。endprint

通過統計發現，陰床失效次數占失效總數比例偏大，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行對比，具體數據見表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致制水量高低的關鍵所在，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過程中嚴格控制工藝參數，精心調整操作，不斷總結經驗，在出現異常時仔細觀察，認真分析，綜合思考，只有這樣才能保證裝置的安全平穩的長周期運行。

3.1 針對原水水質采取的對策

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，該公司引入了經過雙膜反滲透處理后的城市中水作為原水來源，其水質指標見表4。

該城市中水的水質非常好，總體鹽含量接近一級除鹽水的指標，遠遠好于市政自來水，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度。帶來一個新問題就是“化學水標準離子水耗”指標高于去年，大概在20-25m3/kmol，遠遠超出下達的指標。

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致床層壓差升高的“元兇”，降低浮動床的壓差，關鍵是要降低樹脂的破碎程度。當然，頻繁再生運行使樹脂破碎不可避免。采取的措施包括：第一，當床層壓差達到設定的報警值，及時對樹脂進行漂洗操作，同時，化學水站應常備新樹脂，在漂洗1、2次后及時補加，避免浮動床長時間超壓運行。第二，不斷摸索試驗，控制運行水流流速在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，在預處理階段增設了除氯系統，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，加強高效過濾器運行管理，修改反洗頻率，由原來的每16天反洗一次，修改為現在每8天反洗一次，大大改善了高效過濾器的預處理效果，入床水的指標也達到了工藝要求。第二，及時對5臺高效纖維過濾器進行堿洗，經過堿洗，纖維束呈現出本色，而清洗前的纖維束發黑、纖維黏結。

3.4 針對有機物對樹脂污染采取的對策

當檢查出有機物污染時，需對樹脂進行體外反洗。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行徹底再生。如果采取以上措施后達不到技術要求，則應及時進行報廢并更新樹脂。

4 結論

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變差引起的，水質變差后導致浮動床高負荷運行，再生頻繁，樹脂破碎增多而導致壓差升高，進一步制約了制水量的提高。

同時，在日常的生產運行中，對于預處理段的維護和檢查力度不夠，再生時過于追求減少再生劑用量導致再生不充分等是輔助原因。經過實踐，以上原因的相應對策均有效，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。

參考文獻：

[1]欒金義，傅曉萍.石油化工水處理技術與典型工藝[M].北京：中國石化出版社，2013，9（01）.

[2]王景愛.水處理裝置離子交換樹脂破碎的危害及對策[J].河北工業科技，2002，19（06）.

[3]李愛陽.水處理中離子交換樹脂再生時酸堿耗的降低[J].化工生產與技術，2003，10（02）.endprint