2.3　水质的软化工艺

无机盐在反渗透系统中被截留的同时，在给浓水区被浓缩。由于膜系统的回收率一般不超过85％，无机盐的浓缩一般不超过6.5倍。大部分溶解度高的盐分随浓水排出系统，而溶解度低的硬度物质可能在排出系统之前已经超过饱和极限，在给浓水区膜表面析出沉淀，形成膜污染。为防止硬度物质对膜系统的污染，预处理系统需要用软化工艺去除钙、镁等硬度物质成分。

2.3.1　树脂软化工作原理

自然水体中的无机盐以多种阴阳离子形式存在，阳离子主要包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+，阴离子主要包括、、、Cl-、。当系统给水被浓缩时，CaCO3、CaSO4、MgSO4等难溶盐首先饱和析出。软化工艺是用离子交换树脂中的Na+置换出原水中构成难溶盐的Ca2+、Mg2+，以防止难溶盐的饱和析出，进而提高系统的难溶盐极限收率。

水处理用离子交换树脂是由空间网状结构母体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。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：

　　 （2.2） 　　

②水体中各离子浓度不相等时，高浓度离子将被优先交换。

由于一般系统原水中Ca2+、Mg2+浓度远大于Fe3+、Al3+浓度，Ca2+、Mg2+等硬度物质离子将优先进行交换反应，故该离子交换工艺称为软化工艺。用钠离子交换树脂进行软化处理的过程是使原水径流通过钠型阳离子交换树脂，让水中高浓度Ca2+、Mg2+与树脂中高浓度Na+相交换，从而减少水中的Ca2+、Mg2+浓度，以实现水体的软化。

如以R表征树脂母体即树脂的网状结构，以RNa表征树脂中活性基团的可交换离子Na+与钠型树脂，则式（2.3）表征了离子交换的互逆反应过程。软化运行过程中，因树脂中的钠离子浓度高，反应向式（2.3）右侧转移。钠离子交换树脂对Ca2+、Mg2+交换饱和后，为恢复交换功能需要进行再生处理。再生过程中再生盐液中的钠离子浓度高，反应向式（2.3）左侧转移：

　　 （2.3） 　　

树脂的置换反应以摩尔为单位，钙、镁、钠的毫克当量分别为20.0、12.1、23.0，钙、镁与钠的等毫克当量交换即软化过程中，水体总含盐量将略有上升。

2.3.2　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。含Ca2+、Mg2+的原水从上至下流经树脂层时，水中的Ca2+、Mg2+首先与床体上层树脂中的Na+进行交换，并使床体上层树脂首先饱和失效，形成失效层（或称饱和层）。形成失效层后，原水透过失效层，在其下方的工作层（或称交换层）中继续进行Ca2+、Mg2+与Na+的交换。工作层下方树脂未曾进行交换，故称为未工作层（或称保护层）。

交换床的理想工作过程就是工作层自上而下的平行运动过程。工作层底部到达软化器底部时，软化器出水Ca2+、Mg2+浓度即出水硬度开始上升，工作层顶部到达软化器底部时，软化器完全失效。图2.6以示出软化器出水硬度与累计产水量的关系曲线。

一般认为，进水硬度<50mg/L（以CaCO3计）为软水，50～150mg/L为中度硬水，150～300mg/L为硬水，>300mg/L为高度硬水。一级软化工艺的进水硬度应不高于6.5mmol/L，二级软化工艺的进水硬度应不高于10mmol/L。在该进水条件下，软化工艺的硬度指标可小于0.03mmol/L。

图2.7所示软化器树脂层中的工作层厚度随下列因素而变化：

①运行流速　水体通过交换剂层的流速越快，工作层越厚。

②原水水质　出水质量标准一定时，原水中要去除的离子浓度越高，工作层越厚。

③树脂粒径　树脂的粒径越大，水流温度越低，交换反应的速率慢，工作层越厚。

与反渗透系统的单元结构形式、连续或间歇运行方式等特点相配合，软化工艺一般采用单一固定床的间歇运行方式，或一开一备、多开一备等多固定床的连续运行方式。

2.3.3　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。再生盐液流向与运行原水流向相同时称为顺流再生，两流向相反时称为逆流再生。润新软化器的再生过程存在反洗、再生、置换、正洗等主要步骤。

（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，1mol NaCl可以恢复交换树脂的1mol交换容量。国产001×7的湿态树脂按照全交换量2.0mol/L与湿视密度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。每摩尔树脂的NaCl耗量即食盐比耗与树脂再生程度间的关系示于图2.8。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。再生效果对再生液的硬度十分敏感，应尽量用软化处理过的清水作再生液，特别应避免用高硬度原水。

（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℃工况条件下，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。

2.3.4　树脂的顺逆流再生

无论是顺流与逆流再生，交换工序中的原水均自上而下穿过树脂层，当软化器开始失效时，软化器上端的失效层树脂已完全失效，而下端的工作层树脂尚未完全失效。

顺流再生时，再生盐液从上而下穿过树脂层时首先接触上端树脂，因再生盐液中的钠离子浓度很高，水中钙镁离子浓度很低，上端树脂将得到很好的再生效果。当再生盐液到达树脂底端时，再生盐液中的钠离子浓度下降、水中钙镁离子浓度上升，下端树脂得不到很好的再生效果。软化运行过程中，当再生效果好的上端树脂已失效而将再生效果差的下端树脂作为工作层或未工作层时，将产生一定程度的硬度泄漏致使产水水质下降。如欲使下端树脂得到较好的再生效果，则要延长再生时间、增加再生盐液用量，使再生过程的经济性下降。但由于顺流再生的工艺与设备简单，一些中小型软化系统仍常采用顺流再生工艺。

逆流再生时，再生盐液从下而上穿过树脂层首先接触下端树脂，下端树脂的再生效果好，上端树脂的再生效果差。由于软化出水最后接触的是被彻底再生的下端树脂，产水水质可得到很好保证。未彻底再生时，上端树脂仍然有交换作用，至多是上端树脂的失效周期相应缩短。逆流再生的产水水质较好，再生成本较低，但为克服特有的乱层现象，逆流再生的工艺与设备较为复杂。图2.9给出顺流再生与逆流再生工艺中产水硬度的运行时间特性。

2.3.5　软化工艺设计参数

软化工艺设计应遵循以下基本数值关系。

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　　（2.4）

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：

　　 （2.5） 　　

由此可知，软化容器截面积S（m2）为：S=πL2/4；树脂装填量U（m3）为：U=SH1

④树脂交换量　国产001×7的湿态树脂的全交换量为2.0mol/L，湿视密度为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是：

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）　　（2.6）

在已知树脂装填量、原水硬度及树脂交换量条件下，运用式（2.6）可得周期制水量即软化累计产水量，考虑不完全再生等因素的影响，设计实用的软化累计产水量还应乘以0.8的安全系数。

⑥软化产水指标　当原水总硬度小于5mmol/L时，经过一级软化工艺的产水硬度可降至0.03mmol/L（以CaCO3计）以下。当原水总硬度大于5mmol/L而小于10mmol/L时，应采用两级软化工艺。

2.3.6　多路阀与软化装置

软化器多路阀在过滤器多路阀基础上，加强了阀体与控制器的功能，有别于砂滤、炭滤器多路阀的特点包括：

①在控制器上可实现运行时间或累计流量两种再生周期的控制方式。

②多路阀体上增加了吸盐与盐水回灌两个工序以满足软化工艺要求。

③采用可调的虹吸方式吸盐，从而减少了注盐泵设备及其控制装置。

软化器的再生周期控制存在累计时间与累计流量两种方式，图2.10所示软化器多路阀系统对外共有原水、软水、排污、盐水四个水口。根据多路阀组位置的时序变化，构成了如图2.11所示，由软化、反洗、再生、置换、回灌及正洗六个工序形成的工作与再生循环。表2.5列出了一部分润新自动软化阀的规格。