水处理学习笔记（三）软化、除铁锰、精滤、温度调节工艺|交换器|原水|树脂|软化|阳离子

今日阅读（2024.01.11）

《反渗透系统优化设计与运行》靖大为、席燕林编著贾世荣审核

第二章传统预处理工艺与技术

2.3水质的软化工艺

2.4除铁及除锰工艺

2.5精密及保安滤器

2.6水体的温度调节

摘要及总结

阳离子主要包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+

阴离子主要包括CO3(2-)、HCO3-、SO4(2-)、Cl-、NO3-

难溶盐主要包括CaCO3、CaSO4、MgSO4，结垢主要出现在浓水段。

树脂软化工作原理

水处理用离子交换树脂是由空间网状结构母体（以R表征）与附属在母体上的活性功能团构成的不溶性高分子化合物。带有酸性功能团的交换树脂称为阳离子交换树脂，当活性功能团的可交换离子为Na+时，树脂称为钠型阳离子交换树脂（以RNa表征）。

交换树脂的置换反应遵循如下两项原则：

①各离子浓度相等的低含盐量水体中，阳离子交换树脂交换阳离子的选择性次序为

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>H+

②水体中各离子浓度不相等时，高浓度离子将被优先交换。

备注：一般而言，Ca2+、Mg2+浓度远高于Fe3+、Al3+离子浓度。

软化过程反应式，向右表示软化过程，向左表示再生过程，置换单位为摩尔

2RNa+Ca2+(Mg2+)⇄R2Ca(Mg)+2Na+

树脂软化工艺过程

多数树脂软化工艺采用动态固定式单层床结构，软化器运行时水流自上至下流经树脂层。在固定床中交换树脂分层参与交换，且分层交换饱和，从上至下分别形成失效层（完全饱和）、工作层（部分饱和）和未工作层。

原水硬度＜5mmol/L 时，采用一级软化，硬度可降至0.03mmol/L (以CaCO3计)。

原水硬度在5-10mmol/L时，采用两级软化工艺。

备注：原水硬度c(1/2Me)为Ca2+、Mg2+摩尔浓度之和的1/2。

树脂工作层的厚度选择跟流速，原水水质，树脂粒径相关。流速越快，水质越差，粒径越大则所需厚度越大，反之则可以适当降低。

树脂再生工艺过程

当软化器中的树脂交换饱和时，需要进行再生处理，以恢复树脂的交换能力。树脂的再生过程依再生盐液的流向分为顺流再生与逆流再生。

顺流再生：再生盐液自上而下，优先交换上端树脂，无法保证下端树脂有效再生。可通过延长再生时间、增加再生盐液用量提高再生效果。

逆流再生：再生盐液自下而上，优先交换下端树脂，产水水质能得到更好保障。过程中有可能产生乱层现象，设备较顺流再生设备复杂。

树脂再生主要步骤

①反洗工序

树脂失效后首先需要用反洗水对树脂自下而上进行反洗。反洗过程可以清除树脂层截留的悬浮物和破碎树脂等杂质，可以破坏树脂板结即使树脂松动以便再生盐液在树脂层中均匀分布。反洗水最好用软化处理过的清水，用系统原水进行反洗的效果较差。反洗流速约为10m/h，反洗时间为10-15min。

②再生工序

反洗工序结束后,应进入再生工序。树脂的再生过程遵循等物质交换原则，lmol NaCl可以恢复交换树脂的1mol交换容量。再生过程中，再生盐液浓度应保持在 5-10%，再生液流速应控制在6-8m/h。

国产001*7的湿态树脂按照全交换量2.0mol/L 与密度0.85kg/L计算，再生每千克强酸性阳离子交换树脂，理论上需 58.5*2/0.85=137.75g NaCl，而欲达到较好再生效果的实际盐耗约为理论盐耗的 2.0-3.5 倍，即每千克树脂耗盐 275.5-482g。顺流再生盐耗较高应取其高值，逆流再生盐耗较低可取其低值。

③水体置换

水体置换是再生工序的延续步骤。再生工序结束及停止进盐后，交换器上部及树脂内还有未参与再生的盐液，为充分利用这部分盐液，且排出软化器中的再生盐液及再生产物，应继续以再生液的流向和流速向树脂床注入清水，使交换器内的再生液在进一步再生树脂的同时被排出软化器。一般置换水量为0.5-1倍树脂体积。

④盐箱补水

再生盐水吸完后,应向盐箱中补充再生所需水量。25℃条件下，1L 水体溶解 360g盐时达到饱和程度(浓度为 26.4%)。为使盐箱中的盐液达到饱和，应确保溶解时间大于6h，且盐箱中有足够的固体盐。

⑤正洗工序

水体置换结束后或备用交换器开始投运前,为排出软化器中的再生盐液及再生产物，需用清洗水按原水运行流向进行正向清洗，直至出水硬度合格方为树脂正洗结束。一般正洗水量为 3-6倍的树脂体积。

软化工艺设计参数

①树脂层高离子交换器中树脂层高 H1应为 0.60-0.75m，为使反洗时树脂具有充分的膨胀空间，树脂层上部空间高度 H2应为树脂层的50-100%。交换器高度H(m)应为树脂层高 H1与层上空间高度 H2之和：

H=H1+H2

②交换流速交换流速V 应在 20-30m/h 范围之内，水体硬度较高时，流速应取低值。

③容器直径在系统产水量Q已知条件下，交换器直径L(m)应为:

L=2√(S/π）=2√〔Q/（V*π）〕

④树脂交换量国产001*7的湿态树脂的全交换量为 2.0mol/L，密度为0.85kg/L，工作交换量指数为0.8。因此，树脂交换量为 2.0*0.8/0.85=1.88mol/kg

⑤周期制水量软化器设计中的一个基本关系：

树脂装填量(m³)*树脂交换量(meq/m³)=周期制水量(m³)*原水硬度(meq/m³)

设计时一般留有余量，可选择0.8左右安全系数。

除铁及除锰工艺

地下水中的铁常以 Fe(HCO3)2形式存在，当水体升至地面时，Fe2+ 遇氧会被氧化成Fe3+，形成的红棕色沉淀物 Fe(OH)3可经过滤去除，其反应式为

4Fe（2+）+O2+10H20→4Fe(OH)3↓+8H+

曝气法：将铁含量5-15mg/L的原水氧化沉淀，降低其含量至0.3mg/L以下。

除铁锰过滤：先水体继续充氧（加一个气水混合器），然后锰砂催化净化。

精密及保安滤器

截留粒径均在1-100μm之间过滤工艺，统称为精密过滤工艺。因精密过滤器在反渗透工艺系列中的特定作用，常被称为保安过滤器。

熔喷滤芯：在塑料挤出机中将聚丙烯粒料加热至熔融状态，在熔融态聚丙烯通过喷头细孔挤出的同时，用细孔两侧排出的热风将其吹拉成长纤维，当熔融态长纤维接触到旋转的圆柱形金属棒时纤维在其表面固化。圆柱形在金属棒不断旋转过程中，固化的聚丙烯纤维在其外侧将反复多层缠绕形成简状结构，将该筒状结构定长切割并与金属棒脱离即可形成熔喷滤芯。一般规格为长1000mm，内径28mm，外径63mm。过滤精度5-10μm，设计产水流量1.0-1.5m³/h，初始工作压差50kPa，最高工作压差150kPa。

水体的温度调节