降低陽床再生正洗水用量的方案探討

徐擁政

（中國石化齊魯石化供排水廠，山東齊魯 255400）

1 概述

雙室雙層浮動陽床再生過程分為注酸、置換、正洗三步。參考GB/T 50109—2014《工業用水軟化除鹽設計規范》中再生工藝參數的規定，以除鹽水站φ3000單元制雙室雙層浮動床為例，雙室雙層浮動陽床再生過程各步驟耗水情況見表1。

表1 雙室雙層浮動陽床再生過程各步驟耗水量

從表1 可以看出，正洗用水量在整個再生過程中占比42.6%，占比最大。若對正洗排水進行部分回收或采取措施降低正洗水用量，可顯著降低陽床再生用水量，同時減少排污量以及后續的污水處理費用。

2 正洗排水的水質特點

注酸步驟交換器內存在如下反應過程：

置換步驟的主要目的是延續再生液與離子交換樹脂之間的置換反應，同時將置換反應產生的高濃度陽離子以及氯離子排入中和池。正洗步驟的主要目的是將陽床內過量HCl再生液和少量殘留的陽離子沖洗干凈。正洗步驟初期，排水中主要含有較高濃度的H+、Ca2+、Mg2+、Na+、Cl－。正洗步驟后期，排水中各種離子含量快速下降，直至排水水質接近或優于原水水質。因此，正洗步驟后期的排水具有回收利用價值。對陽床再生正洗步驟排水按照時間順序進行等時間間隔采樣分析，數據見表2。

表2 正洗排水中各離子濃度隨時間變化統計

表2中的Cl－濃度為理論計算值。由于再生液采用一級除鹽水和高純度的HCl配置而成，再生排水中的強酸陰離子只含有Cl－，依據水中陰、陽離子電荷平衡理論，其數值上等于Na+、硬度、H+之和。

3 正洗排水中各種離子對系統運行的影響

3.1 H+離子對系統運行的影響

正洗排水中H+濃度高，若直接回收至原水箱，會造成原水箱內pH 值過低，對原水泵、原水管線造成嚴重腐蝕，因此需要控制回收水中H+濃度。

由于原水中存在HCO3-，當含有H+的回收水進入原水箱后，可產生如下反應：

即回收水進入原水箱后會降低原水的HCO3-濃度，增加原水中CO2的濃度。混合后水的pH值與水中HCO3-、CO2的濃度存在如下關系：

通過采樣分析原水中HCO3-濃度、CO2的濃度以及回收水中H+濃度，即可以計算出混合后水的pH 值。從理論上講，若回收水的H+濃度小于原水的堿度時，混合后的原水pH 值變化不明顯。若回收水的H+濃度大于原水的堿度時，會造成混合后的原水pH值急劇下降，形成酸性腐蝕。

3.2 Na+與Ca2+、Mg2+離子對系統運行的影響

正洗排水中的Na+、Ca2+、Mg2+均以NaCl、MgCl2、CaCl2的溶解形態存在。若將正洗排水部分回收至原水箱，在后續運行中，需要通過陽床上室的強酸型陽樹脂進行交換去除。

正常運行中，陽床上室的強酸型陽樹脂用來交換去除Na+以及以永久硬度形式存在的Ca2+、Mg2+。因此，當回收水中Na+、Ca2+、Mg2+含量高于原水中Na+濃度和永久硬度之和時，會造成原水水質惡化，導致陽床上室提前失效。為了確保使用清洗回收水后，陽床周期制水量不下降，需確定合理的回收起始點，以確保回收水中Na+、Ca2+、Mg2+離子含量總和小于原水中Na+濃度和永久硬度之和。

3.3 Cl-離子對系統運行的影響

正常運行過程中，Cl－主要通過陰床下室的弱堿性陰樹脂交換去除。陰床下室的弱堿性陰樹脂主要用來交換去除Cl－、SO42-等強酸根陰離子。因此，當回收水中的Cl－含量高于原水強酸陰離子之和時，會造成陰床下室提前失效。為了確保使用清洗回收水后，陰床周期制水量不下降，需確定合理的回收起始點，以確保回收水中Cl－濃度小于原水強酸陰離子之和。

4 降低陽床再生用水量方案

4.1 將正洗第21分鐘至30分鐘的排水回收至原水系統

對原水水質進行采樣分析，數據見表3。

通過表2 與表3 中數據對比，當正洗步驟進行至21分鐘時，其排水中強酸陰離子含量與原水中的強酸陰離子離子含量近似相等，Na+與Ca2+、Mg2+之和小于原水中Na+與永久硬度之和。其從該時間點以后的排水可以進行回收，且不會對陽床、陰床的周期制水量造成不利影響。

表3 原水水質分析

第21分鐘正洗排水的H+濃度大于原水堿度值，會產生酸性腐蝕問題，需要對原水系統進行改造，將材質更換為不銹鋼或襯膠材質。

4.2 在正洗第21 分鐘結束時停止陽床正洗，直接投運順洗

從流程上對4.1 方案進行分析發現，其存在能量浪費的問題，如4.1方案將正洗第21分鐘至30分鐘的排水回收至原水系統，然后再用泵送至陽床、陰床進行離子交換。回收水中的陽離子依然會消耗陽床上室的樹脂工交容量，陰離子依然會消耗陰床下室的樹脂工交容量。4.2 方案在第21 分鐘時停止陽床正洗，陽床內殘留的各種陽離子和陰離子在投運順洗過程中同樣會被陽床上室樹脂和陰床下室樹脂分別吸收，對樹脂工交容量的消耗與4.1 方案相等。因此，只要能夠證明4.2 方案的實施不會影響投運順洗初期的出水水質以及周期制水量，就可以證明4.1方案的回收操作多余。

4.2.1 對陽床出水水質的影響分析

陽床的出水水質受陽床上室保護層樹脂的再生度和陽床出水H+濃度的影響，其關系如下：

由（1）式可以看出，陽床出水Na+含量與陽床出水H+濃度呈正比。

由于4.2 方案實施前后，樹脂的再生度沒有發生變化。交換器內殘留的H+、Na+與Ca2+、Mg2+濃度之和小于原水中Na+與Ca2+、Mg2+濃度之和，因此殘留的H+、Na+與Ca2+、Mg2+經過離子交換后產生的H+濃度小于原水經過離子交換后形成的H+濃度，即運行順洗初期陽床出水的Na+含量小于正常運行中（處理原水）陽床出水的Na+含量。

4.2.2 對陽床周期制水量的影響分析

近似計算4.1方案中第21分鐘至第30分鐘排水中的陽離子總量如下：

根據陽床上室強酸型D001樹脂裝填體積20 m3，工作交換容量取值1 000 mol/m3，計算陽床上室的總交換容量如下：

計算第21 分鐘至第30 分鐘排水中的陽離子總量與陽床上室總交換容量的比值如下：

X＝10.58/20000＝0.05%

由上式可以看出，取消第21 分鐘至第30 分鐘正洗步驟，殘留在陽床內的陽離子在順洗過程中由陽床上室樹脂進行交換吸收，對陽床周期制水量的影響可以忽略不計。

4.2.3 對陰床周期制水量的影響分析

近似計算4.1方案中第21分鐘至第30分鐘排水中的Cl－離子總量如下：

計算陰床樹脂總交換容量，下室D301 弱堿樹脂裝填體積20 m3，上室強堿型D201樹脂裝填體積8.4 m3，工作交換容量分別取700 mol/m3和350 mol/m3：

E總＝E×V＝700×20+350×8.4＝16940（mol）

計算第21分鐘至第30分鐘排水中的Cl－離子總量與陰床總交換容量的比值如下：

X＝48.8/16940＝0.29%

由上式可以看出，取消第21 分鐘至第30 分鐘正洗步驟，殘留在陽床內的Cl－離子在正洗過程中由陰床樹脂進行交換吸收，對陰床周期制水量的影響可以忽略不計。

4.2.4 方案的改進

分析正洗第15 分鐘的排水水質，H+、Na+與Ca2+、Mg2+之和約為原水中Na+與永久硬度之和的兩倍，通過計算正洗初期會造成陽床出水Na+濃度比正常運行時高出1 倍，仍然在可接受范圍內；第15分鐘至30分鐘排水中的陽離子總量與陽床上室總交換容量的比值為0.19%，排水中Cl－離子總量與陰床總交換容量的比值為0.84%，即在第15分鐘時停止正洗步驟，對陽床、陰床周期制水量的影響仍可以忽略不計。

5 方案4.2 實施后的效益計算

按照方案4.2 在正洗第15 分鐘結束后停止正洗步驟。經過多次實際運行觀察，陽床、陰床單元的投運清洗時間沒有明顯變化，陽床、陰床出水水質以及周期制水量沒有形成明顯的不利影響。

陽床正洗水由原先的50 t 減少為25 t，陽床再生總用水量由實施前的117.5 t/次減少至92.5 t/次，降低率21.3%。同時可減少再生廢水排放25 t/次。全年按照再生600次計算，每年可節約一級除鹽水1.5萬t，減少再生廢水排放1.5萬t，節約水費4.5萬元。

6 結論

在控制再生正洗過程中陽床內殘留的陽離子濃度，確保陽床投運初期出水水質合格的前提下，合理縮短陽床再生正洗時間，是降低陽床再生正洗水用量的有效方法。