《Inventions》：Improving Water Treatment Efficiency at Thermal Power Plants Through the Implementation of Resource-Efficient Technologies
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摘要：基于钠–阳离子交换的水处理系统在火电厂中广泛应用。然而，其运行过程中存在再生阶段水和氯化钠消耗高、以及产生高矿化度废水的问题。本研究提出一种综合方法，通过将再生废水循环利用与过滤运行条件优化相结合，来改善钠–阳离子交换水处理系统的性能。研究人员开展了实验
摘要：基于钠–阳离子交换的水处理系统在火电厂中广泛应用。然而，其运行过程中存在再生阶段水和氯化钠消耗高、以及产生高矿化度废水的问题。本研究提出一种综合方法，通过将再生废水循环利用与过滤运行条件优化相结合，来改善钠–阳离子交换水处理系统的性能。研究人员开展了实验研究，以评估再生废水的组成、过滤器冲洗过程中氯化物浓度和总硬度的变化，以及苏打–石灰软化法在闭环再生循环中处理溶液后续回用方面的效率。研究人员开发了一种数学方法，用于描述非平衡条件下离子交换床层内浓度前沿的传播，以确定树脂的实际工作交换容量，并预测不同过滤速度下的过滤器循环周期。该模型经实验数据验证，并已实现为用于自动计算运行参数的软件。所提出的闭环再生方案能够回用经处理的再生溶液，降低氯化钠消耗，并减少高矿化度废水的排放。所开发的计算方法为选择合理的运行条件、提高离子交换树脂容量的利用率以及减少水和试剂消耗提供了基础。废水回收技术与所提出的计算方法的联合应用，改善了火电厂水处理系统的运行、经济和环境性能。本文中，所给出的计算与实验表征、再生废水的苏打和石灰处理、浓缩再生馏分的选择性提取及其返回再生循环，以及基于计算选择运行条件相结合，统一于一个资源节约型水处理方案中。综合考虑过滤器性能与再生废水处理和回用，是本研究的新颖之处。
论文解读：火电厂钠–阳离子交换水处理系统的资源节约型优化研究
火电厂水处理是保证热力设备安全稳定运行的关键环节，其中降低水中钙、镁离子引起的硬度是防止换热表面结垢、减少设备磨损和能耗的重要任务。工业上最常用的软化技术是钠–阳离子交换法，常采用单级或两级系统。然而，尽管该技术在乌克兰火电厂广泛使用，其运行却面临两大难题：一是再生过程消耗大量水和氯化钠；二是产生大量高矿化度废水，主要含有钙、镁氯化物和残余氯化钠，直接排放会增加天然水体的矿物负荷。此外，传统工程计算方法多针对设备设计阶段，难以在运行负荷和过滤工况变化时合理选择运行参数，导致再生剂过量消耗、树脂容量利用不充分和运行成本升高。现有处理再生废液的技术往往成本高、流程复杂，且需要专用设备。因此，开发闭环再生方案并改进计算方法，对于提高资源利用效率、减少环境污染具有重要意义。本研究旨在通过开发再生废液回用技术和改进钠–阳离子交换过滤器运行参数计算方法，提升火电厂水处理系统的综合效率。论文发表在《Inventions》。
研究人员开展了多项相互关联的研究工作。首先，对运行中钠–阳离子交换水处理装置产生的再生废水进行了取样分析，重点关注过滤器反洗初期高浓度盐分排放阶段。实验在哈尔科夫一家火电厂的化学水处理系统上进行，过滤器直径为3–3.4 m，装载KU-2-8阳离子交换树脂，树脂层高度1.6–1.8 m，处理水量为45–220 m3/h。通过滴定法测定氯化物和总硬度，发现反洗水组成变化显著：氯化物浓度在8–12分钟达到峰值后逐渐下降，结束时一级过滤器为150–200 mg/L，二级过滤器为85–90 mg/L；总硬度在5–7分钟达到峰值，一级为950–1000 mg-eq/L，二级为200–220 mg-eq/L，最终分别降至0.3–0.4 mg-eq/L和0.02 mg-eq/L。约95–97%的氯化钠在前20分钟被洗出，初始再生馏分中氯化物浓度达50–70 g/L，而末期仅0.8–1.2 g/L，表明再生废水高度不均匀，初期高浓馏分适合回收。随后采用苏打–石灰软化法处理再生废水，通过碳酸钠和氢氧化钙沉淀钙镁离子，同时保留氯化钠。实验结果显示，模型溶液处理后残余总硬度为3.9–4.7 mg-eq/L，平均实际废水样处理后总硬度稳定在2.0–2.5 mg-eq/L，氯化物浓度基本不变，满足回用要求。基于此，研究人员提出了闭环再生工艺流程，包括收集废液、化学软化、污泥分离、补充氯化钠浓度和回用处理液。该方案可使新鲜水消耗降至120.97 m3/h，并将70%的再生溶液返回循环，从而减少盐耗和废水排放。
在过滤器运行优化方面，研究人员实验测定了不同过滤速度（3、5、7 m/h）下的穿透时间和循环周期。结果表明，过滤速度从3 m/h增至7 m/h时，穿透时间从6.43小时缩短至1.80小时，未利用交换容量对应的水体积从0.017 m3增至0.032 m3。这是因为较高流速缩短了水与树脂的接触时间，加速浓度前沿移动并扩大了传质区，导致更多树脂未饱和即穿透。为更准确描述非平衡离子交换行为，研究人员建立了描述传质区内离子浓度分布的数学模型，将滤层离散为多层，考虑非平衡修正系数，并用Python 3.11.3结合牛顿迭代法数值求解。该模型可计算液相和树脂相中的离子浓度分布，进而确定动态交换容量和过滤器工作周期。通过对比模型计算值与实验值，在5 m/h和7 m/h过滤速度及5、6、8 mg-eq/dm3初始硬度条件下，整体均方根误差（RMSE）为8.87 mg-eq，平均绝对误差（MAE）为8.12 mg-eq，平均绝对百分比误差（MAPE）为9.33%，决定系数（R2）为0.835，表明模型能较好地再现未利用交换容量随硬度和流速增加而升高的趋势。验证数据范围有限，仍需更广泛的实验来推广模型。
基于该计算方法和公式（3）–（8）及（16）–（17），研究人员开发了一套操作人员决策支持软件（ARM 1.21.0），可自动计算过滤器运行参数、可视化浓度前沿并优化运行条件。对实际运行过滤器在10–20 m/h流速范围的计算表明，当过滤速度从20 m/h降至13 m/h时，过滤器穿透前运行时间从11.33小时增至18.76小时（提高65.6%），工作交换容量从980增至1052 g-eq/m3（提高7.3%），月盐耗降低10.5%，自用水耗降低16.1%。进一步降至10–12 m/h并不会使所有指标同步改善，因此需根据系统需求选择最优运行模式。
讨论部分指出，苏打–石灰软化仅去除钙镁离子，不能去除氯离子，多次循环后溶解盐可能累积，因此需进行氯离子平衡监测并控制pH、硬度、电导率等指标。同时，沉淀产物的分离需要设置澄清设施。本工作未研究长期循环对树脂寿命的影响，未来需在工业条件下验证。与传统经验系数法相比，所提数值方法能更真实地描述高流速下浓度前沿展宽现象。该研究的核心创新在于将离子交换运行优化与再生废水处理整合在同一工程框架中，形成资源节约型低废水循环。结论部分总结了研究主要成果：苏打–石灰处理可有效去除硬度离子并保留氯化钠；闭环再生技术可使氯化钠需求减少多达70%，再生废水体积减少约20%；新数学方法可预测穿透时间和有效工作容量；自动化软件可降低计算误差，使水和试剂消耗降低10–15%，离子交换容量利用率提高至91%；综合实施上述方案可使火电厂水处理总体效率提高约15–20%，同时减少试剂消耗、再生频率、废水产生量和环境负担。
