離子交換和反滲透產(chǎn)除鹽水的方案比較

1、離子交換和反滲透產(chǎn)除鹽水的方案比較概述多年來， 離子交換水處理技術(shù)一直被認(rèn)為是唯一穩(wěn)定可靠的高純 水生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，如電廠鍋爐補(bǔ)給水 等。近二十年來，離子交換在許 多地方常常被反滲透替代。反滲透 是一種膜分離工藝，因其不產(chǎn)生污染廢水，而被稱為“綠色”工藝。 反滲透的快速發(fā)展始于上世紀(jì) 70 年代后期, 當(dāng)時離子交換技術(shù)已經(jīng) 發(fā)展的相當(dāng)成熟，而反滲透還是一種新興技術(shù)。工藝技術(shù)往往在初始 應(yīng)用時發(fā)展很快， 之后發(fā)展速度緩慢， 到成熟階段幾乎沒有什么改進(jìn)。 因 此，長期以來反滲透常被認(rèn)為是一種有活力的技術(shù)，可以有效應(yīng) 用于各種領(lǐng)域的純水解決方案，而離子交換卻被認(rèn)為是陳舊的工

2、藝， 其實人們往往忽略了反滲透在諸 多實際應(yīng)用中會產(chǎn)生膜的結(jié)垢和污 堵問題，它會增加化學(xué)藥品的使用量，減少膜的運行壽命，增加設(shè)備 的操作和維護(hù)成本。 如今， 反滲透雖然被認(rèn)為是一項很成熟的 工藝， 但是這兩種技術(shù)的比較已經(jīng)到了重新評估的時候了。 當(dāng)然離子交換工 藝需要使用化學(xué)藥品再生， 但在過去， 化學(xué)藥品并沒有有效利用， 而 且再生過程還產(chǎn)生了過量的廢水。然而，再生技術(shù)的新發(fā)展意味著最 新一代的離子交換床已大大提高了再生劑的使用效率， 同時消耗的電 量和產(chǎn)生的廢水都遠(yuǎn)少于 反滲透。為了重新評估這些變化和發(fā)展， 有必要了解離子交換工藝的一些基本原理。 離子交換樹脂主要由聚苯 乙烯系骨架鍵合了活

3、性基團(tuán)組 成，活性基團(tuán)包括磺酸基，羧酸基、叔胺基、季胺基等。交換床所需離子交換樹脂的體積主要是由水力學(xué) 和動力學(xué)來控制的。在水力學(xué)方面，通過樹脂床的壓降是流 速和樹 脂深度的函數(shù)，樹脂深度小一些效果比較好；而在動力學(xué)方面，由于 受到擴(kuò)散因素的限制，樹脂深度大一些比較好。 因此，工程師會綜 合這兩方面的因素，對樹脂床樹脂深度進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計。最近 20 年來，離子交換樹脂最重要的發(fā)展就是能夠生產(chǎn)尺寸精 確的聚苯乙 烯系樹脂顆粒，即能生產(chǎn)均粒樹脂。這聽起來好像只是較小的創(chuàng)新， 但我們可以使用經(jīng)過動力學(xué)大大改善的小粒徑樹脂， 同時均一尺寸的 樹脂顆粒確保緊 密的六邊形堆積，這使較小的樹脂顆粒也能保持

4、相 對較低的壓降。 這和可靠性能已大大改善的自動閥共同促進(jìn)了應(yīng)用于 很多商業(yè)去離子工藝的 SCION? (Short cycle ion exchange)短期循 環(huán)技術(shù)的發(fā)展。羧酸型弱酸陽樹脂再生效率高，再生時酸的利用率達(dá) 到了 95%，但它只能同弱酸鹽(如重碳酸鹽)進(jìn)行陽離子交換反應(yīng)；而 磺酸基強(qiáng)酸陽樹脂能夠去除所有的陽離子， 但在再生時酸的利用率大 約僅在 60%左右。同樣叔 胺基弱堿陰樹脂不能去除水中的二氧化碳 和二氧化硅，而季胺基強(qiáng)堿陰樹脂則可以，但再生劑氫氧化鈉的使用 效率遠(yuǎn)低于弱堿陰樹脂。為了節(jié)省運行成本，可以先讓 水通過弱離 子交換樹脂，再利用強(qiáng)離子交換樹脂進(jìn)一步處理，以更有效

5、的利用化 學(xué)再生劑。 典型的一級除鹽工藝包括使用弱酸陽樹脂去除原水中和堿 度相關(guān)的陽離 子，然后用強(qiáng)酸陽樹脂去除剩余的陽離子，陽床出水 經(jīng)過脫炭塔去除水中的二氧化碳后， 除炭水再用弱堿陰樹脂除去強(qiáng)的 酸性陰離子如硫酸離子、氯離子等，最后用 強(qiáng)堿陰樹脂進(jìn)一步去除解離出來的碳酸或二氧化硅。每一次，化學(xué)再生劑都要首先穿過強(qiáng)離 子交換樹脂，然后穿過弱離子交換樹脂，弱離子交換樹脂更容易被再 生劑 再生，從而提高了再生劑的使用效率。很明顯，用強(qiáng)、弱樹脂 分開處理會增加設(shè)備投資成本，因為這需要增加壓力容器，所以回收 期通常會很 長。試圖把強(qiáng)、弱樹脂放在同一床中使用以減少投資費 用的想法，因兩種樹脂分層問題而

6、難以實現(xiàn)。但新的均粒樹脂已經(jīng)做 成分層床，從而降低了設(shè)備投資成本，提 高了再生劑的使用效率， 并且使設(shè)備的操作更加容易。 來自于高沼地的水通常含有高水平的天 然有機(jī)物如腐殖酸、棕黃酸等。這些大的有機(jī)分 子可以通過反滲透 系統(tǒng)去除， 但是會殘留在膜表面， 形成有機(jī)污堵并增加膜清洗的頻率。 這些有機(jī)分子大多數(shù)都是弱酸，在離子交換床里，這些分子可被交換 和吸附 到強(qiáng)堿陰樹脂上，在那里被物理截留，形成樹脂的污染。使 用弱堿陰樹脂可以減少樹脂污染，延長樹脂清洗周期，還常常能減除 昂貴的預(yù)處理設(shè)備如有機(jī)物清除設(shè)備 等。這就意味著使用分層床的 強(qiáng)弱陰離子交換樹脂對于污垢的抵抗力比反滲透或者傳統(tǒng)的單陰離 子交

7、換樹脂更強(qiáng)。RAPIDE 和 RAPIDE plus開發(fā) SCION?(Short cycle ion exchange)工藝的英國 ELGA 水處 理公司，現(xiàn)在已經(jīng)成功完成一種新型再生工藝，所謂的脈沖再生程序 (Pulsed Regeneration Sequence,已申請專利)，這種工藝是使用高 濃度的化學(xué)再生劑通過已失效樹脂床， 不是以連續(xù)流動方式而是以短脈沖形式對樹脂進(jìn)行再生，當(dāng)中增加了水 沖洗的步驟。這種超濃度 的再生劑不僅可以很有效地去除樹脂內(nèi)的離子雜質(zhì)， 同時也增加了樹 脂顆粒的收縮，并形成顆粒表面的自然滲透。這 種收縮可以去除表 面的污垢，同時也可以去除樹脂顆粒內(nèi)污垢，例如有

8、機(jī)物等。接下來 的水沖洗會幫助樹脂的重新膨脹，并將用過的再生劑沖洗掉。通過重 復(fù)再生劑 /水沖洗的步驟，樹脂就完成了化學(xué)和物理的處理過程，從 而恢復(fù)到最好的運行狀態(tài)。 威立雅水處理系統(tǒng)公司的新一代 RAPIDE 去離子設(shè) 備：RAPIDE 和 RAPIDE plus，是屬于首家運用脈沖再生步驟工藝的設(shè)備。運用的再 生劑比一般的離子交換設(shè)備少于 30%至 50%，同時具有所有 SCION?技 術(shù)的優(yōu)點：即為 30 到 45 分鐘的再生時間，以及產(chǎn)生較少的廢水。RAPIDE Strata 設(shè)備產(chǎn)水電導(dǎo)率可以低于 2?s/cm，Si02 可以低 于 0.1 mg/l；對于一些水質(zhì)要求較高的工業(yè)，例如

9、電廠的鍋爐補(bǔ)給 水，RAPIDE Strata Plus 能提供產(chǎn)水電導(dǎo)率低于 0.1?s/cm，Si02 的 含量低于 0.02 mg/l。多數(shù)自來水或井水作為 RAPIDE 去離子設(shè)備的 原水都可以實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)。反滲透工藝相比之下，反滲透工藝可以脫除原水中 95%的溶解鹽。去除率是 離子所帶電荷的函 數(shù)，二價和三價離子幾乎被完全去除，而像二氧 化硅這類的弱酸離子的去除率稍低。 二氧化碳之類的溶解氣體可以通 過擴(kuò)散在膜的兩側(cè)達(dá)到平衡。以英格蘭南部的自 來水為例，通過反滲透處理后，產(chǎn)水中總?cè)芙夤腆w(TDS)約為 20mg/l，二氧化硅的濃度 約為 1mg/l，二氧化碳的濃度約為 10mg/l，

10、和一級除鹽 產(chǎn)水比較， 反滲透產(chǎn)水由于這些離子較多的存會進(jìn)一步增加后續(xù)拋光混床的負(fù) 擔(dān)。此外，還有一個問題經(jīng)常會被忽略，那就是大型的反滲透系統(tǒng)經(jīng) 常用到一些化學(xué)試 劑，如亞硫酸氫鈉、阻垢劑和清洗殺菌劑等，與 離子交換再生劑相比，這些化學(xué)試劑往往比較貴，而且后期處理也比 較困難。小 結(jié)工程經(jīng)濟(jì)學(xué)是評價工藝的準(zhǔn)繩，但基礎(chǔ)參數(shù)是變化的，也就是說 目標(biāo)通常是隨電價和化學(xué)試劑的市場價格而變化的。近 10 年來，在 純水制備方面最重要的變化就是不斷增長的自來水和污水排放價格。 反滲透和離子交換工藝的概括比較是非常困難的，因為相對 性能會 隨著原水的含鹽量有所變化。通常離子交換法對較低含鹽量(TDS)的 進(jìn)

11、水更具有競爭力，將典型的英國自來水(TDS 500mg/l、二氧化硅 10mg/l)處理成高壓鍋爐補(bǔ)給水時，成本比較如下表所示。在上面的分析中，自來水的處理成本大約在 0.70 英鎊/m3，污水 排放的成本也大致相同。 該分析是建立在如下假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行計算的： 即對于反滲透系統(tǒng)， 工作壓力為 15bar，系統(tǒng)回收率為 75%，也就是 25%的原水被排放至地溝，同時加入酸以減少膜的結(jié)垢；對于離子交 換系統(tǒng)，原水含鹽量(TDS)每 meq/l，則相當(dāng)于 1.5%排放率， 再生 劑鹽酸的利用率為 75%，氫氧化鈉的利用率為 70%。在比較離子交換和反滲透工藝的運營 成本時，通常會忽視更換離子交換樹脂

12、和反滲 透膜的成本。事實上，更換樹脂往往比反滲透膜要更便宜，樹脂的使 用壽命也比反滲透膜長，表中的填料更換成本比較 是建立在陽樹脂 的使用壽命為 10 年，陰樹脂為 5 年，反滲透膜為 5 年的基礎(chǔ)上。在 此，并沒有考慮廢填料的處理，這一點離子交換也要優(yōu)于反滲透，因 為通常用完 的樹脂廢品所占的體積要小于反滲透膜。當(dāng)然，并不是說離子交換法是萬能的。在很多水處理應(yīng)用如制藥 用水和衛(wèi)生保健等方面，反滲透工藝 具有很明顯的優(yōu)勢，近些年這 一點往往被不公平地忽視了。綜上所述，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度上講，對于低離子含量的原水，離子交 換法比反滲透更有 市場競爭力，并且隨著原水和污水處理成本的不 斷上漲，這方面優(yōu)勢

13、會變得更加明顯，這也預(yù)示著離子交換水處理技 術(shù)的復(fù)蘇。除鹽水裝置 技術(shù)方案比選2006.2.19目錄除鹽水工藝選用原則 方案對比 總結(jié) 結(jié)論除鹽水處理工藝方案選取原則技術(shù)含量高 設(shè)備投資低 運行費用低 運行經(jīng)濟(jì)、 運行經(jīng)濟(jì)、可靠 便于操作、 便于操作、管理除鹽水處理方案對比離子交換水處理方案 反滲透水處理方案1、工藝流程 、離子交換工藝流程陽床清洗塔 還原劑 原水活性碳濾器陰床清洗塔生水泵陽床除碳器中間泵陰床混床再生系統(tǒng)廢水中和系統(tǒng)陰陽床再生系統(tǒng)二級除鹽水箱混床一級除鹽水泵一級除鹽水箱反滲透系統(tǒng)流程阻垢劑 留 原水 生水箱 生水泵 還原劑 高壓泵 化學(xué)清洗系統(tǒng) 濃水反滲透 高壓泵 保安濾器 增

14、壓泵 阻垢劑 反滲透產(chǎn)水箱 廢水中和系統(tǒng) 混床再生系統(tǒng) 濃水箱 原水反滲透 多介質(zhì)過濾器 保安濾器二級除鹽水箱混床中間泵2、系統(tǒng)說明 、離子交換系統(tǒng)說明一級除鹽系統(tǒng)設(shè)計為單元制雙室雙層離子交 換器系統(tǒng)。 換器系統(tǒng)。單元制雙室雙層離子交換器系統(tǒng) 即每一單元的陰、陽離子交換器， 即每一單元的陰、陽離子交換器，除碳器組 成一套系統(tǒng)， 成一套系統(tǒng)，控制單元內(nèi)陰陽離子交換器同 時運行、同步再生， 時運行、同步再生，再生時陽床排出的酸性 廢水和陰床排出的堿性廢水同時進(jìn)入中和池 自動中和。 自動中和。反滲透系統(tǒng)說明采用3x250m3/h一級三段兩段組合。反滲 一級三段兩段組合。 采用 一級三段兩段組合 透系

15、統(tǒng)的原水利用率可達(dá)到90%以上。 以上。 透系統(tǒng)的原水利用率可達(dá)到 以上 設(shè)置多介質(zhì)過濾器截留生水中的懸浮物、 設(shè)置多介質(zhì)過濾器截留生水中的懸浮物、 膠體等顆粒雜質(zhì)，投加還原劑去除余氯。 膠體等顆粒雜質(zhì)，投加還原劑去除余氯。 設(shè)置保安濾器，每套反滲透設(shè)置2臺 設(shè)置保安濾器，每套反滲透設(shè)置 臺 1000mm保安濾器，內(nèi)裝 保安濾器， 濾芯。 保安濾器 內(nèi)裝5µm濾芯。 濾芯3、投資費用對比 、離子交換 反滲透設(shè)備名稱 投資費用 預(yù)處理 離子交換 器系統(tǒng) 再生系統(tǒng) 其它 合計 370萬元650萬元240萬元972萬元 2232萬元設(shè)備名稱 投資費用預(yù)處理系統(tǒng) 330萬元1084萬元 反滲

16、透系統(tǒng) 1084萬元 再生系統(tǒng)893萬元其它135萬元 萬元萬元合計2442萬元 萬元4、占地面積比較 、離子交換系統(tǒng)因具有龐大眾多的罐體和 再生系統(tǒng)， 占地約2850M2,反滲透系統(tǒng) 再生系統(tǒng) ， 占地約 反滲透系統(tǒng) 占地約2200M2,其占地面積比反滲透系 占地約 其占地面積比反滲透系 統(tǒng)占地多30 統(tǒng)占地多 40。5、運行費用對比 、名稱 單價 消耗量 電費 消耗水費 排污費 0.6元/度 元度 2.00元/噸 元噸 2.00元/噸 元噸 1.08噸/噸水 噸 噸水 0.08噸/噸水 噸 噸水 離子交換 消耗單價 0.28元/噸水 元 噸水 2.16元/噸水 元 噸水 0.16元/噸水

17、元 噸水 1.1噸/噸水 噸 噸水 消耗量 反滲透 消耗單價 0.46元/噸水 元 噸水 2.2元/噸水 元 噸水 反滲透按90%回收率 回收率 反滲透按 計算， 計算，反滲透濃縮水 可回收， 可回收，所以無排污 費用 按固溶物80mg/l計算 計算 按固溶物 備注鹽酸（ 鹽酸（30%） ） 氫氧化鈉 （40%） ） 阻垢劑 膜清洗劑 更換濾芯費 用 膜更換費用 陽樹脂磨損 更換費用 陰樹脂磨損 更換費用 合計600元/噸 元噸 800元/噸 元噸 55000元/噸 元噸 50000元/ 元 噸 65元/支 元支 5500元/支 元支 17000元/噸 元噸 27000元/噸 元噸0.073噸

18、/噸水 噸 噸水 0.06噸/噸水 噸 噸水0.044元/噸水 元 噸水 0.048元/噸水 元 噸水0.006噸/噸水 噸 噸水 0.005噸/噸水 噸 噸水 3克/噸水 克 噸水 1.3克/噸水 克 噸水0.0036元/噸水 元 噸水 0.004元/噸水 元 噸水 0.165元/噸水 元 噸水 0.065元/噸水 元 噸水 0.03元/噸水 元 噸水 0.07元/噸水 元 噸水三個月更換一次計算0.033元/噸水 元 噸水 0.022元/噸水 元 噸水 2.747元/噸水 元 噸水0.003元/噸水 元 噸水 0.002元/噸水 元 噸水 2.943元/噸水 元 噸水6、系統(tǒng)的負(fù)荷適應(yīng)能力

19、 、離子交換 反滲透 用水量的變化可通過控制 流速來調(diào)節(jié)， 流速來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較 寬。 一般情況下產(chǎn)水量大的系統(tǒng) 采用多套設(shè)計組裝的方式， 采用多套設(shè)計組裝的方式， 可選用單機(jī)、 可選用單機(jī)、多機(jī)運行模式 或開停機(jī)來調(diào)節(jié)產(chǎn)水量， 或開停機(jī)來調(diào)節(jié)產(chǎn)水量，控 制較為方便， 制較為方便，且可大幅度節(jié) 約能源。 約能源。7、水質(zhì)適應(yīng)能力 、離子交換 水質(zhì)發(fā)生變化會直接 造成再生周期的急劇 縮短， 縮短，酸堿耗費量增 加比例較高； 加比例較高；如進(jìn)水 中攜帶一些有害離子 可致使離子交換樹脂 發(fā)生中毒失效情況。 發(fā)生中毒失效情況。 反滲透 水質(zhì)惡化可能會導(dǎo)致反 滲透出水電導(dǎo)率輕微的 增加， 增加，但幾乎

20、不影響生 產(chǎn)進(jìn)行和運行成本。 產(chǎn)進(jìn)行和運行成本。表1 水質(zhì)變化對離子交換系統(tǒng)運行費用的影響項 目31鹽酸消耗量（kg） 鹽酸消耗量（ ） 40堿消耗量 （kg） ） 酸費用（元） 酸費用（ 堿費用 堿費用 （元） 酸堿費用， 噸水 噸水 酸堿費用，元/噸水 （元） 耗水率注：其他費用基本不變離子（mmol/l） 離子（ 離子 ） 1.00 2.00 3.00 4.00 0.14 0.28 0.42 0.56 0.15 0.30 0.45 0.60 0.084 0.168 0.252 0.336 0.12 0.24 0.36 0.48 0.224 0.448 0.668 0.896 4 8 12

21、 16 表2 水質(zhì)變化對反滲透出水水質(zhì)的影響反滲透出水電導(dǎo)率（ 反滲透出水電導(dǎo)率（µS/cm） ） 原水電導(dǎo)率除鹽率 （第一年） 除鹽率 （第二年） 除鹽率 （第三年）µS/cm70 160（約1.3mmol/l） ）98.50% 1.84 4.2 6.82 9.4598% 2.45 5.6 9.1 12.697% 3.7 8.4 13.69 18.9260 3608、系統(tǒng)操作及維護(hù) 、反滲透系統(tǒng)自動化程度高， 反滲透系統(tǒng)自動化程度高，基本可達(dá)到全自動運 保安過濾器濾芯需定期更換（ 行。保安過濾器濾芯需定期更換（一般三個月左 ），半年常規(guī)清洗一次系統(tǒng) 其它無需維護(hù)。 半年常

22、規(guī)清洗一次系統(tǒng)， 右），半年常規(guī)清洗一次系統(tǒng)，其它無需維護(hù)。 離子交換系統(tǒng)操作復(fù)雜， 離子交換系統(tǒng)操作復(fù)雜，運行需定期檢查樹脂狀 判斷樹脂是否失效并再生，再生頻率高， 況，判斷樹脂是否失效并再生，再生頻率高，再 生操作時間長，再生系統(tǒng)長期接觸酸堿后， 生操作時間長，再生系統(tǒng)長期接觸酸堿后，易發(fā) 生腐蝕現(xiàn)象，需經(jīng)常檢查維護(hù)管路和罐體系統(tǒng)； 生腐蝕現(xiàn)象，需經(jīng)常檢查維護(hù)管路和罐體系統(tǒng)； 另外，由于離子樹脂的自然磨損， 另外，由于離子樹脂的自然磨損，還需定期進(jìn)行 大量的樹脂填補(bǔ)工作。 大量的樹脂填補(bǔ)工作。9、環(huán)境影響問題離子交換由于是通過置換方法除鹽， 離子交換由于是通過置換方法除鹽，產(chǎn)生較多的工 業(yè)

23、廢液，需進(jìn)一步對廢液進(jìn)行處理后排放， 業(yè)廢液，需進(jìn)一步對廢液進(jìn)行處理后排放，對環(huán)境 危害較大 反滲透屬物理過程除鹽，幾乎無工業(yè)廢液產(chǎn)生。 反滲透屬物理過程除鹽，幾乎無工業(yè)廢液產(chǎn)生。10、水資源的合理利用問題離子交換產(chǎn)生的廢水主要為工業(yè)廢液，一般通過排 離子交換產(chǎn)生的廢水主要為工業(yè)廢液， 放方式處理。 放方式處理。 反滲透廢水為濃縮水，回收率90%的反滲透系統(tǒng)產(chǎn) 反滲透廢水為濃縮水，回收率 的反滲透系統(tǒng)產(chǎn) 生的濃縮水固溶物為800mg/l左右 可按濃水： 左右， 生的濃縮水固溶物為800mg/l左右，可按濃水：新 鮮水以1： 比例混合 混合后的固溶物為150mg/l 比例混合， 鮮水以 ：10比

24、例混合，混合后的固溶物為 左右，完全可作為生產(chǎn)工藝用水使用， 左右，完全可作為生產(chǎn)工藝用水使用，基本無廢水 排放，節(jié)水效果明顯。 排放，節(jié)水效果明顯?？偨Y(jié)在設(shè)備投資上，離子交換系統(tǒng)比反滲透系統(tǒng)低 萬元左右； 在設(shè)備投資上，離子交換系統(tǒng)比反滲透系統(tǒng)低200萬元左右；但反滲 萬元左右 透系統(tǒng)占地面積小，基礎(chǔ)設(shè)施投資可適當(dāng)減少。 透系統(tǒng)占地面積小，基礎(chǔ)設(shè)施投資可適當(dāng)減少。 二者就目前水質(zhì)情況運行費用相當(dāng)，反滲透噸水運行費用高0.2元 二者就目前水質(zhì)情況運行費用相當(dāng)，反滲透噸水運行費用高 元； 但是就從長遠(yuǎn)來看：如水質(zhì)惡化，離子交換運行成本將大幅度增加； 但是就從長遠(yuǎn)來看：如水質(zhì)惡化，離子交換運行成本將大幅度增加； 反滲透則運行成本基本不變。 反滲透則運行成本基本不變。 離子交換系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)流量適應(yīng)負(fù)荷變化， 離子交換系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)流量適應(yīng)負(fù)荷變化，反滲透系統(tǒng)通過調(diào)整開機(jī) 臺數(shù)和開停機(jī)來適應(yīng)負(fù)荷變化。二者都可適應(yīng)負(fù)荷的變化， 臺數(shù)和開停機(jī)來適應(yīng)負(fù)荷變化。二者都可適應(yīng)負(fù)荷的變化，但比較起 來反滲透