微滤作为二段软化为墨西哥的汽车装配厂带来了大量效益
墨西哥通用汽车公司在墨西哥的Silao建设运行了一个汽车装配厂。这个工厂位于干旱地区，距墨西哥城西北大约350km。供给水源是位于现场的6个井。井水中含有一定的钙和镁硬度，也含有高浓度的溶解性硅。
由于在1999年迫近的扩产和2001年计划建一个新的汽车厂，通用汽车在1997年启动了一个水管理项目（WMP），这个项目包括节水和扩大升级目前的水和废水处理设施。本文主要涉及水处理厂的扩容和升级。
在WMP项目以前，Silao工厂利用石灰单级软化。水处理厂的关键组成部分是两个固体接触澄清池（’S）。’S在用石灰将PH调到10运行。澄清池出水用H2SO4中和后，再过滤、消毒，贮存在一个（饮用水）贮存罐中。在反应池/澄清池中产生的污泥被泵打到污泥容罐中，然后经板框压滤机脱水。这个处理对去除水中的钙是有效的。然而，硅和镁只能去除一部分。
升级主要考虑改进去除硬度（如镁）和硅，同时利用这些工艺节水和减少废水排放。为了得到最佳的运行状态，实验室和现场测试是要做的。测试后得出为了达到通用汽车的水质要求，二段软化工艺是需要的。二段软化工艺是在’S的下游安装再碳酸化和微滤设备，第一段软化工艺在PH=11.5下运行。另一列保持传统的单级软化工艺在PH=10下运行。二段系统已经产生了低钙、镁和硅的供给水，这也使通用汽车工艺设备的排水降至最低，节约了水源。
介绍
Silao工厂最初的水和废水处理设施于1994年被安装，水处理系统采用一段石灰软化工艺，这个系统去除地下水中的钙是有效的，但只能部分去除地下水中的镁和硅。处理后的水可以用在很多场合，比如冷却塔补水、设备冲洗水、锅炉补给水、空气加湿、金属磨光和涂料。每种应用都有不同的水质要求。处理后的产水进入反渗透。这里反渗透是来生产金属磨光和涂料冲洗、包括锌的磷化和电极沉积着漆的纯水。
由于在1999年迫近的扩产和2001年计划建一个新的汽车厂，通用汽车在1997年启动了一个水管理项目（WMP），
这个项目包括：
1）钻新的井 2）节水 3）改进水处理系统4)改进废水处理系统5)进行新水再利用。为了保证扩容所需要的足够水源，公司决定执行前4个计划，延迟最后一个计划。
在这里，主要涉及水处理系统的改进。要求系统升级的主目的是为工厂扩容保证充足和连续的水源。另外，处理系统长期的可靠性、可维护性和可运行性被看作是最重要的。因此，这个项目的目的是用这些节水工艺去除硬度和硅。节水的好处是使产生的废水减少。
背景
地下水的特点是有部分钙镁硬度，钙浓度是67mg/lCaCO3，总硬度112mg/lCaCO3，总碳酸盐碱度275mg/lCaCO3。其它无机成分有钠离子、氯离子和硫酸根，电导率大约450us/cm。
地下水中也包括溶解性硅大约40mg/l，由于硅可以导致补水管、加工工艺、加湿系统和开放式冷却塔系统结垢，所以它也是汽车装配厂的一个难题。而且，清洗水中的硅必须完全被去除，以避免在金属表面或汽车表面镀漆中出现。
最初的水处理工艺（一段石灰软化）如图1，石灰被加到两个澄清反应池中，软化系统在PH=10下运行。澄清反应池的出水被过滤、消毒后贮存在贮存罐中。澄清反应中产生的污泥用泵打到污泥贮存罐，再经板框压滤机脱水。
如图1
大部分水进入反渗透、冷却塔和空气加湿系统管道。为了保证设备用水中的硅浓度在要求的范围，下面两点是要求的：
1）高的排放率（例如冷却塔和加湿系统少循环），
2）RO系统的低回收率，这导致水耗的增加和废水排放的增多。
方法
为了改善供水的水质，通用汽车认为需要二段软化系统。这个项目按下面三个步骤进行：
1） 概念设计
2） 具体的工程和建设
3） 调试和连续运行
在概念设计阶段，处理的可行性测试被执行去评估：
1）添加的药剂种类和剂量 2）最佳的PH值 3）在软化工艺后加第二段或再碳酸化的好处。可处理性测试在Silao现场用广口瓶测试方法进行。
从广口瓶测试方法得出数据来分析选择软化工艺、准备工厂的水平衡、得到设备设计准则。选择第二段固液分离设备是一个重要的工作。所以将传统的澄清过滤和错流微滤进行了对比。
第二阶段进行具体的工程和建设，这个过程的工作在14个月内被完成，包括具体的设计图纸准备、设备采购和处理设施的建设。软化工艺一个非常重要工作是二段固液分离设备的采购。在这里，用的是USFILTER旗下的Memtek的微滤系统，于1999年8月完成了安装和建设。
第三阶段是调试和连续运行阶段，升级后的水处理系统在完成建设后投入运行，本报告中的数据是从2000年1月到2001年6月的。
结果包含了所有三个阶段收集的数据
概念设计
这个项目首先的任务是执行可处理性测试，
1）确定沉淀的最佳PH范围2）对比一段软化和二段软化对硬度的软化3）确定两种镁盐对硅的去除效率。
PH的影响 ——首先用可处理性测试确定Ca和Mg沉淀的PH值，描述PH值影响的图见图2，描述了镁在PH值11-11.5时溶解度最小，钙在PH值10-10.5时溶解度最小。因此，为了把钙和镁都去除，选择了二段软化工艺。
图2
一段和二段处理工艺对比——二段软化工艺被测试。在第一阶段，PH被升到11.5，固体沉降。水溢流后，用碳酸将PH值降至10。二段处理和一段处理对比见表1。二段工艺产水硬度为8mg/l，而一段工艺硬度为56mg/l。因此，两段软化工艺对硬度的去除远好于一段软化。
硅的去除——除了去除水中的硬度外，还必须去除硅。以前的研究已经显示加入镁盐可以提高对硅的去除。两个基本的去硅机理是：1）生成碱式硅酸镁的沉淀2）被Mg(OH)2固体吸附。因为镁对硬度有贡献，所以需在碱性条件下将镁沉淀下来。用一系列测试对比了用MgO和MgCl2去除硅的有效性。在这些测试中，镁盐粉末被加入，和原水反应1小时。当反应完成后，加入Ca(OH)2调到所要的PH值。基于图3中的结果，MgO的效果比MgCl2好。可能的原因是在1小时的反应过程中，MgO溶液在高PH值，所以对硅的去除更好。
图3
反应的顺序——在这个测试中，评估了三种方法，第一个方法是加MgO反应1小时，加石灰反应20分钟，然后沉降。第二个方法是加入石灰反应20分钟，然后加入MgO反应20分钟，然后沉降。第三种是同时加入MgO和石灰，反应20分钟后沉降。MgO以5%泥浆加入，镁和硅的摩尔比是1:1。Ca(OH)2以5%的泥浆加入到广
口瓶中直至PH到11.5。表2的数据显示了首先加石灰，再加MgO是有利的。当石灰首先加入时，PH提到11.2后再加MgO泥浆。高的PH值对镁盐去除硅是有利的。
镁的剂量——最后测试考察了MgO的剂量和PH对硅的去除的影响。图4的数据显示了最终PH=11.5时比PH=11时去除硅稍好一些。通用汽车希望最终硅的浓度小于10mg/l，使反渗透在高回收率情况下能运行，加湿系统和开放式冷却塔系统在合理周期下运行。这将帮助墨西哥的干旱地区节水。为了使硅的浓度小于10mg/l，对于硅浓度为26mg/l的原水，至少加入MgO大约50mg/l。
图4
工艺发展——由于减少了使用纯水系统，在概念设计阶段执行的物料平衡显示了二段软化系统将减少水耗10-20%（例如反渗透系统回收率提高了），加湿系统的补水减少了（例如循环系统高的循环周期）。
微滤工艺的选择——二段软化的固液分离设备的选择分析被执行了。将传统的分离设备（澄清和过滤）和微滤进行了对比。微滤是施加在微孔膜表面的压力驱动使液体和固体分离的过滤工艺（Exhibit 1）。Silao工厂考虑的是用错流过滤型的。在这个工艺中，化学预处理后（再碳酸化）的固体和液体进入浓水罐中后被泵连续打到膜表面，形成一个高速的剪切速度（Exhibit 2）。液体的压力驱使一定干净水通过膜孔，而比膜平均孔径大的颗粒污染物被拦截随浓水回到浓水罐。这个剪切作用和周期性的压缩空气施加水的反洗，阻止了污染物在膜表面的积累。
随着时间的推移，固体将在膜表面积累，限制流速，流速减少至干净膜的30-40%，微滤关机隔离后，用NaClO清洗膜。通用汽车选择微滤工艺来作为二段处理的固液分离设备，因为：1）它产生了高质量的产水水质，使反渗透的回收率提高。2）它要求小的空间。3）比传统的多介质过滤器要求的反洗水少。通用汽车在Ramos Arizpe complex用的一个微滤系统显示了一个大约16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）的通量。
流程图——概念设计阶段产生的流程图（Exhibit 3）如下：地下水被泵打到原水贮存罐中（它贮存工艺用水和消防用水）。从贮存罐中，地下水被泵打到分流盒中，分别进入两个澄清池。其中一个单元仅一段石灰软化，因为这部分是作为饮用水和部分生产用水。
另外一个澄清池单元作为二段软化工艺的第一段。石灰浆液被加到澄清池上游的快速搅拌池，接着加入一定的剂量石灰、MgO于水中，将硅沉淀下来。在澄清池中，沉淀到底部后定时被污泥泵打走，上清液溢流到再碳化池中。在再碳化池中，CO2被加入降低PH到10左右，使钙生成Ca(OH)2沉淀去除。泥浆被微滤从水中分离，过滤后的出水进入过滤水贮存罐中，贮存罐中的水能再进入反渗透系统和作为空气加湿系统的补给水。
建设
建设阶段是将两个单段处理系统中的一个转变成一个两段处理系统，需要变化的设备包括：1）MgO供给设备2）贮存罐、泵和CO2投加设备3）二段软化工艺中固液分离的两个微滤单元。其它的建设活动包括恢复澄清池以改善污泥排放、安装一个大的石灰系统和扩大目前的压滤机。
微滤系统由两个相同的微滤单元组成。每个单元是11.6米（38英尺）长，5.2米宽（17英尺）和3.7米高（12英尺）。每个单元过滤面积是70平方米（754平方英尺），设计流速是9.9l/s（通量12.2m3/d/m2，300gpd/ft2），靠增加组件，每个单元能增加50%。
每个微滤单元包括1个浓水罐、1100gpm的循环泵一用一备、膜和仪表及控制。浓水罐接受来自再碳酸池的水和从微滤组件浓水端回来的含悬浮固体的浓水。靠调节排放流量，将固体浓度控制在2-5%（重量比）。
每个微滤单元再进一步分成两组，每组36个组件，每个组件10个膜管。微滤膜的公称孔径是0.1um，由碳氟化合物材料加工而成。因此，微滤在正常运行和清洗过程中适用的范围是很宽的。微滤系统能忍受NaClO（<15%）或HCl（<10%）的清洗。化学清洗时，它们必须隔断运行。
每个微滤单元都有一个380VAC/50HZ下250A的电力要求。每18-30分钟（可以调整），用工厂气压产水反洗1次。微滤的产水作为反渗透的进水和加湿系统的补水。RO产水主要用作电泳漆沉积工艺和锌磷化工艺。因为RO进水只含极少量的硅、钙和镁，所以RO系统的回收率可以大于80%，并且如果再增加一段软化工艺还可以提高。
运行
通用汽车运行二段软化工艺两年了。系统最近的数据如表3，过去12个月的钙、镁和硅的数据如表3。数据显示系统去除相关成分是非常有效的。
用在二段软化工艺的化学药品是石灰(如CaO)、MgO和CO2，过去12个月的平均剂量如表4。
第一段软化工艺产生的污泥和微滤系统的浓水罐排放的污泥在脱水之前打到一个污泥贮存罐中，再从这个贮存罐打到板框压滤机脱水。脱水后的污泥含固率大约为70%，被运到垃圾填埋场处置。
讨论
微滤作为二段软化工艺中第二段固液分离设备的系统满负荷运转情况和可处理性测试以及与Memtek代表的讨论是一致的。长椅子实验和过去12个月运转的性能如表5。
在调试期间，微滤系统经历了低通量和高产水浊度的阶段。经过研究主要是因为进水罐中的溶液太稀。在进水罐中，TSS浓度应该最少为2%。由于频繁地分析进水罐的TSS浓度太耗时，通用汽车收集数据后使可沉淀的固体和系统需要保持的TSS浓度相关联，这个关联（如图5）允许操作人员进行可沉降固体试验来维持最小TSS浓度。
图5
1个两个月的微滤通量的图表如图6，这个图显示了最初通量大约24.4m3/d/m2（600gpd/ft2），接着的4个星期通量下降至大约10.2m3/d/m2（250gpd/ft2）。微滤单元在8月17日隔离开来进行清洗。清洗后，微滤单元又重新投入运行，膜通量大约16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）。运行了3个星期后，膜通量下降到大约8.2m3/d/m2（200gpd/ft2）。系统在9月6日被清洗后，由于该次清洗是不完全的，通量仅增至14.3m3/d/m2（350gpd/ft2），所以9月15日又进行了清洗。根据工厂2年的经验知道频率应该是每2-4周清洗一次，先用NaClO去除细菌，再用HCl清洗垢。
图6
无论通量如何，微滤单元的产水水质都很好。2000年6月的通量和浊度如图7，这个图显示了在10-30m3/d/m2（250-750gpd/ft2）的通量下出水水质都很好。
图7
结论
这个用微滤技术作为二段软化工艺中第二段的固液分离的设备的系统已经运转了大约2年，工艺产生了硬度小于30mg/l，硅小于10mg/l的高质量水源，处理后的浊度平均大约0.3NTU，二段系统良好的出水水质减少了加湿系统的排放量，使反渗透的回收率从安装二段软化系统前的67%增加到安装后的82%，工艺设备低的耗水量允许通用汽车减少抽取井水。通用汽车用水量已经减少了约20%。
目前，Silao工厂正在考虑回用它们处理后的废水，整个水平衡显示了用二段软化工艺处理所有的井水都是经济的。一些规定正被制定去完成这个转变。
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