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水處理技術

2018-7-10 15:29:33      點擊:

50多年來,我國水污染防治工作雖然經歷了五個發展階段,作了許多工作,在一定程度上控制了水污染發展趨勢,但是我國面臨的水污染形勢十分嚴峻。我國城市普遍存在這水污染問題,1996年《中國環境公報》指出,在統計的138個城市河段中,133個受到不同的污染。70%以上的城市河段不宜作飲用水源,50%的城市地下水受到污染。長江、黃河、珠江、淮河、松花江、遼河、海河等七大水系的水質不斷惡化,水污染程度在加劇,范圍在擴大。湖泊水庫普遍受氮磷和有機物的污染,個別湖水出現重金屬污染。近年來,我國沿海水體富營養化日益嚴重,赤潮發生的頻率逐年增高,范圍逐年擴大。據海洋研究所的報告,從1993年至1997年我國已觀察到的赤潮中,東海共發生132次,黃渤海共發生72次,南海發生61次。1999年7月,渤海在不到10天內連續發生兩次大面積赤潮。我國水污染如此嚴重,這是長期以來城市排水工程欠帳太多之故,每年有近300億立方米污水未經處理直接排放,使水環境的污染量大大超過了自凈能力所能承受的程度,從而破壞了水的良性循環,導致水資源危機的加劇,進而影響城市的可持續發展。本篇文章來源:軟水器 http://www.850565.tw

水處理(水處理系統,水處理設備或水處理工程),簡單的講就是通過物理的或化學的手段,去除水中一些對生產、生活不需要或者有害的物質的過程。
水是為了適用于特定的用途而對水進行的沉降、過濾、混凝、絮凝,以及緩蝕、阻垢等水質調理的過程。由于社會生產、生活與水密切相關。因此,水處理領域涉及的應用范圍十分廣泛,構成了一個龐大的產業應用。
  常說的水處理包括:給水處理和排水處理兩大類。給水處理一般是以將水處理可以應用為前提,是提供給工業使用或者居民使用為目的的水處理系統或水處理設備。排水處理是指將工業生產或者居民生活產生的工業廢水和生活污水處理到能達標排放的污水處理系統或者廢水處理系統。



第一章常用計量單位

1、長度單位:

千米(Km)=103米

                米(m)=103毫米

                毫米(mm)=103微米

                微米(μm)=103納米

                納米(nm)=10-9米

納米技術是今天高科技領域的一個熱門話題,科學家們研究發現,在納米級的微細狀態下,物質的構成和性能較通常狀態有奇異的變化,導致了很多新材料新工藝的誕生。

2、重量單位:

噸(T)=103千克

千克(Kg)=103克

克(g)=103毫克

毫克(mg)=10-3微克

微克(μg)=10-6克

納克(ng)=10-9克

3、體積單位:

方(m3)=103升

升(L)=103毫升

美制加侖(G)=3.78升

4、重量體積比(溶液濃度):

1 ppm=1mg/L    (百萬分之一濃度)

1 ppb=1μg/L    (十億分之一濃度)

1 ppt=1 ng/L     (萬億分之一濃度)

5、壓力單位:

千克力/平方厘米(kg/cm2)=0.1兆帕斯卡(Mpa)

6、電導率

電導率是表示水中溶解離子導電能力的指標。沒有離子的理想純水,不會產生電流。電導 率用電導率儀測量,其單位為微西門子/厘米(μs/cm)。電導率也是測量水中離子濃度的簡便方法,但不能精確反映離子種類。離子構成不同,電導值也不同;但電導的數值隨離子濃度增加而增加。TDS(溶解固體總量)儀是利用變換因子將電導率值轉換為TDS值。在水質分析中,可用不同離子對應的不同轉換系數或溶解固體總量(TDS)對應的單一轉換系數,估算電導率的數值。可用二氧化碳的ppm濃度的平方根乘以0.6求得其電導率;硅離子對電導率變化不產生影響。RO高純水最精確的電導率數值是在線測量的。否則,高純水暴露于空氣之中,將改變其二氧化碳含量。導致電導率降低。

7、 電阻值 (MΩ.cm)

電導率(μs/cm)和 電阻值 (MΩ.cm)其數值互為倒數值,為水的純度的測定方法單位之一。水中含有陰陽離子,離子為導電介質,通過測量水的電導率(電阻值)可以表明水中的所含離子的多少,由此間接反映了水的純度的高低。通常,我們習慣用電導率反映純水的純度,用電阻率反映超純水的純度。電導國際單位為西門子(Siemens),代號為S,純水的電導值很低,常用μS表示。電阻國際單位為歐姆,代號為Ω,超純水的電阻值很大,常用MΩ表示。

5μs/cm=0.2MΩ.cm

1μs/cm=1MΩ.cm

0.5μs/cm=2MΩ.cm

0.2μs/cm=5MΩ.cm

0.1μs/cm=10MΩ.cm

18.25MΩ.cm=0.055μs/cm

8、TDS值

 指水中溶解性固形物總含量(Total Dissolved Solids縮寫),通常用以測量源水的水質,測量工具即是TDS筆,測量原理實際上是通過測量水的電導率從而間接反映出TDS值。水中溶解的可溶性固形物越多,它的TDS值越大,水的電導率也越大,通常TDS值約為電導率測試值的1/2,中國長江流域城市自來水TDS值通常為100~200ppm,黃河流域自來水TDS值通常為300~600ppm。

備注:TDS值與水的含鹽量(也稱礦化度)是不同的兩種概念,TDS值通常大于水的含鹽量,因為TDS不僅包括水的溶解鹽量,還包括了溶解的有機物質。只有在水很干凈有機物含量很低的前提下,才可用TDS值近似表示水的含鹽量(或礦化度)。國標生活飲用水的TDS值要求為≤100ppm。

9、濁度

    由于水中含有懸浮及膠體狀態的微粒而發生渾濁現象,其渾濁的程序即稱為渾濁度(單位為“度”),1升的水中含有1mg的SiO2(二氧化硅)的渾濁程度即為1度,國標生活飲用水的濁度要求為小于5度。

10、PH值

PH值表示水中H+濃度的負對數值,也稱為氫離子指數,PH值能夠表示出溶液酸性、堿性的變化幅度的數量級的大小。

強酸性水溶液:PH<5.0

弱酸性水溶液:PH=5.0~6.4

中性水溶液: PH=6.5~8.0

弱堿性水溶液:PH=8.1~10

強堿性水溶液:PH>10

11.脫鹽率和透鹽率

脫鹽率――通過反滲透膜從系統進水中去除可溶性雜質濃度的百分比。

脫鹽率=(1-產水含鹽量/進水含鹽量)×100%

透鹽率――進水中可溶性雜質透過膜的百分比.。

透鹽率=100%-脫鹽率

回收率=(產水量/進水流量)×100%


第二章水中的雜質

H2O=H++OH-

在自然界中,單純由H2O分子構成的純水是不存在的,水中通常含有以下各種雜質:

1、顆粒物質:水中不溶性的大于10μm的無機和有機雜質(其中大于40μm的肉眼可見),如自來水中常有的泥沙、金屬氧化物或氫氧化物等。

2、離子物質:指溶于水后解離為陰、陽離子的物質,水中陰、陽離子的總和稱作水的含鹽量。水中鐵錳(Fe2+、Mn2+)含量超標(>0.3mg/L),應通過錳砂過濾器或曝氣裝置去除鐵錳離子,否則將會對RO膜形成不可清除的沉積污堵。

3、膠體:按大小,膠體是介于離子和顆粒物之間的物質,其尺寸在0.1μm~0.01μm,通常帶有負電荷,易與有機物質結合。

4、有機物:物質可分為有機物和無機物兩大類,碳氫類化合物屬有機物,非碳氫類化合物為無機物。有機物通常可以燃燒,為構成生命的主要物質。天然有機物主要為水生生物產生的腐殖酸。近年來,工業廢液、肥料、殺蟲劑等人工合成有機物對水環境有很大污染。溶解于水中的有機物質,主要是多功能團芳香族類的大分子弱性有機酸,易吸附在RO膜濾層而導致RO膜性能的衰退。

5、氣體:O2、CO2、NH3、N2等部分氣體可溶于水,在水中反應后生成某些酸根離子,影響成品水的水質。超純水若敞放于空氣中,水質即迅速下降。

6、微生物:細菌、病毒、孢子等,其尺寸為微米級。

7、熱原:純水屬極低營養環境之水體,但仍有少量細菌——革蘭陰性類細菌可以生存,其及誘導菌類進入人體血液,會導致發熱,高燒甚至死亡,故稱為熱原(又稱為內毒素)。注射用水和生物細胞類實驗用水要求必須去除熱源。

注:內毒素(Endotoxin),又名脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS),主要是革蘭氏陰性細菌(Gram-Negative Bacterial,GNB)合成的一種毒素,是細菌細胞壁的外部結構由O-特異性側鏈、核心多糖、類脂A組成。其中核心多糖分為連接O-特異鏈的外核部分和連接類脂A的內核部分,內核部分含有庚糖的2-酮基-3-脫氧辛酸(KDO)兩種特殊的糖類分子,而KDO和類脂A具有毒性[1]。這些成分性質穩定,耐熱、毒性較外毒素弱,對組織器官無選擇性[2]。人們已逐漸認識到感染狀態所致的全身炎性反應綜合征(SIRS)以及進一步惡化發展成為多器官功能障礙綜合征(MODS)使嚴重感染患者走向死亡的主要途徑,而該惡性進展的關鍵啟動因子即為內毒素[4]。內毒素可直接和一系列宿主炎性細胞如單核細胞、中性粘細胞、內質細胞相互作用,刺激其釋放腫瘤壞死因子(TNF)和白介素1(IL-1)等細胞因子。當機體接受大量的內毒素刺激時,將觸發強力的炎癥反應,最終導致敗血性休克[3]。

8、消毒劑:原水經自來水公司處理后,水中會留有次氯酸鈉等消毒劑,余氯為強氧化物質對RO膜有相當的破壞作用,故要以活性炭單元濾除余氯。可以使RO膜產水量加大脫鹽率降低。

第三章水的分類

在不同的場合,水有不同的種類區別,其水質亦有明顯的差別。

1、地下水與地表水

地下水——有機物和微生物污染較少,而鈣鎂等離子則溶解較多,硬度較高易結水垢;有時鐵/錳/氟離子超標,不能滿足生產生活用水需求。

地表水——較地下水有機物和微生物污染較多,如果該地屬石灰巖地區,其地表水往往也有較大的硬度,如四川的德陽、綿陽、廣元、阿壩等地區。

2、硬水與軟水

硬水——水中鈣鎂等金屬離子的總濃度稱為硬度,硬水對鍋爐等生產用水影響很大,應對其進行軟化/脫鹽處理。硬度大于200mg/L的通常就稱之為硬水。

軟水——即硬度較小的水。

3、原水與凈水

原水——通常是指水處理設備的進水,如常用的城市自來水(國際稱為生活飲用水)/城郊地下水/野外地表水等,常以TDS值(水中溶解性總固體含量)檢測其水質,中國城市自來水TDS值通常為100~400ppm。

凈水——原水經過水處理設施處理后即稱之為凈水。

4、純凈水與蒸餾水

純凈水——原水經過反滲透和殺菌裝置等成套水處理設施后,除去了原水中絕大部分無機鹽離子、微生物和有機物雜質,可以直接生飲的純水。

蒸餾水——以蒸餾方式制備的純水,通常不用于飲用。

5、純水和超純水

純 水——以反滲透、蒸餾、離子交換等方法制備的去離子水,其TDS值通常<5PPm,電導率通常<10μs/cm(電阻值>0.1MΩ.cm)。

超純水——以離子交換、蒸餾、電除鹽等方法將純水進一步提純去離子即得,其TDS值不可測,電導率通常<0.1μs/cm(電阻值>10MΩ.cm),其離子幾乎完全去除。理論上最純水電阻值為18.25 MΩ.cm。

6、純化水和注射用水

純化水——醫藥行業用純水稱之為純化水,電導率通常要求<2μs/cm。

注射用水——純化水經多效蒸餾/超濾法再次提純去除熱原后用以配制注射劑。


第四章水處理的基礎知識

(一)、反滲透處理技術

1、 滲透基本原理

當純水和鹽水被理想半透膜隔開,理想半透膜只允許水通過而阻止鹽通過,此時膜純水側的水會自發地通過半透膜流入鹽水一側,這種現象稱為滲透,若在膜的鹽水側施加壓力,那么水的自發流動將受到抑制而減慢,當施加的壓力達到某一數值時,水通過膜的凈流量等于零,這個壓力稱為滲透壓力,當施加在膜鹽水側的壓力大于滲透壓力時,水的流向就會逆轉,此時,鹽水中的水將流入純水側,上述現象就是水的反滲透(RO)處理的基本原理。

2、反滲透簡介 

 RO(Reverse Osmosis)反滲透技術是利用壓力差為動力的膜分離過濾技術,源于美國二十世紀六十年代宇航科技的研究,后逐漸轉化為民用,目前已廣泛運用于科研、醫藥、食品、飲料、海水淡化等領域。
  RO反滲透膜(材質為芳香族聚酰胺復合材料)孔徑小至納米級(1納米=10-9米),在一定的壓力下,H2O分子可以通過RO膜,而源水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法通過RO膜,從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來。
  RO膜過濾后的純水電導率 ≤5 μs/cm, 符合國家實驗室三級用水標準。再經過原子級離子交換柱循環過濾,出水電阻率可以達到18.2M .cm,超過國家實驗室一級用水標準(GB682—92)。

.脫鹽率和透鹽率

1原水水質2原水溫度3原水PH質4操作壓力5進水流量6回收率..    回收率/15/100(廠家數據)  30/100(建議使用數據)

RO膜在使用和保存中有如下注意事項:

脫鹽率――通過反滲透膜從系統進水中去除可溶性雜質濃度的百分比。

脫鹽率=(1-產水含鹽量/進水含鹽量)×100%

透鹽率――進水中可溶性雜質透過膜的百分比.。

透鹽率=100%-脫鹽率

回收率=(產水量/進水流量)×100%

膜型號解釋:

1812:  18表示膜的直徑1.8英寸*2.54=4.572厘米;  12表示膜的長度12*2.54=30.48厘米3020:  30表示膜的直徑3.0英寸*2.54=7.62厘米;    20表示膜的長度20*2.54=50.8厘米

 3、滲透預處理目的及考慮因素

使用反滲透系統時,尤其應注意原水預處理。為了避免堵塞反滲透系統,原水應經預處理以消除水中的懸浮物,降低水的濁度;此外,還應進行殺菌以防微生物的孽生長大。由于反滲透對原水中的懸浮物的要求很高,所以常用一種水質對受懸浮物污染情況的污染指數來對水質進行檢測。此法實質上是測定反滲透系統受水中懸浮物的污堵的情況。進入反滲透系統水的污染指數以不大于5為宜,建議值一般小于3。預處理時還應該考慮到進水的pH值。各種半透膜都有其最適宜的運行pH值,故需按反滲透膜的要求,調節進水的pH值。預處理時還應該考慮到進水的溫度。膜的透水量是隨水溫的增高而增大的,但溫度過高會加快醋酸纖維素膜的水解速度,且使有機膜變軟,易于壓實。所以,對于有機膜來說,通常將溫度控制在約20—40℃范圍內為宜,復合膜溫度控制在約5—45℃范圍內

4、滅菌的必要性

在水處理工藝中,活性碳過濾器用于對有機物的吸附和對過量氯(余氯)的吸附去除,對前者去除能力較差,通常為50%,對后者則很強,可以完全脫除余氯,這是由于在對余氯吸附的同時,還有自身被氯化的作用。活性碳吸附水中營養物質,可以成為細菌微生物的溫床,微生物對水的阻力影響較大,因此,應定期進行反洗處理。如果反洗不能奏效時,應進行滅菌處理。實際上,按照進水濁度安排合理的反沖洗制度更具有實際意義,由于微生物膜與微生物黏泥難于清凈,采取空氣擦洗是必要的。

5、預處理中滅菌應怎樣做

水的常規滅菌處理為投藥與紫外線滅菌。例如目前廣泛作為飲料水的純凈水就是經反滲透脫鹽后,再經紫外線殺菌處理的。小容量用水(小于10t/h),可以使用二氧化氯或臭氧殺菌。工業上生產中則以氯氣或次氯酸鈉為多見,也可使用二氧化氯或臭氧。外購的氯氣用鋼瓶貯存,用加氯機投加,電解食鹽(或海水)得到的是次氯酸鈉,無需專用投加設備,即可送入被處理水中。

臭氧用凈化過的空氣經高壓放電裝置制取,目前有中小型臭氧發生器用于小區供水或中央空調冷卻水系統的滅菌,同樣適用于反滲透裝置的滅菌處理,多余的臭氧同樣可以用活性碳吸收處理。二氧化氯可由氯酸鈉制取,在飲用水處理和工業冷卻水處理中使用的也很多。氯酸鈉有爆炸危險,應謹慎使用。

在反滲透水處理工藝中,除了運轉中的殺菌之外,還有設備停用中的殺菌問題。通常在停機48h以內可用原水沖洗,超過48h可用1.5%亞硫酸氫鈉液保存,達到2周應使用甲醛消毒液殺菌或廠家提供的消毒液滅菌。萬萬不可用市售的84消毒液對膜元件殺菌!

6、如何減少故障和降低反滲透清洗頻率

減少故障和降低反滲透清洗頻率,應該采取以下措施。

a) 在取得水質全分析的基礎上設計反滲透系統;

b) 在進行設計前確定RO進水SDI值;

c) 如果進水水質變化,需要作出相應的設計調整;

d) 必須保證足夠的預處理;

e) 選擇正確的膜元件,醋酸纖維素膜或者低污染膜元件對于處理比較復雜的地表水或污水可能更為適用;

f) 選擇比較保守的水通量;

g) 選擇合理的水回收率;

h) 設計足夠的橫向流速及濃水流速;

i) 對運行數據進行標準化。

7、膜元件長期停用保護措施如何

長期停用保護方法適用于停止使用30天以上,膜元件仍安裝在壓力容器中的反滲透系統中,保護措施的具體步驟如下:

a) 清洗系統中的膜元件;

b) 用反滲透產出水配制殺菌液,并用殺菌液沖洗反滲透系統。殺菌劑的選用及殺菌液的配制方法可參見膜公司相應技術文件或與膜公司當地代表處聯系以獲取有關技術建議;

c) 用殺菌液充滿反滲透系統后,關閉相關閥門使殺菌液保留于系統中,此時應確認系統完全充滿;

d) 如果系統溫度低于27℃,應每隔30天用新的殺菌液進行前兩個步驟,如果系統溫度高于27℃,則應每隔15天更換一次保護液(殺菌液);

e) 在反滲透系統重新投入使用前,用低壓給水沖洗系統1h,然后再用高壓給水沖洗系統5—10min,無論低壓沖洗還是高壓沖洗時,系統的產水排放閥均應全部打開。在恢復系統至正常操作前,應檢查并確認產品水中不含有任何殺菌劑。

8、膜元件長期停用保護措施如何

芳香族聚酰胺反滲透復合膜元件在任何情況下都不應該與含有殘余氯的水接觸,否則將給膜元件造成無法修復的損傷。在對RO設備及管路進行殺菌、化學清洗或或封入保護液時應絕對保證配制藥液的水中不含任何殘余氯。如果無法確定是否有殘留氯存在,應進行化學測定。在有殘留氯存在時,應使用亞硫酸氫鈉還原殘余氯,并保持足夠的接觸時間以保證還原完全。

短期保存方法適用于那些停止運行5—30天的反滲透系統。此時反滲透膜元件仍安裝在RO系統的壓力容器內。保存操作的具體步驟如下:

(1) 用給水沖洗反滲透系統,同時注意將氣體從系統中完全排除;

(2) 將壓力容器及相關管路充滿水后,關閉閥門,防止氣體進入系統;

(3) 每隔5天按上述方法沖洗一次。

O型圈破壞對膜的影響:

如果反滲透或納濾系統中某一系列或某一支壓力外殼的產水,出現含鹽量(電導率)異常升高,這就明顯地說明,“O”形圈有滲漏或該處的元件有故障。確定故障的關鍵在于所設計的膜系統應能夠方便診斷和鑒別出任何性能有異常的膜元件或系統部件:每支壓力容器應設置取樣口,裝置產水應分段以便于從出現問題的總產水中,追蹤到有問題的壓力容器,而每支壓力容器又應允許從產水管內插入取樣管探測產水電導率,以確定故障具體位置。“O形圈泄漏是最常見的水質下降的原因,但是如果已經辯別出某支元件有故障時,我們建議將它解剖開來,以確定問題所在,陶氏化學也提供各種膜故障分析的收費服務。

9.、多介質過濾器的濾料選擇應注意什么

多介質過濾器(含雙濾料過濾器)的過濾材料應有足夠的化學穩定性,各介質的相對密度和粒徑應有一定差別,由無煙煤與石英砂組成的雙層濾料過濾器所用的無煙煤相對密度為1.4—1.6,粒徑為0.8—1.8mm,石英砂相對密度為2.6—2.65,粒徑為0.5—1.2mm;3層濾料過濾器除了以上兩種濾料外還可以用錳砂、磁鐵礦之類的重質礦石,其相對密度為4.7—5.0,粒徑為0.5—4mm。

應該注意的是,多介質過濾器雖然有一定的簡化預處理系統作用,但是不能以一種過濾器代替必須設置的其他濾器,這主要取決于原水情況。如果使用自來水作原水,通常可以免除過濾器,直接配置活性炭過濾器即可;如果使用深井水作原水,深井水的鐵、錳等變價離子含量很低,使用多介質過濾器即可;如果使用河床淺井水則還應布置細紗過濾器作前置過濾;如果使用地表水做原水,則混凝和多級過濾都是必要的。

(二)EDI電除鹽

1、原理介紹

EDI(Elcctrodeionization)是一種將離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術相結合的純水制造技術。它巧妙的將電滲析和離子交換技術相結合,利用兩端電極高壓使水中帶電離子移動,并配合離子交換樹脂及選擇性樹脂膜以加速離子移動去除,從而達到水純化的目的。在EDI除鹽過程中,離子在電場作用下通過離子交換膜被清除。同時,水分子在電場作用下產生氫離子和氫氧根離子,這些離子對離子交換樹脂進行連續再生,以使離子交換樹脂保持最佳狀態。

EDI設施的除鹽率可以高達99%以上,如果在EDI之前使用反滲透設備對水進行初步除鹽,再經EDI除鹽就可以生產出電阻率高達成18M .cm以上的超純水。 EDI 膜堆是由夾在兩個電極之間一定對數的單元組成。在每個單元內有兩類不同的室:待除鹽的淡水室和收集所除去雜質離子的濃水室。淡水室中用混勻的陽、陰離子交換樹脂填滿,這些樹脂位于兩個膜之間:只允許陽離子透過的陽離子交換膜及只允許陰離子透過的陰離子交換膜。樹脂床利用加在室兩端的直流電進行連續地再生,電壓使進水中的水分子分解成 H+及 OH-,水中的這些離子受相應電極的吸引,穿過陽、陰離子交換樹脂向所對應膜的方向遷移,當這些離子透過交換膜進入濃室后, H +和 OH-結合成水。這種 H+和 OH-的產生及遷移正是樹脂得以實現連續再生的機理。

當進水中的Na+及 CI-等雜質離子吸咐到相應的離子交換樹脂上時,這些雜質離子就會發生象普通混床內一樣的離子交換反應,并相應地置換出 H+及 OH-。一旦在離子交換樹脂內的雜質離子也加入到 H+及 OH-向交換膜方向的遷移,這些離子將連續地穿過樹脂直至透過交換膜而進入濃水室。這些雜質離子由于相鄰隔室交換膜的阻擋作用而不能向對應電極的方向進一步地遷移,因此雜質離子得以集中到濃水室中,然后可將這種含有雜質離子的濃水排出膜堆。

2、系統特點

⊙ 產水水質高而穩定。

⊙ 連續不間斷制水,不因再生而停機。

⊙ 無需化學藥劑再生。

⊙ 設想周到的堆疊式設計,占地面積小。

⊙ 操作簡單、安全。

⊙ 運行費用及維修成本低。

⊙ 無酸堿儲備及運輸費用。

⊙ 全自動運行,無需專人看護。

純水處理技術的發展主要經歷了陰、陽離子交換器+混合離子交換器;反滲透+混合離子交換器;反滲透+電去離子裝置等階段。“預處理 + 反滲透 + 電去離子”整套除鹽系統,有著其它處理系統無可比擬的優點,正被廣泛應用于純水、高純水的制備中。

本公司設計的RO+EDI 系統將先進成熟的 RO 工藝和 EDI 工藝結合了起來,反滲透系統取代了傳統的陽陰離子交換工藝,電除鹽裝置取代了傳統的混合離子交換器,是無需化學藥劑再生的純水處理工藝。系統的回收率取決于進水的水質情況, EDI 的回收率由濃水排放量進行控制。

3、應用領域

⊙電廠化學水處理

⊙電子、半導體、精密機械行業超純水

⊙制藥工業工藝用水

⊙食品、飲料、飲用水的制備

⊙海水、苦咸水的淡化

⊙精細化工、精尖學科用水

⊙其他行業所需的高純水制備

(三)超濾(UF)

1748 年, Schmidt 用棉花膠膜或璐膜分濾溶液,當施加一定壓力時,溶液(水)透過膜,而蛋白質、膠體等物質則被截留下來,其過濾精度遠遠超過濾紙,于是他提出超濾一語。 1896 年, Martin 制出了第一張人工超濾膜。 20 世紀 60 年代,分子量級概念的提出,是現代超濾的開始,70年代和80年代是高速發展期,90 年代以后開始趨于成熟。

超濾Ultrafiltration 同反滲透技術類似,是以壓力為推動力的膜分離技術,屬分子量水平的過濾,簡稱 UF 。在從反 滲透到微濾的分離范圍的譜圖中,居于納濾( NF )與微濾( MF )之 間,截留分子量范圍為 500-500000 道爾頓(Dalton),超濾膜的孔徑一般在 1 - 100nm 之間。
  超濾是以不對稱多空性半透膜-超濾膜作為過濾介質,阻截溶液中各種大分子溶質、微粒、膠懸體,以達到分離純化的目的。利用超濾器能有效地去除水中的微粒、膠體、細菌、熱源和有機物,適用于以分離、濃縮、凈化為目的的各種生產工藝中。高科技的生物工程、制藥工程、精細化工等行業的液料分離、精制及濃縮需要更加安全、高效的方法,傳統的真空濃縮、透析、凍干、離心分離等方法均有所欠缺;超濾技術以其使用過程簡單。

(四)紫外消解(UV)

1、原理介紹

紫外線是一種肉眼看不見的光波,存在于光譜紫外線端的外側,故稱之為紫外線,依據不同的波長范圍,被割分為A 、 B 、 C 三種波段,其中的 C 波段紫外線波長在 240 - 260nm 之間為最有效的殺菌波段,波段中之波長最強點是 253.7nm 當紫外線設備產生的足夠劑量的強紫外光照射到水、液體或空氣時,其中的各種細菌、病毒、微生物、寄生蟲或其它病原體在紫外光 UV-C 的輻射下,細胞組織中的 DNA 、 RNA 被破壞,從而阻止子細胞的再生 ,紫外線消毒設備在不使用任何化學藥劑的情況下,較短時間內(通常為 0.2-5 秒)殺滅了水中、液體或空氣中 99.9% 以  

上的細菌和病毒。科學試驗證明,波長在240-280nm 的紫外線具備有高效殺菌功能。

現代紫外線消毒技術是基于現代防疫學、光學、生物學和物理化學的基礎上,利用特殊設計的高效率,高強度和長壽命的C 波段紫外光發生裝置,產生的強紫外 C 光照射流水(空氣或固體表面),當水(空氣或固體表面)中的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其它病原體受到一定劑量的紫外 C 光輻射后,其細胞中的 DNA 結構受到破壞,從而在不使用任何化學藥物的情況下殺滅水中的細菌、病毒,以及其它致病體,達到消毒和凈化的目的。

 紫外線殺菌器以304 或 316L 不銹鋼作主體材料,以高純石英管作套管,配合高性能的石英紫外線低壓汞消毒燈管,具有殺菌力強,壽命長、支行穩定可靠等優點,其殺菌效率≥ 99% ,進口燈管使用壽命≥ 9000 小時,該產品已廣泛用于純水處理。

2、紫外線殺菌器的維護、保養:

① 紫外線殺菌器使用的最佳條件為:水溫: 5 ℃- 50 ℃進入處理設備飲用水的水質,其 1cm 的透射率為 95% - 100% 。如需要處理的水質低于國家標準時,如色度高于 15 度,濁度高于 5 度,含鐵量高于 0.3 毫克 / 升,先采用其它凈化和過濾等方法,使其凈化達標后用紫外線殺菌設備。

② 定期檢查,確保紫外線燈的正常運行。紫外線燈應持續處于開啟狀態,反復開關會嚴重影響燈管的使用壽命。

③ 定期清洗:根據水質情況,紫外線燈管和石英玻璃套管需要定期清洗,用酒精棉球或紗布擦試燈管,去除石英玻璃套管上污垢并擦凈,以免影響紫外線的透過率,而影響殺菌效果。

④ 燈管的更換:進口燈管連續使用 9000 小時,或一年之后,應更換紫外線燈管,以確保高殺菌率。更換燈管時,先將燈管電源插座拔掉,抽出燈管,再將擦凈的新燈管小心地插入殺菌器內,裝好密封圈,檢查有無漏水現象,再插上電源。注意勿以手指觸及新燈管的石英玻璃,否則會因污點影響殺菌效果。

⑤ 預防紫外線輻射:紫外線對細菌有強大的殺傷力,對人體同樣有一定的傷害,啟動消毒燈時,應避免對人體直接照射,必要時可使用防護眼鏡,不可直接用眼睛正視光源,以免灼傷眼膜。

(五)混床離子交換器

離子交換是通過離子交換樹脂在電解質溶液中進行的,可去除水中的各種陰、陽離子,是目前制備高純水工藝流程中不可替代的手段。當原水通過離子交換柱時,水中的陽離子和水中的陰離子與交換柱中的陽樹脂的H+ 離子和陰樹脂的 OH- 離子進行交換,從而達到脫鹽的目的。陽、陰和混柱的不同組合可使水質達到更高的要求。

混合床離子交換器,簡稱混床,是將陰陽樹脂按一定比例裝置填在同一交換器中,運行前將它們混合均勻。此時被處理水在通過混合離子交換床后,所產生的H+ 和 OH- 離子立即生成溶解度很低的水。混合床串聯在反滲透或一級復床除鹽系統后面,用于純水或高純水的制備。

陽離子交換器內裝001 × 7 型強酸性陽離子交換樹脂(用 30% 鹽酸作還原劑),當原水進入 H 型 陽離子交換樹脂的交換器中,使水中的各種陽離子和離子交換樹脂上的 H+ 發生反應 ,水中各種陽離子被吸附在離子交換樹脂上,而離子交換劑上的 H+ 則到了水中,它和水中各種陰離子生成各種酸類。如 HCl 、 H2SO4 、 H2CO3 、 H2SiO3 等,此時陽床出水呈酸性。陽床出水中 HCO3 占陰離子總含量的 40-50% ,如不除去將會增大陰床的負荷,影響陰床的工作效率,縮短陰床運行周期,增加制水成本。當水的 PH 值低到 4.3 時,水中的碳酸化合物,基本以游離 CO2 的形式存在。在平衡條件下, CO2 溶解度只有 0.6mg/L ,而陽床出水 CO2 的溶解度約為 10mg/L ,很容易從中析出。脫碳就是利用這個原理來除 CO2 。由于空氣中的 CO2 很少,即它的分壓很小,約占大氣壓力的 0.03% ,所以當鼓入脫碳器的空氣和陽床出水接觸時,水中的 CO2 便會析出。因此,二氧化碳脫磷運行時要鼓入空氣。脫碳器內裝塑料拉稀環,主要為了增加水與空氣的接觸面積。經脫碳,一般可將水中的 CO2 降至 5mg/L 左右。

 

陰離子交換器內裝201 × 7 型強堿性陰離子交換樹(用燒堿作還原劑),經脫碳器出來的酸性水,進入裝有 OH 型陰離子交換樹脂的交換器中,使水中的陰離子與離子交換樹脂上的 OH 發生反應,水中各種陰離子被吸附在離子交換樹脂上,而離子交換劑上的 OH+ 則到了水中。 由此可見, 經陽離子交換器→脫碳器→陰離子交換器處理后,水中各種離子幾乎除去,一般可除去水中含鹽量 99% 以上。

本工藝采用逆流再生方式,離子交換器工作時,水流自上而下,流過離子交換劑層。逆流再生時,再生液自下而上通過離子交換劑層。由于水流與再生液逆向流動,因此交換器下部的交換劑先與新鮮的再生液相接觸,使其得到極高的再生度。而上部再生較差的樹脂仍具有一定的交換容量。較順流具有明顯降低運行費用及出水水質良好的特點。

(六)臭氧殺菌簡介

臭氧英文名為“ OZONE ”,化學分子式為 O3 ,比通常 O2 多了一個活潑氧原子,這使它具有某些獨特功能,如殺菌消毒、除臭防霉、保鮮、清新空氣等。臭氧氧化能力極強,僅次于氟,能迅速分解有害物質,而殺菌能力強于氯,是氯的 600-3000 倍。

臭氧殺菌機理以氧化作用破壞微生物膜的結構實現殺菌作用。臭氧首先作用于細胞膜,使膜構成成份受損傷而導致新陳代謝障礙,臭氧繼續滲透穿透膜而破壞膜內脂蛋白和脂多糖,改變細胞的通透性,導致細胞溶解、死亡。

臭氧與有機物以三種不同的方式反應:一是普通化學反應;二是生成過氧化物;三是發生臭氧分解或生成臭氧化物。如有害物質二甲苯與臭氧反應后,生成無毒的水及二氧化碳。所謂臭氧分解是指臭氧在與極性有機化合物的反應,是在有機化合物原來的雙鍵的位置上發生反應,把其分子分裂為二。由于臭氧的氧化力極強,不但可以殺菌,而且還可以除去水中的色味等有機物,這是它的優點,然而它的自發性分解性、性能不穩,只能隨用隨生產,不適于儲存和輸送,這是它的缺點。當然,如果從凈化水和凈化空氣的角度來看,由于其分解快而沒有殘留物質存在,又可以說成是臭氧的一大優點。

臭氧水殺滅情況有些不同,其氧化反應有兩種,微生物菌體既與溶解水中的臭氧直接反應,又與臭氧分解生成之羥基OH 的間接反應,由于羥基 OH 為極具氧化性的氧化劑,因此臭氧水的殺菌速度極快。

人工制取臭氧的方法主要分為空氣放電法、紫外線輻射法和電解法。電解法主要分為化學電解和膜電解(PEM 電解法), PEM 電解技術是采用低壓直流電導通特制的固態膜電極正負兩極電解去離子水,使水在特制的陽極溶界面上失去電子使氫氧分離,氧在高密度電流作用下獲得能量,并聚合成臭氧。 PEM 電解式臭氧技術與其它常規臭氧發生技術相比,具有:使用方便,安全系數高,使用壽命長,對不同環境的適應性能強,臭氧純度高和相對濃度值高等特點。


第五章軟水器的使用

一、軟水器相關知識

(一)什么是硬度?

水中有些金屬陽離子,同一些陰離子結合在一起,在水被加熱的過程中,由于蒸發濃縮,容易形成水垢,附著在受熱面上而影響熱傳導,我們把水中這些金屬離子的總濃度稱為水的硬度。如在天然水中最常見的金屬離子是鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+),它與水中的陰離子如碳酸根離子(CO32-)、碳酸氫根離子(HCO3-)、硫酸根離子(SO42-)、氯離子(CI-)、以及硝酸根離子(NO3-)等結合在一起,形成鈣鎂的碳酸鹽、碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物、以及硝酸鹽等硬度。水中的鐵、錳、鋅等金屬離子也會形成硬度,但由于它們在天然水中的含量很少,可以略去不計。因此,通常就把Ca2+、Mg2+的總濃度看作水的硬度。

(二) 什么是軟水(軟化)?為什么要軟化?

我們都知道,普通的水中含有多種可溶解的化合物,有些物質的溶解度隨著溫度的變化有較明顯的變化,其中的碳酸鈣、碳酸鎂類的物質,其溶解度隨著溫度的升高 而下降。當溫度升高時,原來溶解于水中的碳酸鈣、碳酸鎂析出形成沉淀物,這些沉淀物可以是以絮狀、粉末狀,或沉積在容器、管道表面,形成水垢。用來衡量鈣鎂離子總量的指標是硬度,總的說來,水的硬度主要由鈣(Ca2 +)、鎂(Mg2+)離子構成的,其具體指標是同類離子折合為碳酸鈣來計時的數值,目前標準單位是mmol/L(毫摩爾每升)。傳統的單位有mgN/L (毫克當量每升)、德國度、美制(英制)等,目前在國內常用的硬度單位是mg/L(毫克每升)、mmol/L(毫摩爾每升)、mgN/L(毫克當量每 升),偶爾會有用戶使用德國度,用德國度除以2.8即可換算為國標的數值mmol/L(毫摩爾每升), 
    鈣鎂離子含量較多的水稱為硬水,鈣鎂離子含量較少的水稱為軟水。硬水與軟水只是通俗上的叫法,并沒有標準的量的概念,在生活中,行內一般把硬度低于3mmol/L的水稱為較軟的水,3-6稱為普通水,6-8稱為較硬的水,10以上稱為高硬水。(工業上采用截然不同的標準,工業上一般只有硬度<1的水稱作軟水,1-10之間都經常籠統地稱為硬水,硬度>10的水也多稱為高硬水)

(三) 離子交換法的工作原理是什么?

為了使初入行員工學習,易于理解接受,以下的說法是盡量通俗的說法,與標準工具書的說法可能不盡一致(但不會出現技術性錯誤)。離子交換樹脂是一種聚合物,帶有相應的功能基團。一般情況下,常規的鈉離子交換樹脂帶有大量的鈉離子。當水中的鈣鎂離子含量高時,離子交換樹脂可以釋放出鈉離子,功能基團與鈣鎂離子結合,這樣水中的鈣鎂離子含量降低,水的硬度下降。硬水就變為軟水,這是軟化水設備的工作過程。當樹脂上的大量功能基團與鈣鎂離子結合后,樹脂的軟化能力下降,可以用氯化鈉溶液流過樹脂,此時溶液中的鈉離子含量高,功能基團會釋放出鈣鎂離子而與鈉離子結合,這樣樹脂就恢復了交換能力,這個過程叫作“再生”。

(四) 軟化水設備的標準工作流程

工作(有時叫做產水,下同)、反洗、吸鹽(再生)、慢沖洗(置換)、快沖洗五個過程。不同軟化水設備的所有工序非常接近,只是由于實際工藝的不同或控制的需要,可能會有一些附加的流程。任何以鈉離子交換為基礎的軟化水設備都是在這五個流程的基礎上發展來的(其中,全自動軟化水設備會增加鹽水重注過程)。

反洗:工作一段時間后的設備,會在樹脂上部攔截很多由原水帶來的污物,把這些污物除去后,離子交換樹脂才能完全曝露出來,再生的效果才能得到保證。反洗過程就是水從樹脂的底部入,從頂部流出,這樣可以把頂部攔截下來的污物沖走。這個過程一般需要5-15分鐘左右。

吸鹽(再生):即將鹽水注入樹脂罐體的過程,傳統設備是采用鹽泵將鹽水注入,全自動的設備是采用專用的內置噴射器將鹽水吸入(只要進水有一定的壓力即 可)。在實際工作過程中,鹽水以較慢的速度流過樹脂的再生效果比單純用鹽水浸泡樹脂的效果好,所以軟化水設備都是采用鹽水慢速流過樹脂的方法再生,這個過 程一般需要30-60分鐘左右,實際時間受用鹽量的影響。

慢沖洗(置換):在用鹽水流過樹脂以后,用原水以同樣的流速慢慢將樹脂中的鹽全部沖洗干凈的過程叫慢沖洗,由于這個沖洗過程中仍有大量的功能基團上的鈣鎂 離子被鈉離子交換,根據實際經驗,這個過程中是再生的主要過程,所以很多人將這個過程稱作置換。

快沖洗:為了將殘留的鹽徹底沖洗干凈,要采用與實際工作接近的流速,用原水對樹脂進行沖洗,這個過程的最后出水應為達標的軟水。一般情況下,快沖洗過程為5-15分鐘。

軟水機是應用離子交換技術,通過樹脂上的功能離子與水中的鈣、鎂離子進行交換,從而吸附水中多余的鈣、鎂離子,達到去除水垢(碳酸鈣或碳酸鎂)的目的。

軟水器中裝有軟化劑樹脂,這種人造的離子交換樹脂上有軟性礦物質鈉,可以與溶解在水中的鈣、鎂等硬性礦物質發生離子交換反應,而鈉不會以水垢的形式堆積在物體表面上,所以對與它接觸的物體危害很小。樹脂是一種多孔的、不可溶性交換材料。在現代的軟水機中裝有千百萬顆微細的塑料球(珠),所有小球都含有許多吸收正離子的負電荷交換位置。當樹脂處在新生狀態時,這些電荷交換位置被帶正電荷的鈉離子占據。樹脂優先結合帶較強電荷的陽離子,鈣和鎂離子的電荷比鈉離子強,當含有鈣、鎂離子的水經過樹脂貯槽時,鈣、鎂離子與樹脂小珠接觸,從交換位置上取代鈉離子。經過離子交換后,鈣、鎂離子就被吸附在軟水機內的樹脂上,流出的水就變軟了。最后,所有樹脂都吸附滿鈣、鎂離子后,就不能再進行工作了,而需要再生處理。

軟水器樹脂的再生是用氯化鈉和水的稀溶液進行的。在再生過程中,首先停止軟水器的工作水流,從鹽水槽引出的鹽水與另外的稀釋水流混合,稀鹽水溶液流經樹脂,與附有鈣、鎂離子的樹脂接觸。盡管鈣和鎂離子帶有的電比鈉離子強,但濃鹽溶液含有千百萬個較弱電荷的鈉離子,有取代數目較少的鈣和鎂離子的能力。這樣,當鈣、鎂離子被取代交換后,樹脂就再生了,便為下一次軟化工作做好了準備。如此循環往復。    

(五) 硬度單位

硬度的常用單位是mmol/L或mg/L。過去常用的mg•N/L現用[H+]mmol/L代替,即1mg•N/L=1[H+]mmol/L=0.5 mmol/L。由于硬度并非是由單一的金屬離子或鹽類形成的,因此,為了有一個統一的比較標準,有必要換算為另一種鹽類。通常用CaO或者是CaCO3的質量濃度來表示。


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