天地人視角-離子交換工藝在滲濾液處理中的應用

2017-09-06

在工業給水處理中，離子交換法主要是用于軟化、脫堿、除鹽和制高純水等；在工業廢水處理中，主要是用于回收貴金屬離子。在污水回用深度處理中，主要用于處理用其他方法難于去除的重金屬離子或強毒性陰離子等，達到污水回用的目的。本文簡述介紹了離子交換工藝原理，主要用來解決DTRO膜出水的氨氮和總氮超標問題，作為滲濾液處理達標排放的一種應急備用方案。
1. 離子交換工藝介紹
離子交換過程包括運行-反洗--再生-慢速清洗-快速清洗（正洗）。
離子交換法具有去除率高，選擇性好，設備較簡單、容易實現自控操作、樹脂再生后可重復使用、節約成本等優點。
離子交換工藝不足包括應用范圍受到離子交換樹脂品種、性能、成本的限制；離子交換樹脂的再生和再生液的處理有時也是一個難題；離子交換樹脂被污水中的膠體和有機物污染，特別是懸浮性有機物，會導致樹脂結塊問題。
2. 離子交換樹脂的選擇性
離子交換樹脂對不同離子的親和力有一定的差別。一般來說親和力大的離子容易被樹脂所吸附，但是在再生時置換洗脫下來比較困難；親和力小的離子不容易被樹脂所吸附，但是再生時容易被置換洗脫下來。離子交換樹脂的這種性能稱為選擇性。

圖1 離子交換樹脂
離子交換樹脂的選擇性如下：
強酸性陽離子交換樹脂的選擇性順序為：
Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>H+>Li+
弱酸性陽離子交換樹脂的選擇性順序為：
H+>Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH4+>Na+>Li+
強堿性陰離交換樹脂的選擇性順序為：
Cr2O72->SO42->CrO42->NO3->Cl->OH->F->HCO3->HSiO3-
弱堿性陰離子交換樹脂的選擇性順序為：
OH->Cr2O72->SO42->CrO42->NO3->Cl ->HCO3-
位于順序前列的離子可以交換位于順序后列的離子。
3. 離子交換工藝在滲濾液項目中的應用
在排水水質為《生活垃圾填埋場污染物控制標準》（GB16889-2008）（表3）該排放標準中NH4+-N為8mg/L，總氮為20mg/L。雖然DTRO對各項污染物質均有極高的去除率，對氨氮、總氮的去除率也高，但是考慮到當填埋場到了晚期，生化無法運行時，為了保證出水氨氮、總氮穩定達標，增設離子交換系統保證工程的最終出水各項指標均能達標排放。
3.1 生化+MBR+DTRO工藝
在DTRO后設置對NO3-和NO2-離子有很強吸附去除能力的陰離子交換器。清液中如果總氮超標，其總氮主要以NO3-和NO2-離子存在，含NO3--N和NO2--N的清液經過陰離子交換柱，水中的陰離子NO3-和NO2-取代樹脂中的OH-離子，去除了水中的硝態氮和亞硝態氮，從而達到去除總氮的目的。
樹脂罐運行一段時間后，由于樹脂吸咐交換了一定量的NO3--N和NO2--N后，使得樹脂交換能力降低甚至樹脂達到飽和，需要進行再生處理。利用NaOH中的OH-離子吸附樹脂中的陰離子，通過離子置換進行再生。樹脂吸附和再生如下所示：
樹脂吸附：
NO3-+R-OH?R-NO3+OH-
NO2-+R-OH?R-NO2+OH-
樹脂再生：
OH-+ R-NO3?NO3-+R-OH
OH-+ R-NO2?NO2-+R-OH
3.2 兩級DTRO工藝
在DTRO后設置對NH4+離子有很強吸附去除能力的陽離子交換器。清液中如果總氮超標，其總氮主要以NH4+-N存在，含NH4+-N的清液經過陽離子交換柱，水中的陽離子NH4+取代樹脂中的H+離子，去除了水中的NH4+-N和總氮。
樹脂罐運行一段時間后，由于樹脂吸咐交換了一定量的NH4+后，使得樹脂交換能力降低甚至樹脂達到飽和，需要進行再生處理。利用H2SO4中的H+吸附樹脂中的陽離子，通過離子置換進行再生。樹脂吸附和再生如下所示：
樹脂吸附：
NH4++ R-H ?NH4-R +H+
樹脂再生：
NH4-R +H+-? NH4++ R-H

圖2 離子交換成套設備圖
4. 離子交換工藝主要設備配置
序號
設備
數量
單位
備注
1
離子交換罐
2
個
串聯，玻璃鋼材質
2
陽（或陰）離子交換樹脂
1
套

3
酸（或堿）液箱
1
個
配攪拌器
4
原水泵
1
臺

5
正反洗泵
1
臺

6
防腐化工泵
1
臺
加酸（或堿）
7
pH傳感器
1
個

8
電控柜
1
個

9
閥門
1
批

以150t/d進水計，成套離子交換設備占地約3.5m×1.5m，投資為14萬左右。運行成本為電費和樹脂更換費用。其中設備運行功率約為3kW，樹脂更換費用約6000元/套，更換周期為2年。

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