浮动床离子交换除盐装置制水量逐步偏低的问题分析及对策

王志良

摘 要：本文通过对浮动床工艺运行过程中出现的制水量逐步偏低的问题，从原水水质、浮动床差压、流速、预处理、有机物污染、再生剂用量等不同因素进行了具体分析，并结合实际生产提出了相应的解决办法。

关键词：浮动床；制水量；原水水质；压差；流速；预处理；高效纤维过滤器；有机物污染；再生剂用量

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

某公司化学水处理装置为一级过滤、两级离子交换除盐工艺，其中一级离子交换除盐设备采用的是双室浮动床加除碳工艺。该公司现有4个系列的双室浮动床，在近期的运行过程中，制水量明显逐步减少，从年初的每周期3000 m3左右下降至2000 m3。影响浮动床制水量的因素主要有原水水质、浮动床压差、流速、预处理效果、树脂污染及再生剂用量等，本文结合该公司双室浮动床在运行中出现过的实际问题进行了具体的原因分析，并提出了相应的解决方法。

1 生产工艺流程简介

该化学水站使用当地的自来水为原水。

1.1 阳床制水流程

原水经高效过滤器处理后，进入阳床底部入口，水由下至上运行进入阳床下室，下室装有D113-ⅢFC大孔弱酸性丙烯酸系阳树脂离子交换树脂，可除去水中90%的暂时硬度。下室出水由塔内进入上室，上室装有D001 x 7FC凝胶型强酸苯乙烯阳离子交换树脂，可以将水中余下的10%暂时硬度和其他阳离子大部分除去。

1.2 阴床制水流程

阳床出水进入对应的除碳塔，水中的CO2被除碳塔风机的鼓风空气带走，经除碳后的水中残留CO2小于5mg/l。中间水泵将水输送至阴床底部入口，水由下向上运行进入阴床下室，阴床下室装有D301-ⅢFC大孔弱碱性苯乙烯系陰离子交换树脂，可以除去水中的强酸阴离子。下室出水由塔内进入上室，上室装有201 x 7FC凝胶型强碱苯乙烯系阴离子交换树脂，除去水中余下的强酸阴离子和弱酸阴离子。之后，出水进入一级除盐水罐。

1.3 再生流程

再生时采用逆流再生方式，阳树脂再生液为3.5%的盐酸，阴树脂再生液为2.5%的氢氧化钠。再生液由交换器的上部注入、下部排出，先对强型树脂进行再生，后对弱型树脂进行再生，以达到充分利用再生液的目的，再生进酸碱时间约60分钟。

2 制水量逐步减少的原因分析

2.1 原水水质的影响

由树脂的强弱性质可知，水中溶解的各种物质均会对制水量产生影响。通过化验分析数据可以看出，当前原水水质指标均比设计时高出很多（设计值：余氯<0.1mg/L，硬度<120mg/L，硫酸根<82mg/L，氯离子<37mg/L）。从2008年至今，原水含盐量逐年增加（见表1），树脂除盐负荷加大。另外，弱碱性阴树脂对难电离的硅酸化合物无作用，只能靠强碱性阴树脂除去，而原水中二氧化硅的浓度较高，制约了制水量的增加。除碱度外各阴阳离子的含量都有明显增加，尤其是硫酸根和氯离子相对应的升高较多，碱度占比逐步下降，这对制水很不利。

2.2 浮动床压差的影响

在制水运行周期的中后期，我们发现在未达到使用寿命前树脂就会出现大量破碎的现象，主要原因如下：一是由于浮动床满负荷运行，再生非常频繁，树脂颗粒频繁的收缩、膨胀，加速了树脂的破碎。二是流速问题，在最初的运行过程中，实际运行流速大约在220m?/h左右（设计流速：250m?/h），这一流速在运行初期对系统影响不大，但随着树脂本身的自然降解和老化，这个流速就加速了树脂的破碎。三是原水中的游离氯指标偏高，水中游离氯被阳离子交换树脂周而复始的吸收，造成树脂氧化分解。

破碎的树脂堵塞水帽，使交换床配液装置和排液装置流通面积减小，交换器进出口压差增大，特别是阴床启床压差急剧升高速度快，运行早期启床压差约为60至70kpa左右，而到后期启床压差甚至会达到180至200kpa，交换器运行周期制水量也随之下降。制水量下降后，致使再生运行更加频繁，进一步加剧了树脂的破碎，如此造成恶性循环。以阴床B压差为例，自6月21日漂洗加树脂后，于8月2日、9月2日、9月26日、10月31日接连漂洗4次，平均一个月就需漂洗一次阴树脂，在没有补加树脂的情况下，阴床B的阴树脂不足，制水量在4个床中最少。

2.3 预处理高效纤维过滤器污染的影响

在原水预处理段，采用的是5台高效纤维过滤器。经长期运行， 滤料上截留的机械杂质，特别是有机物大量聚积，加上过滤器内温度较适应微生物、细菌、藻类的生长，造成纤维滤料被严重污染，使其吸附截污能力严重下降。在纤维过滤器定期清洗时，反洗排水呈现深棕色，伴有少量锈渣且呈恶臭味，混洗后需要清洗30min以上排水才能清澈。阳床树脂进行体外反洗操作时发现排水也很脏，也能说明大量污染物在纤维过滤器运行中未被有效截留而进入到后序阳床中。

2.4 有机物对树脂特别是阴树脂污染的影响

有机物在水中往往带负电，是污染阴离子交换树脂的主要物质。这些物质吸附在树脂上，有的占据或者结合了树脂上的活性基团，有的使树脂的强碱活性基团碱性降低，从而导致树脂的离子交换能力大幅下降。有机物污染的主要现象是阴离子交换树脂颜色变深，正洗水量逐渐增大，运行时电导率增大，pH值降低，周期制水量降低。判断：取树脂样，加蒸馏水振荡，除去表面附着物后，换10%食盐水，振荡5-10分钟，观察食盐水颜色并判断有机物污染程度（见表2）。

2.5 再生剂用量的影响

由于交换过程是按等摩尔量进行的，理论上讲1摩尔的再生剂足以使树脂恢复1摩尔的交换容量。但实际上再生反应不可能彻底进行而最多只能进行到化学平衡状态，所以实际再生剂用量要超过理论用量。在再生过程中，再生剂用量的多少对再生效果有一定的影响，再生剂用量愈大，则再生后树脂的交换容量也愈大。但当再生剂用量加大到一定量时，交换容量的增加就很少了，此时就会影响到再生过程的经济性。在实际生产运行中，再生剂的用量一般为理论计算量的1.3-1.5倍，在满足树脂恢复到最大交换容量的前提下，再生剂用量尽可能低。首先是先判断失效的具体是阴床还是阳床：当阳床先失效时，阳床出水Na+浓度首先升高，运行一段时间后硬度开始升高，阴床出水电导持续上升；当阴床先失效时，出水电导一般会先微降而后上升。endprint

通过统计发现，阴床失效次数占失效总数比例偏大，因此将降低再生剂的重点放在减少碱的使用上。下面分别调取了某月1日至5日、11日至15日、21日至25日三个阶段的平均制水量和平均再生剂耗量情况进行对比，具体数据见表3。

通过上表可以看出，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，制水量有了明显的增高。与之相对应的是再生用碱量的明显增大，而同期用酸量却没有显著的提高。这说明在前期再生的过程中阴树脂未被完全再生，而这部分阴树脂却是直接导致制水量高低的关键所在，而且虽然表面上看再生耗碱量增加了，但通过计算我们可以得知吨水的碱耗从月初的1.144kg/t降到了0.926kg/t，这也从一个方面说明如果一味的追求单纯的低耗碱量而忽视了树脂再生的完全性，有时反而会适得其反。

3 提高制水量的相应对策

通过以上原因分析，影响浮床制水量的因素是多种多样的，这就要求我们在日常的生产过程中严格控制工艺参数，精心调整操作，不断总结经验，在出现异常时仔细观察，认真分析，综合思考，只有这样才能保证装置的安全平稳的长周期运行。

3.1 针对原水水质采取的对策

由于原水为市政自来水，受水源限制的影响，能做的工作比較少。为此，该公司引入了经过双膜反渗透处理后的城市中水作为原水来源，其水质指标见表4。

该城市中水的水质非常好，总体盐含量接近一级除盐水的指标，远远好于市政自来水，浮动床的周期制水量从2400吨提高到了16000-18000吨。尽管该城市中水的单价比市政自来水高约51%，但是由于制水周期延长、再生频次减少、外排废水量减少、检维修费用降低、物料消耗减少，总体核算下来的制水成本还有所降低（大约降低-1.054元/吨）。这样一来，不仅解决了夏季化学水站供水紧张的问题，还减轻了操作人员和检维修人员的劳动强度。带来一个新问题就是“化学水标准离子水耗”指标高于去年，大概在20-25m3/kmol，远远超出下达的指标。

3.2 针对压差升高采取的对策

实践证明，破碎的树脂颗粒是导致床层压差升高的“元凶”，降低浮动床的压差，关键是要降低树脂的破碎程度。当然，频繁再生运行使树脂破碎不可避免。采取的措施包括：第一，当床层压差达到设定的报警值，及时对树脂进行漂洗操作，同时，化学水站应常备新树脂，在漂洗1、2次后及时补加，避免浮动床长时间超压运行。第二，不断摸索试验，控制运行水流流速在190±10m3/h左右，这会有效缓解树脂破碎和床层压差升高过快的情况。第三，在预处理阶段增设了除氯系统，使用亚硫酸钠Na2SO3作为除氯投加药剂，可在一定程度上减轻水中余氯对树脂氧化的影响。

3.3 针对高效过滤器污染采取的对策

采取的措施包括：第一，加强高效过滤器运行管理，修改反洗频率，由原来的每16天反洗一次，修改为现在每8天反洗一次，大大改善了高效过滤器的预处理效果，入床水的指标也达到了工艺要求。第二，及时对5台高效纤维过滤器进行碱洗，经过碱洗，纤维束呈现出本色，而清洗前的纤维束发黑、纤维黏结。

3.4 针对有机物对树脂污染采取的对策

当检查出有机物污染时，需对树脂进行体外反洗。反洗步骤如下：第一，采用1.5倍树脂体积的10%盐酸将树脂浸泡4小时，并通入净化风擦洗，然后用除盐水清洗，直至出水显中性。第二，对阴树脂以2倍氢氧化钠的用量进行彻底再生。如果采取以上措施后达不到技术要求，则应及时进行报废并更新树脂。

4 结论

通过以上分析，浮动床离子交换除盐装置制水量逐步偏低的主要原因是原水水质变差引起的，水质变差后导致浮动床高负荷运行，再生频繁，树脂破碎增多而导致压差升高，进一步制约了制水量的提高。

同时，在日常的生产运行中，对于预处理段的维护和检查力度不够，再生时过于追求减少再生剂用量导致再生不充分等是辅助原因。经过实践，以上原因的相应对策均有效，目前有效解决了浮动床离子交换除盐装置制水量偏低的问题。

参考文献：

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