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离子交换和反渗透产除盐水的方案比较
概述
多年来， 离子交换水处理技术一直被认为是唯一稳定可靠的高纯 水生产技术，该技术已广泛应用于许多工业领域，如电厂锅炉补给水 等。近二十年来，离子交换在许 多地方常常被反渗透替代。反渗透 是一种膜分离工艺，因其不产生污染废水，而被称为“绿色”工艺。 反渗透的快速发展始于上世纪 70 年代后期, 当时离子交换技术已经 发展的相当成熟，而反渗透还是一种新兴技术。工艺技术往往在初始 应用时发展很快， 之后发展速度缓慢， 到成熟阶段几乎没有什么改进。 因 此，长期以来反渗透常被认为是一种有活力的技术，可以有效应 用于各种领域的纯水解决方案，而离子交换却被认为是陈旧的工艺， 其实人们往往忽略了反渗透在诸 多实际应用中会产生膜的结垢和污 堵问题，它会增加化学药品的使用量，减少膜的运行寿命，增加设备 的操作和维护成本。 如今， 反渗透虽然被认为是一项很成熟的 工艺， 但是这两种技术的比较已经到了重新评估的时候了。 当然离子交换工 艺需要使用化学药品再生， 但在过去， 化学药品并没有有效利用， 而 且再生过程还产生了过量的废水。然而，再生技术的新发展意味着最 新一代的离子交换床已大大提高了再生剂的使用效率， 同时消耗的电 量和产生的废水都远少于 反渗透。为了重新评估这些变化和发展， 有必要了解离子交换工艺的一些基本原理。 离子交换树脂主要由聚苯 乙烯系骨架键
合了活性基团组 成，活性基团包括磺酸基，羧酸基、
叔胺基、季胺基等。交换床所需离子交换树脂的体积主要是由水力学 和动力学来控制的。在水力学方面，通过树脂床的压降是流 速和树 脂深度的函数，树脂深度小一些效果比较好；而在动力学方面，由于 受到扩散因素的限制，树脂深度大一些比较好。 因此，工程师会综 合这两方面的因素，对树脂床树脂深度进行最优化的设计。最近 20 年来，离子交换树脂最重要的发展就是能够生产尺寸精 确的聚苯乙 烯系树脂颗粒，即能生产均粒树脂。这听起来好像只是较小的创新， 但我们可以使用经过动力学大大改善的小粒径树脂， 同时均一尺寸的 树脂颗粒确保紧 密的六边形堆积，这使较小的树脂颗粒也能保持相 对较低的压降。 这和可靠性能已大大改善的自动阀共同促进了应用于 很多商业去离子工艺的 SCION? (Short cycle ion exchange)短期循 环技术的发展。羧酸型弱酸阳树脂再生效率高，再生时酸的利用率达 到了 95%，但它只能同弱酸盐(如重碳酸盐)进行阳离子交换反应；而 磺酸基强酸阳树脂能够去除所有的阳离子， 但在再生时酸的利用率大 约仅在 60%左右。同样叔 胺基弱碱阴树脂不能去除水中的二氧化碳 和二氧化硅，而季胺基强碱阴树脂则可以，但再生剂氢氧化钠的使用 效率远低于弱碱阴树脂。为了节省运行成本，可以先让 水通过弱离 子交换树脂，再利用强离子交换树脂进一步处理，以更有效的利用化 学再生剂。 典型的一级除盐工艺包括使用弱酸阳树脂去除原水中和碱 度相关的阳离 子，然后用强酸阳树脂去除剩余的阳离子，阳床出水 经过脱炭塔去除水中的二氧化碳后， 除炭水再用弱碱阴树脂除去强的 酸性阴离子如硫酸离子、氯离子等，最后用 强碱阴树
脂进一步去除
解离出来的碳酸或二氧化硅。每一次，化学再生剂都要首先穿过强离 子交换树脂，然后穿过弱离子交换树脂，弱离子交换树脂更容易被再 生剂 再生，从而提高了再生剂的使用效率。很明显，用强、弱树脂 分开处理会增加设备投资成本，因为这需要增加压力容器，所以回收 期通常会很 长。试图把强、弱树脂放在同一床中使用以减少投资费 用的想法，因两种树脂分层问题而难以实现。但新的
均粒树脂已经做 成分层床，从而降低了设备投资成本，提 高了再生剂的使用效率， 并且使设备的操作更加容易。 来自于高沼地的水通常含有高水平的天 然有机物如腐殖酸、棕黄酸等。这些大的有机分 子可以通过反渗透 系统去除， 但是会残留在膜表面， 形成有机污堵并增加膜清洗的频率。 这些有机分子大多数都是弱酸，在离子交换床里，这些分子可被交换 和吸附 到强碱阴树脂上，在那里被物理截留，形成树脂的污染。使 用弱碱阴树脂可以减少树脂污染，延长树脂清洗周期，还常常能减除 昂贵的预处理设备如有机物清除设备 等。这就意味着使用分层床的 强弱阴离子交换树脂对于污垢的抵抗力比反渗透或者传统的单
阴离 子交换树脂更强。 RAPIDE 和 RAPIDE plus
开发 SCION?(Short cycle ion exchange)工艺的英国 ELGA 水处 理公司，现在已经成功完成一种新型再生工艺，所谓的脉冲再生程序 (Pulsed Regeneration Sequence,已申请专利)，这种工艺是使用高 浓度的化学再生剂通过已失效树脂
床， 不是以连续流动方式而是以短
脉冲形式对树脂进行再生，当中增加了水 冲洗的步骤。这种超浓度 的再生剂不仅可以很有效地去除树脂内的离子杂质， 同时也增加了树 脂颗粒的收缩，并形成颗粒表面的自然渗透。这 种收缩可以去除表 面的污垢，同时也可以去除树脂颗粒内污垢，例如有机物等。接下来 的水冲洗会帮助树脂的重新膨胀，并将用过的再生剂冲洗掉。通过重 复再生剂 /水冲洗的步骤，树脂就完成了化学和物理的处理过程，从 而恢复到最好的运行状态。 威立雅水处理系统公司的新一代 RAPIDE 去离子设 备：RAPIDE 和 RAPIDE plus，是属于首家运用脉冲再生步骤工艺的设备。运用的再 生剂比一般的离子交换设备少于 30%至 50%，同时具有所有 SCION?技 术的优点：即为 30 到 45 分钟的再生时间，以及产生较
少的废水。
RAPIDE Strata 设备产水电导率可以低于 2?s/cm，Si02 可以低 于 0.1 mg/l；对于一些水质要求较高的工业，例如电厂的锅炉补给 水，RAPIDE Strata Plus 能提供产水电导率低于 0.1?s/cm，Si02 的 含量低于 0.02 mg/l。多数自来水或井
水作为 RAPIDE 去离子设备的 原水都可以实现上述数据。
反渗透工艺
相比之下，反渗透工艺可以脱除原水中 95%的溶解盐。去除率是 离子所带电荷的函 数，二价和三价离子几乎被完全去除，而像二氧 化硅这类的弱酸离子的去除率稍低。 二氧化碳之类的溶解气体可以通 过扩散在膜的两侧达到平衡。以英格兰南部的自 来水为例，通过反渗透处理后，产水中总溶解固体(TDS)约为 20mg/l，二氧化硅的浓度 约为 1mg/l，二氧化碳的浓度约为 10mg/l，和一级除盐 产水比较， 反渗透产水由于这些离子较多的存会进一步增加后续抛光混床的负 担。此外，还有一个问题经常会被忽略，那就是大型的反渗透系统经 常用到一些化学试 剂，如亚硫酸氢钠、阻垢剂和清洗杀菌剂等，与 离子交换再生剂相
比，这些化学试剂往往比较贵，而且后期处理也比 较困难。
小 结
工程经济学是评价工艺的准绳，但基础参数是变化的，也就是说 目标通常是随电价和化学试剂的市场价格而变化的。近 10 年来，在 纯水制备方面最重要的变化就是不断增长的自来水和污水排放价格。 反渗透和离子交换工艺的概括比较是非常困难的，因为相对 性能会 随着原水的含盐量有所变化。通常离子交换法对较低含盐量(TDS)的 进水更具有竞争力，将典型的英国自来水(TDS
500mg/l、二氧化硅 10mg/l)处理成高压锅炉补给水时，成本比较如下表所示。 在上面的分析中，自来水的处理成本大约在 0.70 英镑/m3，污水 排放的成本也大致相同。 该分析是建立在如下假设基础上进行计算的： 即对于反渗透系统， 工作压力为 15bar，系统回收率为 75%，也就是 25%的原水被排放至地沟，同时加入酸以减少膜的结垢；对于离子交 换系统，原水含盐量(TDS)每 meq/l，则相当于 1.5%排放率， 再生 剂盐酸的利用率为 75%，氢氧化钠的利用率为 70%。在比较离子交换和反渗透工艺的运营 成本时，通常会忽视更换离子交换树脂和反渗 透膜的成本。事实上，更换树脂往往比反渗透膜要更便宜，树脂的使 用寿命也比反渗透膜长，表中的填料更换成本比较 是建立在阳树脂 的使用寿命为 10 年，阴树脂为 5 年，反渗透膜为 5 年的基础上。在 此，并没有考虑废填料的处理，这一点离子交换也要优于反渗透，因 为通常用完 的树脂废
品所占的体积要小于反渗透膜。
当然，并不是说离子交换法是万能的。在很多水处理应用如制药 用水和卫生保健等方面，反渗透工艺 具有很明显的优势，近些年这 一点往往被不公平地忽视
了。
综上所述，从经济学角度上讲，对于低离子含量的原水，离子交 换法比反渗透更有 市场竞争力，并且随着原水和污水处理成本的不 断上涨，这方面优势会变
得更加明显，这也预示着离子交换水处理技 术的复苏。
除盐水装置 技术方案比选 2006.2.19 目录
除盐水工艺选用原则 方案对比 总结 结论 除盐水处理工艺方案选取原则
技术含量高 设备投资低 运行费用低 运行经济、 运行经济、可靠 便于操作、 便于操作、管理
除盐水处理方案对比
离子交换水处理方案 反渗透水处理方案 1、工艺流程 、 离子交换工艺流程
阳床清洗塔 还原剂 原水 活性碳滤器 阴床清洗塔 生水泵 阳床 除碳器 中间泵 阴床
混床再生系统 废水中和系统 阴阳床再生系统 二级除盐水箱 混床
一级除盐水泵
一级除盐水箱 反渗透系统流程
阻垢剂 留 原水 生水箱 生水泵 还原剂 高压泵 化学清洗系统 浓水反渗透 高压泵 保安滤器 增压泵 阻垢剂 反渗透产水箱 废水中和系统 混床再生系统 浓水箱 原水反渗透 多介质过滤器 保安滤器 二级除盐水箱 混床 中间泵
2、系统说明 、 离子交换系统说明
一级除盐系统设计为单元制双室双层离子交 换器系统。 换器系统。单元制双室双层离子交换器系统 即每一单元的阴、阳离子交换器， 即每一单元的阴、阳离子交换器，除碳器组 成一套系统， 成一套系统，控制单元内阴阳离子交换器同 时运行、同步再生， 时运行、同步再生，再生时阳床排出的酸性 废水和阴床排出的碱性废水同时进入中和池 自动中和。 自动中和。 反渗透系统说明
采用3x250m3/h一级三段两段组合。反渗 一级三段两段组合。 采用 一级三段两段组合 透系统的原水利用率可达到90%以上。 以上。 透系统的原水利用率可达到 以上 设置多介质过滤器截留生水中的悬浮物、 设置多介质过滤器截留生水中的悬浮物、 胶体等颗粒杂质，投加还原剂去除余氯。 胶体等颗粒杂质，投加还原剂去除余氯。 设置保安滤器，每套反渗透设置2台 设置保安滤器，每套反渗透设置 台 Φ1000mm保安滤器，内装 保安滤器， 滤芯。 保安滤器 内装5μm滤芯。 滤芯
3、投资费用对比 、 离子交换 反渗透
设备名称 投资费用 预处理 离子交换 器系统 再生系统 其它 合计
370万元650万元240万元972万元 2232万元
设备名称 投资费用
预处理系统 330万元1084万元 反渗透系统 1084万元 再生系统893万元
其它135万元 万元万元 合计2442万元 万元 4、占地面积比较 、
离子交换系统因具有庞大众多的罐体和 再生系统， 占地约2850M2,反渗透系统 再生系统 ， 占地约 反渗透系统 占地约2200M2,其占地面积比反渗透系 占地约 其占地面积比反渗透系 统占地多30－ ％ 统占地多 －40％。 5、运行费用对比 、
名称 单价 消耗量 电费 消耗水费 排污费 0.6元/度 元度 2.00元/吨 元吨 2.00元/吨 元吨 1.08吨/吨水 吨 吨水 0.08吨/吨水 吨 吨水 离子交换 消耗单价 0.28元/吨水 元 吨水 2.16元/吨水 元 吨水 0.16元/吨水 元 吨水 1.1吨/吨水 吨 吨水 消耗量 反渗透 消耗单价 0.46元/吨水 元 吨水 2.2元/吨水