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 ◎ 相關知識 > 離子交換和反滲透能耗比較  
-- 離子交換和反滲透能耗比較

由於水處理設備的工藝是根據不同的源水水質和出水要求而設計的,
從而針對不同的原水水質特點而設計水處理方案才是最經濟有效的方案,同時也是出水水質長期穩定達到要求的保證。
  除鹽處理工藝的要求是多樣的,各工廠對不同技術的看法也是不同的。例如有些用戶希望用反滲透技術,而有些用戶則希望用更傳統的技術如離子交換,另外有些用戶則以低投資為主要考慮因素。   
    離子交換法處理有以下特點:
  優點:
  ◇預處理要求簡單、工藝成熟,出水水質穩定、設備初期投入低;
  ◇由於製水原理類同於用酸堿置換水中離子,所以在原水低含鹽量的應用區域運行成本較低。
  缺點:
  ◇由於離子交換床閥門眾多,操作複雜煩瑣;
  ◇離子交換法自動化操作難度大,投資高;
  ◇需要酸堿再生,再生廢水必須經處理合格後排放,存在環境汙染隱患;
  ◇細菌易在床層中繁殖,且離子交換樹脂會長期向純水中滲溶有機物
  ◇在含鹽量高的區域,運行成本高
  從80年末開始,膜法水處理在我國得到了廣泛應用,反滲透就是除鹽處理工藝的膜法水處理工藝之一。
  反滲透法處理有以下特點:
  優點:
  ◇反滲透技術是當今較先進、穩定、有效的除鹽技術;
  ◇與傳統的水處理技術相比,膜技術具有工藝簡單、操作方便、易於自動控製、無汙染、運行成本低等優點,特別是幾種膜技術的配合使用,再輔之經其他水處理工藝,如石英砂、活性炭吸附、脫氣、離子交換、UV殺菌等
  ◇原水含鹽量較高時對運行成本影響不大
  ◇缺點:
  ◇預處理要求較高、初期投資較大
  本文以地下水為原水,生產250m3/h除鹽水(5MΩ.cm)為例,就離子交換和反滲透兩種處理方法在工藝、占地方麵、和運行成本作簡要比較。

2  工藝比較

 2.1離子交換法
  1)離子交換處理工藝流程:
  2)流程簡介:
  原水首先進入無閥濾池進行預處理直流入過濾水槽,再通過過濾水泵送水至陽床上部,在床中與強酸陽樹脂接觸,樹脂將Ca2+、Mg2+、Na+、K+、等陽離子從水中置換到樹脂上,除去陽離子後的水從塔下流出並送入脫CO2塔上部,在塔內與塑料多麵空心球接觸形成水膜, HCO3-很快分解成CO2和H2O,通過風機將CO2從塔頂吹除,從而大大減輕陰床的負荷。脫除CO2的水進入中間水池,中間水泵將水送入陰床,在床中與強堿陰樹脂接觸,樹脂將水中SO42-、Cl-、NO3-等陰離子置換到樹脂上,水中的陰離子被除去。經一級除鹽後的水再進入混床除去少量殘存陽、陰離子和SiO3,經混床處理製得合格的的除鹽水。
  交換過程中,陽床、陰床和混床因交換劑飽合而失效,這時由再生係統對陽床、陰床和混床進行再生。再生結束進入下一周期,再生廢水經處理合格後外排。
  3)流程單元說明:
  預處理:
  無閥濾池:
  地下水經采集後在無閥濾器中將濁度降低至5NTU,避免汙泥在後續床層上積聚,影響樹脂交換能力。
  預除鹽
  陽床:
  經陽床交換後,原水中98%的陽離子將被除掉,而變成軟水,陽床出水呈酸性。陽床運行周期一般設計為24-48小時,若要更長時間,則設備和樹脂將增大,不經濟。在運行周期內一般要設計小反洗,避免水流將樹脂層壓實,而影響樹脂交換能力。失效後的陽樹脂可以用鹽酸或硫酸進行再生,本例以鹽酸為再生劑。
  脫碳塔:
  一般來說地下水堿度都在100mg/l以上,所以經陽床脫除金屬離子後,碳酸氫根轉化成大量的CO2,設置脫碳塔的目的就是將CO2去除。經脫碳塔後的CO2含量會在5mg/l,這樣大大降低陰床的負荷。
  陰床:
  陰床的作用原理與使用要求與陽床類似,隻是去的是陰離子。陰樹脂失效後選用氫氧化鈉再生。
  上述過程為一級除鹽水,它的電導率<10μs/cm,SiO2<0.2mg/l,能滿足中壓鍋爐給水要求。但是若需更高品質除鹽水,就得在一級除鹽水的基礎上進行深化處理。
  精除鹽
  混床:離子交換法精除鹽的方法有二級除鹽、多級除鹽及混床除鹽。常用的經濟有效的方法是混床除鹽。經混床處理過的除鹽水,它的電導率<0.2μs/cm,SiO2<0.01mg/l。混床失效後,需用酸堿同時對陽、陰樹脂進行再生。
  廢水處理
  廢水池:陽床、陰床和混床再生的過程都會產生酸堿廢水,直接外排將對環境造成汙染,所以必須收集起來,經處理合格後外排。廢水池起到收集廢水、調節廢水、中和廢水的作用。
  再生係統
  酸、堿貯槽和計量泵及混合器共同完成再生過程供液、計量的作用。
  整個工藝過程比較煩瑣的是陽床、陰床和混床再生時要多次倒換閥門,而且一般每天或間隔一天就需再生,所以操作難度大,通常須配置經驗豐富的操作人員。若采用自動控製,則控製點多、閥門要求高,投資很大。同時酸堿耗量大,再生廢水也多。另外由於樹脂對非極性的大分子沒有去除能力,所以製水過程中可能會出現細菌殖生。
 2.2反滲法
  1)反滲透處理工藝流程:
 2)流程簡介
  原水經原水泵送到石英砂過濾器降低濁度,在活性炭過器中降低COD,膠體及有機大分子的含量。活性炭出水再送至保安過濾器進行最後的預處理,使原水SDI<5mg/l,滿足反滲透(RO)主機的進水要求。經保安過濾器後的合格水由高壓泵送至RO主機反滲透進行除鹽處理。反滲透膜截留下的有機物、膠體和鹽無機鹽由濃水側直接排掉,不會給環境造成汙染。產品水由膜清水側送出至脫碳塔,除去滲透至清水的二氧化碳氣體。脫氣後的一級除鹽水送至混床進行最後的精除鹽。另外反滲透膜運行12-18月需進行一次化學清洗,以保證膜的透水量。
 3)流程單元說明:
  預處理
  反滲透的預處理要求比離子交換法嚴格,主要目的是解決如下問題:
  (1) 防止反滲透膜麵結垢(包括CaCO3、CaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2、鐵、鋁氧化物等在膜麵沉積);
  (2)防止膠體物質及懸浮固體微粒汙堵;
  (3)防止有機物的汙堵;
  (4)防止氧化性物質對膜的氧化破壞;
  (5)保證進水水溫,保持反滲透裝置產水量穩定。
  該過程主要包括加熱器、加藥裝置、多介質過濾器、活性炭過濾器、保安濾器等設備。
  石英砂過濾器:
  配製石英砂過濾器,用於截留水中的懸浮物和膠體雜質,降低反滲透進水濁度,過濾器一般出水濁度≤1NTU。當出水大於1NTU或進出口壓差大二0.01Mpa,過濾器需進行反洗。所以反洗周期及反洗時間視原水濁度而定。反洗時在進水同時送入壓縮空氣,擦洗濾料。
  活性炭過濾器:
  濾器內裝填淨水專用顆粒活性炭,用於吸附水中餘氯和有機物,降低進水COD含量,活性碳過濾器出水的餘氯(PPm)<0.1。活性炭過濾器反洗以設備運行時間(或壓差)來控製反衝洗周期。
  阻垢劑投加係統: 為防止硬度離子及膠體等雜質在反滲透膜麵上結垢,特在反滲透裝置進水中添加阻垢劑,加藥量一般為3~4 mg/l,具體由進水水質決定。
  保安過濾器:
  反滲透裝置前配置保安過濾器,以防止顆粒進入高壓泵及RO膜組件,損傷高壓泵部件和劃傷反滲透膜表麵.保安過濾器濾芯采用外層精度為10μm,內層精度為3-5μm;這樣不僅提高了過濾精度,還提高了濾芯使用壽命。因為普通濾芯為均一精度,在外表層堵塞後,就需更換;由於內外層精度不一,對進水不同粒徑的大小粒子進行分層截留,充分利用了濾芯的內外表層,提高了粒子的截留效果。在正常工作條件下,濾芯可維持6-8個月以上的使用壽命,比普通濾芯壽命提高50%。當過濾器進出口壓差達到1.0Kg/cm2時需更換濾器內濾芯。
  以上預處理也可采用超濾(UF)等其它膜法處理方式。
  一級除鹽:
  高壓泵:
  高壓泵是反滲透膜實現物理分離過程的動力源,目前低壓膜的運行壓力在1.5Mpa以內。
  反滲透(RO)主機:
  反滲透(RO)主機是一級除鹽的心髒部分,由滲透膜、膜殼和輔助閥門和儀器組成。反滲透膜已發展到超低壓、低汙染的複合膜,單根膜脫鹽率達99.5%。在RO裝置運行期間,設間斷自動快衝衝洗。在RO裝置停運時,用產品水自動衝洗,擠排膜和不鏽鋼管道中的高TDS殘水,使停運膜完全浸泡在淡水中,可以防止膜的自然滲透造成的膜損傷,去汙除垢,使裝置和RO膜得到有效保養。經反滲透處理,原水中絕大部分無機鹽、有機物、微生物、細菌被截留。經反滲透處理的產品水可達到電導率<10μs/cm,SiO2<0.2mg/l。
  反滲透裝置清洗:
  在長期運行過程中,反滲透膜麵上總會日積月累水中存在的各種汙染物。從而使裝置的性能(產水量和脫鹽率)下降,組件進、出口壓差升高。為此,除日常啟停裝置前,進行低壓衝洗外,還需進行定期化學清洗。
  化學清洗流程如下:
  清洗水箱→清洗泵→清洗過濾器→反滲透裝置
    ↑-------------------------------↓

  反滲透法製取除鹽水是一個物理過程,所以比離子交換法環保。同時處理過程簡單,易操作,自動程度化高,人工幹預量小。同時係統的管理與維護簡單。
  3、占地麵積比較(以地下水為原水,生產250m3/h除鹽水(5MΩ.cm)為例)
  
項  目
離子交換法(m2
反滲透法(m2
預處理、一級除鹽部分
415
485
精除鹽部分
375
315
廢水處理部分
400
125
其  它
445
425
合  計
1635
1350
小 結
離子交換法比反滲法占地麵積大,原因是離子交換法需要酸、堿再生需要酸、堿貯槽和廢水處理池
  4、經濟運行比較(以地下水為原水,生產250m3/h除鹽水(5MΩ.cm)為例)
  1)設備投資
項  目(包含土建)
離子交換法(萬元)
反滲透法(萬元)
噸水投資額
2.50-3.00
3.00-4.00
總投資(250噸)
625-750
750-1000
小  結
本投資為初略估算,工藝路線和自動化程度不同,投資也不一樣
  2)工藝酸堿、酸耗量:
項  目(8000h計)
離子交換法(t)
反滲透法(t)
陽床酸平均耗量(30%計)
925
 
陰床堿平均耗量(20%計)
1430
 
混床酸平均耗量(30%計)
10
10
混床堿平均耗量(20%計)
25
25
噸水耗酸量(10-3kg/t)
0.47
0.005
噸水耗堿量(10-3kg/t)
0.73
0.013
小  結
離子交換法全年要消耗大量的酸和堿,在酸、堿貯運、樹脂再生過程中要產生大量的酸堿廢水,所以反滲透法在環保方麵比離子交換法有更大的優勢
3)裝機容量及運轉負荷:
項  目
離子交換法
反滲透法
裝機容量(Kw.h)
269.00
398.00
運轉負荷 (Kw.h)
210.50
270.00
噸水耗電量(Kw.h/t)
0.84
1.08
小  結
反滲透法比離子交換法電耗稍高
4)水利用率:
項  目
離子交換法
反滲透法
係統回收率
88%
75%
小  結
由於陽床、陰床和混床再生需要水,所以整個過程原水會一定損失,據經驗回收率在88%左右。而反滲透的回收率在75%,但反滲透濃水的隻是在鹽份上較高,其濁度都比原水好。對水重複利用較好的廠家通常都將濃水引入到其它係統可以實現對很高的係統回收率。
5)水運行成本

 項   目
離子交換法(元/噸)
反滲透法(元/噸)
水成本(原水按1.50元/噸計)
1.50÷88%=1.70
1.50÷75%=2.14
酸成本(鹽酸按700元/噸計)
700×0.47×10-3=0.33
 
堿成本(堿按1000元/噸計)
1000×0.73×10-3=0.73
 
電耗成本(按0.25元/KWh)
0.84×0.25=0.21
1.08×0.25=0.27
合  計
2.97
2.41
反滲透法年節約成本(萬元)
2.97-2.41)×8000×250÷10000=112
小  結
反滲透法運行成本低是有明顯的優勢,由於反滲透除鹽方法,極易實現自動控製,人工幹預小,人工成本也比離子交換法低。
 
 

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