河北省基础测绘设施技术保障中心 河北石家庄市 050000
1.概述
北方某事业单位直饮水系统进水原水为市政自来水，主体处理工艺为“多介质过滤器+RO反渗透膜”。直饮水系统设计流量1.0m³/h，RO反渗透系统设计产水率为60%，则浓水产量为0.4m³/h。RO反渗透系统主要去除水中的余氯、Ca2+、Mg2+、Fe2+、SO42-等溶解态离子。
根据直饮水系统日常运行情况统计，RO反渗透系统浓水产量约0.6~2.5m³/d。浓水离子浓度高、盐分含量高，电导率在5000~7000μS/m范围内。该浓水直接排放时，氯离子含量比较高，可能对接入市政管网的钢筋混凝土管造成腐蚀。同时，该单位内暖通空调系统每日需要补充水量约3.0m³/d。为节约用水，保护环境，通过分析每日产水量、浓水水质以及暖通系统补充水水质要求，确定使用“离子交换树脂软化工艺”对其进行处理。处理水回用于暖通空调系统补充水，实现浓水零排放。
2.设计水量
用水旺季为每年的6 ~9月份。本次研究中，选取2019年7月份用水量数据进行分析。7月份为北方最热月份，居民日常饮用水量高于春秋季节。直饮水系统自来水用水量、浓水产水量见下图：
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图1 自来水处理水及浓水产量
根据上表及现场运行数据可知，7月份直饮水系统处理量在0.9~6.0m³/d范围内，日平均处理量为3.7m³/d。此外7月份共有4个周末，在周末时间段，属于法定公休假期，饮用水量减少，自来水日处理量较工作日大幅度减少。双休时间段，直饮水系统处理量在0.9~2.1m³/d范围内，日平均处理量为1.6m³/d。
根据现场统计情况分析，7月份直饮水系统RO反渗透工艺浓水产量在0.6~2.5m³/d范围内，浓水平均产量为1.6m³/d。双休时间段，RO反渗透系统产水量为0.4~0.8m³/d。7月份RO反渗透系统浓水产率在37.0~48.0%范围内变化，平均浓水产率为41%。
综上所述，本次中水回用系统研究中，为防止出现极端不利情况，中水回用系统设计处理速率与直饮水系统处理速率保持一致，为1.0m³/h。
3.设计水质
直饮水系统进水为市政自来水，市政自来水满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）。RO反渗透系统处理后，浓水中主要成分为余氯、Ca2+、Mg2+、Fe2+、SO42-等溶解态离子。
暖通空调系统补充水水质应满足《采暖空调系统水质》（GB/T29044-）2012中补充水水质要求。
表1 设计进出水水质
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4.中水回用工艺选择
4.1工艺原理
暖通系统补充水需要软化水，软化即降低水的硬度。RO反渗透系统浓水中硬度高、电导率搞，需对其进行软化处理。树脂软化水系统主要由三部分构成，即离子交换部分、盐再生部分和控制部分。离子交换部分主体是离子交换树脂，分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。可去除水中的离子。因此，当软化水设备使用一段时间后，需用再生药剂对树脂进行再生处理，恢复树脂的效能，提高树脂的使用寿命。控制部分可实现整套系统的自动运行，根据系统的运行时间或通过水量进行自动控制。
其工作原理如下：
树脂离子软化水系统通过离子交换原理，去除水中钙、镁等结垢离子，使水质软化。同时可去除水中氯离子等盐分离子，降低对暖通管路系统的腐蚀程度。软化系统系统是由树脂罐（阴离子型、阳离子型）、控制器等组成的一体化设备。RO反渗透出水原水通过该系统时间，使水中的硬度成分Ca2+、Mg2+与树脂中的Na+相交换，从而吸附水中的Ca2+、Mg2+，使水得到软化。
以RNa代表钠型树脂，其交换过程如下：
2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+；
2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+；
即水通过钠离子交换器后，水中的Ca2+、Mg2+被置换成Na+。其他离子去除原理与之相同。
4.2工艺选择及参数
本次研究中，针对反渗透系统浓水特点，针对不同离子，选用阴离子及阳离子树脂交换设备。其设备主要工艺参数如下：
树脂交换流速：15~20m/h，瞬时30m/h；工作压力：0.2-0.6MPa；树脂高度1.2m；工作温度：2~50℃；树脂型号：001×7型阴离子交换树脂、002×7型阳离子交换树脂入口压力低于0.2MPa需加装管道泵；设备总压损：0.03Mpa；pH范围：1~14；罐体材料为玻璃钢，板厚10mm，设计处理水量1.0m³/h。
5.运行效果及影响因素分析
5.1运行效果
离子交换设备运行以来，运行效果良好，出水满足《采暖空调系统水质》（GB/T29044-）2012中补充水水质要求。
5.2运行影响因素分析
（1）运行流速
运行流速越大时，单位水头损失增加，需要的外加动力越大，树脂有效利用率就会下降，但设备单位时间产水能力会提高。过大的流速会造成原水只与树脂表面接触进行离子交换，树脂内部利用率降低。树脂表面交换容量约占树脂总交换容量18~22%的，树脂内部里面可以提供约82~78%的交换容量。因此，需要合理的确定运行过程中树脂运行流速。
本次研究中，建议运行流速控制在10~15m/h。
（2）水与树脂接触时间
原水与树脂的接触时间越长，其反应交换就越充分，单位体积树脂的利用率提高，但单位时间树脂的产水能力下降。接触时间越短，交换越不充分，单位体积树脂的交换能力下降，而单位时间树脂的产水能力提高。因此运行中合理的确定树脂离子软化器的接触时间对于设备的经济运行非常重要。
通过日常运行，建议每小时水流量为树脂装载体积的8~40倍。
（3）树脂层高度
离子交换树脂层较低时，因交换流速对其树脂交换容量的影响比较明显。当树脂层高的达762mm时，可降低树脂层高度造成交换能力减弱的不利影响。
通过本次研究，建议树脂层高度宜大于800mm。
6.结论与建议
（1）利用树脂离子交换设备处理北方某事业单位直饮水系统RO反渗透工艺浓水具有较好的处理效果，出水均能达到《采暖空调系统水质》（GB/T29044-）2012中补充水水质要求。
（2）通过运行发现，主要控制影响参数如下：建议运行流速控制在10~15m/h，树脂层高度大于800mm，每小时水流量为树脂装载体积的8~40倍。
（3）建议对其离子树脂交换设备运行，核算其电耗、药耗以及人工成本，争取最大化的环保经济效益。