摘要：根据多年来的工程实践经验，提出了一级反渗透装置后续“两级混床”实际使用中存在的问题，并通过不同水源，从理论上计算后证明，全新的“阴床＋混床”作为一级反渗透装置后续化学除盐工艺，相比以往常用及传统的反渗透装置后续化学除盐工艺，具有最低的设备投资，最少的酸碱耗量及废水排放量；其适用水质范围之广，是反渗透装置后续“两级混床”工艺所不能相比拟的。
关键词：一级反渗透；后续脱碳器（如果需要）；阴床加混床；混床阳阴树脂比例
前言 目前在电力行业已有工程开始实质性地使用“全膜法”制取纯水，即以“超滤+ 两级反渗透+ 电除盐装置”替代传统的化学除盐工艺，但是鉴于电站纯水制备系统的大容量及该系统及装置现阶段相对比较高的投资成本，故一级反渗透装置的后续除盐工艺仍以化学除盐系统为主，“反渗透+ 化学除盐”系统仍不失为纯水制备领域内比较经济及环保的选择。而反渗透装置后续化学除盐系统目前实际使用中存在基本形式有一级除盐+ 混床；两级混床。两种一级反渗透装置后续化学除盐工艺各有千秋，本文详细探讨这两种一级反渗透后续化学除盐工艺系统的适用水质条件、存在的问题及相关的解决办法。
1.问题的提出
根据多年来采用苦咸水膜反渗透装置的使用经验，其至少可去除 95%～97%以上的溶解性盐类，当原水含盐量较高，则基本考虑采用“一级反渗透+一级除盐+ 混床”；随着反渗透膜技术应用的日趋广泛，越来越多的工程项目其原水含盐量并不高，如小于 500mg/L，一般也会考虑选用“超滤+ 一级反渗透装置”作化学除盐的前处理。对于后续化学除盐系统，有的采用 “一级除盐+ 混床”，也有选用“两级混床”，从投资来看，后者更节省些，对原水含盐量较低的水质，也能保证出水品质。但是，在实际选用了“两级混床”的工程运行中，发现该系统中一级混床的周期运行时间偏短，再生频繁，再生酸、碱耗高，且由于体内再生混床对失效树脂再生前的分离有一定技术要求，所以整个再生过程耗时又耗力，为此，目前作为一级反渗透装置后续的“两级混床”方案已遭到设计及运行的初步否定。
2.问题的分析及讨论
根据设计经验，对一级反渗透装置后的一级除盐系列，若采用串联系统，其阳、阴离子交换器的匹配比较难于确保阳床先于阴床失效，为此在设计中，不得不加大阴床的设备直径或阴床填装工作交换容量较大的丙烯酸型树脂、甚至一级除盐的串联系列改用母管制系统。通过分析一级反渗透装置的出水水质发现，对于含盐量不很高的水源，RO 出水中其它离子含量均为 ppb 级，而 HCO3-和 CO2其含量则为 ppm 级，这就加速了一级混床中阴离子的失效。在反渗透装置一定的回收率下，当进水碳酸盐硬度较高，阻垢剂不能有效地控制其浓水侧碳酸钙结垢倾向时，即浓水的 LSI 指数值大于阻垢剂实际所能控制的不结垢 LSI 值，则原水在添加阻垢剂的同时，还需考虑加酸；反之，则不必加酸。
反渗透进水在加酸（pH<4.5）的条件下，水中的HCO3-基本以 CO2形态存在，而反渗透装置对 CO2气体基本无去除功能，所以，后续系统必须设置脱碳器，而脱碳器出水的残余[CO2]一般为5mg/L，但事实上，随着阻垢剂品种的不断改进，其阻垢功效也在不断提高，目前绝大部分碳酸盐硬度不太高的反渗透装置的进水，根据计算，是可以不加酸的，只需添加适量的阻垢剂即可起到防止反渗透浓水侧结垢的目的。
在反渗透装置进水不加酸的条件下，当原水[HCO3-] 小于 150 mg/L 时，则反渗透装置产水的[CO2]也在约 5～5.5mg/L 左右，其数值接近于脱碳器出水[CO2]，则可不设脱碳器；但是，若原水[HCO3-]高到一定值，则反渗透后续系统宜设置脱碳器。所以，诸多工况表明：在一般原水水质条件下，反渗透及脱碳器（如需设置）出水中 [HCO3-]与[CO2]之和是占全部阴离子含量的绝大多数，它们是制约一级反渗透装置后续阴离子交换树脂周期运行时间的主要因素，这就是“两级混床”系统中一级混床周期运行时间较短的原因所在。
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无论一级反渗透装置后续化学除盐系统为何种形式，后续系统中是否需设置脱碳器，都应根据反渗透装置之出水中 CO2含量来确定。即使反渗透装置后续设置脱碳器，则脱碳器进水相比后续一级除盐列之脱碳器的进水工况，其 pH 是有区别的，这主要因为后续一级系列之阳床出水 pH 相对其较低（但仍远高于无反渗透装置的阳床出水），有利于水中的 HCO3-转化为 CO2（转化率由反渗透产水的pH 决定），并被脱碳器所去除。而反渗透装置后续脱碳器的进水，除非反渗透装置进水加酸调节 pH到一定值，则水中 HCO3-全部转化为 CO2，否则水中HCO3-由反渗透膜去除大部分，另一部分则转化为CO2，此时，脱碳器主要用于去除高于 5mg/L 以上部分的 CO2，而反渗透装置产水残余部分 HCO3-主要为后续设备中的阴离子交换树脂所去除[1]。
3.问题的解决
为了有效去除 HCO3-和 CO2，可以采用强碱阴离子交换器来替代两级混床系统的第一级混床，因为只有强碱阴树脂具有有效去除水中残余 HCO3-和CO2之功能，即用阴床中强碱阴离子交换树脂来交换反渗透（包括脱碳器）出水中的全部残余阴离子，而利用阴床后续的混床中之强酸阳离子交换树脂交换反渗透产水中的全部残余阳离子。考虑到阴床出水中阴离子含量很低，为了提高混床的周期运行时间，可将常规混床之阳、阴树脂之比由 1：2 调整为 2：1。
4.相关问题的思考
（1）前面主要提出一级反渗透装置后续“两级混床”工艺存在的问题，讨论了一级反渗透装置后续化学除盐工艺采用“阴床+ 混床”的优势所在。在此，特别说明是，应区别对待两级反渗透装置后“两级混床”存在合理性的认识，这主要由于两级反渗透系统之第二级反渗透装置进口均应考虑加碱，维持 pH 在 8.3 以上，使水中剩余的 CO2全部转化为HCO3-，并被第二级反渗透装置所去除，所以在第二级反渗透装置加碱后，“两级混床” 前可不设脱碳器，而该系统之一级混床的周期运行时间并不受水中 HCO3-及 CO2的影响，该混床设计上仅考虑用于去除除 HCO3-及 CO2以外的全部残余离子即可，即一级混床的周期运行时间仅受第二级反渗透装置产水含盐量的影响，其工作条件是第二级反渗透装置进口加碱装置必须连续地工作，且与第二级反渗透装置同步运行。
（2）对于反渗透装置前加酸可避免结垢，又可使水中的 HCO3-转化为 CO2，并可节省阻垢剂的加入量，只不过后续需设置脱碳器而已，为何对于原水不优先考虑反渗透装置进水加酸的方法？这主要是由于反渗透进水加盐酸或硫酸，一方面增加系统的耗酸量，此外由于加酸引入的 Cl-或 SO42-离子，会导致反渗透产水强酸阴离子含量的增加，从而增加后续强酸阴离子交换器中阴树脂的工作交换负荷，同样由此也增加了阴床的耗碱量及其碱性废水的排放量。可见，反渗透装置进水加酸的方法既不环保、也不一定经济[2]。
5.结 论
一级反渗透装置后续的“两级混床”之其中一级混床，周期运行时间偏短原因在于：经一级反渗透装置（或经脱碳器），其出水中 CO2及 HCO3-成了需被去除杂质离子的主要成分，因其加速了一级混床中阴树脂的失效。全新的一级反渗透装置后续化学除盐工艺采用“阴床+ 混床” 系统适用于较高及以下含盐量的水源；一级反渗透装置后续“两级混床”仅适用于低含盐量或中等含盐量、高碱度的水源；一级反渗透装置后续“一级除盐+ 混床”工艺，仅在原水含盐量较高时选用才具有经济性及环保意义。一级反渗透装置后续化学除盐工艺中是否设置脱碳器与水源的碱度有关，应根据反渗透装置产水水质来确定其设置与否，以达到最经济地去除水中游离二氧化碳、减少后续强碱阴离子交换树脂的工作负荷、节省阴树脂碱耗、减少废水排放的目的。相比一级反渗透装置后续其它两种传统的化学除盐工艺，全新的“阴床 + 混床”系统具有：工艺系统简化、设备投资低、出水水质好、酸碱耗量低、系统能耗省、废水排放量小、运行费用少及运行管理简单，具有明显的社会效益和经济效益，可达到以较低的投资费用及运行成本，来获得高品质纯水的目的。
参考文献：
[1] 叶华，蔡冠萍. 反渗透后续化学除盐系统方案探讨[J]. 净水技术，2006，25（2）：70-73.
[2] 赖长蓉，何玉涛. 反渗透除盐技术在三水改造工程中的应用[J]. 川化，2009（1）：10-14.
论文作者:黄洁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
标签：反渗透论文; 装置论文; 脱碳论文; 阴离子论文; 系统论文; 两级论文; 化学论文; 《电力设备》2017年第16期论文;