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水处理学习资料预处理

    各种原水中均含有一定浓度的悬浮物和溶解性物质。悬浮物主要是无机盐、胶体和微生物、藻类等生物性颗粒。溶解性物质主要是易溶盐（如氯化物）和难溶盐（如碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐）金属氧化物，酸碱等。在反渗透过程中，进水的体积在减少，悬浮颗粒和溶解性物质的浓度在增加。悬浮颗粒会沉积在膜上，堵塞进水流道、增加摩擦阻力（压力降）。难溶盐在超过其饱和极限时，会从浓水中沉淀出来，在膜面上形成结垢，降低RO膜的通量，增加运行压力和压力降，并导致产品水质下降。这种在膜面上形成沉积层的现象叫做膜污染，膜污染的结果是系统性能的劣化。需要在原水进入反渗透膜系统之前进行预处理，去除可能对反渗透膜造成污染的悬浮物、溶解性有机物和过量难溶盐组分，降低膜污染倾向。对进水进行预处理的目的是改善进水水质，使RO膜获得可靠的运行保证。
    对原水进行预处理的效果反映为TSS、TOC、COD、BOD、LSI及铁、锰、铝、硅、钡、锶等污染物水质指标的绝对值降低，在上一章中有对于这些污染物水质指标的详细描述。表征膜污染倾向的另外一个重要的水质指标是SDI。通过预处理，除了要将上述指标降到反渗透膜系统进水要求的范围内，还有重要的一点是尽量降低SDI，理想的SDI（15分钟）值应小于3。
    5.1化学预处理
    为了改善反渗透系统的操作性能，在进水中可以加入添加下列一些药剂：酸、碱、杀菌剂、阻垢剂和分散剂。
    1 加酸－防止结垢
    在进水中可以加入盐酸（HCl）、硫酸（H2SO4）来降低pH。硫酸价格便宜、不会发烟腐蚀周围的金属元器件，而且膜对硫酸根离子的脱除率较氯离子高，所以硫酸比盐酸更为常用。没有其他添加剂的工业级硫酸即适宜于反渗透使用，商品硫酸有20％和93％两种浓度规格。93％的硫酸也称为66波美度硫酸。在稀释93％硫酸时一定要小心，在稀释到66％时发热可将溶液的温度提升到138℃。一定要在搅拌下缓慢地将酸加入水中，以免水溶液局部发热沸腾。盐酸主要在可能产生硫酸钙或硫酸锶结垢时使用。使用硫酸会增加反渗透进水中的硫酸根离子浓度，直接导致硫酸钙结垢倾向增加。工业级的盐酸（无添加剂）购买非常方便，商品盐酸一般含量为30－37％。降低pH的首要目的是降低RO浓水中碳酸钙结垢的倾向，即降低朗格里尔指数（LSI）。LSI是低盐度苦咸水中碳酸钙的饱和度，表示碳酸钙结垢或腐蚀的可能性。在反渗透水化学中，LSI是确定是否会发生碳酸钙结垢的是个重要指标。当LSI为负值时，水会腐蚀金属管道，但不会形成碳酸钙结垢。如果LSI为正值，水没有腐蚀性，却会发生碳酸钙结垢。LSI由碳酸钙饱和的pH减去水的实际pH。碳酸钙的溶解度随温度的上升而减小（水壶中的水垢就是这样形成的），随pH、钙离子的浓度即碱度的增加而减小。LSI值可以通过向反渗透进水中注入酸液（一般是硫酸或盐酸）即降低pH的方法来调低。推荐的反渗透浓水的LSI值为0.2（表示浓度低于碳酸钙饱和浓度0.2个pH单位）。还可以使用聚合物阻垢剂来防止碳酸钙沉淀，一些阻垢剂供应商声称其产品可以使反渗透浓水的LSI高达+2.5（比较保守的设计是LSI为＋1.8）。
    2 加碱－提高脱除率
    在一级反渗透中加碱使用较少。在反渗透进水中注入碱液用来提高pH。一般使用的碱剂只有氢氧化钠（NaOH），购买方便，而且易溶于水。一般不含其他添加剂的工业级氢氧化钠便可满足需要。商品氢氧化钠有100％的片碱，也有20％和50％的液碱。在加碱调高pH时一定要注意，pH升高会增加LSI、降低碳酸钙及铁和锰的溶解度。最常见的加碱应用是二级RO系统。在二级反渗透系统中，一级RO产水供给二级RO作为原水。二级反渗透对一级反渗透产水进行“抛光”处理，二级RO产水的水质可达到4兆欧。在二级RO进水中加碱有4个原因：
    a．在pH8.2以上，二氧化碳全部转化为碳酸根离子，碳酸根离子可以被反渗透脱除。而二氧化碳本身是一种气体，会随透过液自由进入RO产水，对于下游的离子交换床抛光处理造成不当的负荷。
    b．某些TOC成分在高pH下更容易脱除。
    c．二氧化硅的溶解度和脱除率在高pH下更高（特别是高于9时）。
    d．硼的脱除率在高pH下也较高（特别是高于9时）。
    加碱应用有一个特例，通常被叫做HERO（高效反渗透系统）过程，将进水pH调到9或10。一级反渗透用来处理苦咸水，苦咸水在高pH下会有污染问题（比如硬度、碱度、铁、锰等）。预处理通常采用弱酸性阳离子树脂系统和脱气装置来除去这些污染物。
    3 脱氯药剂－消除余氯
    RO及NF进水中的游离氯要降到0.05ppm以下，才能达到聚酰胺复合膜的要求。除氯的预处理方法有两种，粒状活性炭吸附和使用还原性药剂如亚硫酸钠。在小系统（50－100gpm）中一般采用活性碳过滤器，投资成本比较合理。推荐使用酸洗处理过的优质活性炭，去除硬度、金属离子，细粉含量要非常低，否则会造成对膜的污染。新安装的碳滤料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去为止，一般要几个小时甚至几天。我们不能依靠5μm的保安过滤器来保护反渗透膜不受碳粉的污染。碳过滤器的好处是可以除去会造成膜污染的有机物，对于所有进水的处理比添加药剂更为可靠。但其缺点是碳会成为微生物的饲料，在碳过滤器中孳生细菌，其结果是造成反渗透膜的生物污染。
    亚硫酸氢钠（SBS）是较大型RO装置选用的典型还原剂。将固体偏亚硫酸氢钠溶解在水中配制成溶液，商品偏亚硫酸氢钠的纯度为97.5－99％，干燥储存期6个月。SBS溶液在空气中不稳定，会与氧气发生反应，所以推荐2％的溶液的使用期为3－7天， 10％以下的溶液使用期为7－14天。从理论上讲，1.47ppm的SBS（或0.70ppm偏亚硫酸氢钠）能够还原1.0ppm的氯。设计时考虑到工业苦咸水系统的安全系数，设定SBS的添加量为每1.0ppm氯1.8－3.0ppm。SBS的注入口要在膜元件的上游，设置距离要保证在进入膜元件有29秒的反应时间。推荐使用适当的在线搅拌装置（静态搅拌器）。
    介质过滤
    从水中去除悬浮固体普遍的方法是多介质过滤。多介质过滤器以成层状的无烟煤、石英砂、细碎的石榴石或其他材料为床层。床的顶层由质轻和质粗品级的材料组成，而最重和最细品级的材料放在床的底部。其原理为按深度过滤——水中较大的顾粒在顶层被除去，较小的颗粒在过滤器介质的较深处被除去。
    在单一介质过滤器中，最细的颗粒材料反洗至床的顶部。大多数过滤发生在床顶部5cm区域内，其余作为支撑介质。有一泥浆层形成。虽然单一介质过滤器的滤速限制为81.5—163L／(min.m2)过滤面积，多介质过滤器的水力过程流速可高达815L/(min.m2)，但因高水质的要求，通常在RO预处理中流速限制在306L／(min.m2)。
    由于胶体悬浮物既很细小又由于介质电荷之间的排斥，所以单独过滤不起作用。在这些情况下，在过滤前必须加絮凝剂或絮凝化学药品。常用的絮凝剂有三氯化铁、矾和阳离子聚合物。因为阳离子聚合物在低剂量下就有效果，且不明显地增加过滤器介质的固体负荷，所以最常用。另一方面，如果阳离子聚合物进入现在采用的某些最通用的膜上，则它们却是非常强的污染物。很少量的阳离子聚合物就能堵塞这些膜，且往往难以去除。务须谨记当用阳离子聚合物作为过滤助剂时，必须小心使用。
2除铁、锰——氧化过滤
    通常含盐量为苦咸水范围的某些井水呈还原态，典型特点是含有二价的铁和锰，有时还会存在硫化氢和氨。如果对这类水源进行氯化处理，或当水中含氧量超过5mg/L时，Fe2+将转化为Fe3+形成难溶解性的胶体氢氧化物颗粒。铁和锰的氧化反应如下：
    4Fe（HCO3）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3+8CO2
    4Mn（HCO3）2+O2+2H2O→4Mn（OH）3+8CO2
    由于铁的氧化在很低的pH值时就会发生，因而出现铁污染的情况要比锰污染的情况要多，即使SDI小于5，RO进水的铁含量低于0.1mg/L，仍会产生铁污染的问题。碱度低的进水铁离子含量要高，这是因为FeCO3的溶解度会限制Fe2+的浓度。
    处理这类水源的一种方法时防止整个RO过程中与空气和任何氧化剂如氯的接触。低pH值有利于延缓Fe2+的氧化，当pH＜6，氧含量＜0.5mg/L时，最大允许Fe2+浓度4mg/L,另一种是用空气、Cl2或KMnO4氧化铁和锰，将所形成的氧化物通过介质过滤器除去，但需要主要的是，由硫化氢氧化形成的胶体硫可能难以由过滤器除去，在介质过滤器内添加氧化剂通过电子转移氧化Fe2+，即可一步同时完成氧化和过滤。
    海绿石就是这样一种粒状过滤介质，当其氧化能力耗尽时，它可通过KMnO4的氧化来再生，再生后必须将残留的KMnO4完全冲洗掉，以防止对膜的破坏。当原水中含Fe2+的量小于2mg/L时，可以采用这一处理方法，如原水中含更高的Fe2+的量小于2mg/L时，可以采用这一处理方法，如原水中含更高的Fe2+时，可在过滤器进水前连续投加KMnO4,但是在这种情况下，必须采取措施例如安装活性炭滤器以保证没有高锰酸钾进入膜元件内。
    Birm过滤也可以有效地用于从RO/NF进水中去除Fe2+，Birm是一种硅酸铝基体上涂有二氧化锰形成沉淀，并且通过滤器反洗可将这些沉淀冲出滤器。由于该过程pH将升高，可能会发生LSI值变化，因而要预防滤器和RO/NF系统内出现CaCO3沉淀。
    3 微絮凝
    如果过滤前对原水中的胶体进行絮凝或混凝处理，可以大幅度地提高介质过滤器效率，使出水的SDI降低到5左右。硫酸铁和三氯化铁可以用于对胶体表面的负电荷进行失稳处理，将胶体捕捉到新生态的氢氧化铁微小絮状物上，使用含铝絮凝剂其原理相似，但因其可能有残留铝离子污染问题，并不推荐使用，除非使用高分子聚合铝。迅速的分散和混合絮凝剂十分重要，建议采用静态混合器或将注入点设在增压泵的吸入段，通常最佳加药量为10－30mg/L，但应针对具体的项目确定加药量。
    为了提高混凝剂絮体的强度进而改进它们的过滤性能，或促进胶体颗粒间的架桥，絮凝剂与混凝剂一起或单独使用，絮凝剂为可溶性的高分子有机化合物，如线性的聚丙烯酰胺，通过不同的活性功能团，它们可能表现为阳离子性、阴离子性或中性非离子性。混凝剂和絮凝剂可能直接或间接地影响RO膜，间接的影响如它们的反应产物形成沉淀并覆盖在膜面上，例如当过滤器发生沟流而使混凝剂絮体穿过滤器并发生沉淀；当使用铁或铝混凝剂，但没有立即降低pH值时，在RO阶段或因进水浓缩诱发过饱和现象，就会出现沉淀，还有在多介质滤器后加入化合物也会产生沉淀反应，最常见的是投加阻垢剂，几乎所有的阻垢剂都是荷负电的，将会与水中阳离子性的絮凝剂或助凝剂反应而污染RO膜。
    当添加的聚合物本身影响膜导致通量的下降，这属于直接影响。为了消除RO/NF膜直接和间接的影响，阴离子和非离子的絮凝剂比阳离子的絮凝剂合适，同时还须避免过量添加。
4微滤/超滤
    采用超滤/微滤预处理工艺的反渗透/纳滤系统叫做集成膜系统（IMS）。与采用传统预处理工艺的反渗透系统相比，IMS设计具有一些明显的优势。
    ● MF/UF透过液水质更好。SDI和浊度更低，明显降低了对反渗透的胶体和有机物、微生物污染负荷。
    ● 由于膜在这里是污染物的绝对屏障，MF/UF滤液的高质量可以保持稳定。即便是地表水和废水等水质波动异常频繁的水源，这种稳定性也不会改变。
    ● 由于胶体污染减少，反渗透系统的清洗频率明显降低。
    ● 与一些传统过滤工艺相比，MF/UF系统操作更容易，耗时更少。
    ● 与采用大量化学品的传统工艺相比，MF/UF浓缩废液的处置比较容易。
    ● 占地面积更小，在一些大系统中，有时只相当于传统工艺的1/5。
    ● 有利于系统的扩大增容。
    ● 运行费用基本相当，在一些情况下会较少。
    ● 设备投资基本相当，在一些情况下会较少。
    （1）MF/UF膜的特性
    市场销售的微滤膜的孔径一般在0.1－0.35mm。用于反渗透预处理的超滤膜的切割分子量一般在
    20,000到750,000道尔顿（0.002－0.05mm）。
    常见的操作跨膜压差(TMP)在3－30psi。膜材料有聚砜、聚烯烃、聚醚砜、聚丙烯、纤维素类和其他专有配方。大多数膜材料具有相当宽的pH范围，以便于在低和高pH条件下进行化学清洗。大多数膜还具有耐游离氯的性能，可以进行周期性或连续消毒处理。聚合物膜的最大运行温度为40℃，但陶瓷膜可以在较高温度下使用。
    MF/UF膜有许多构型：卷式平板膜、管式、中空纤维和板框式。用于RO预处理比较普遍的是中空纤维和卷式，这主要是由于考虑到投资、能耗、耐污染以及在冲洗和化学清洗的情况下的通量恢复性能。
    （2）MF/UF运行特性
    MF/UF膜有两种不同的运行模式：全量过滤和错流过滤。全量过滤操作模式（也叫做死端过滤）与筒式滤器相类似，即只有料液流和滤液流（没有浓缩液流）。全量过滤方式可以实现水回收率的最大化，达到95－98％，但一般限于原水的悬浮固体含量较低的情况（比如浊度<10NTU）。错流操作模式的典型水回收率为90－95％。
    在一些情况下，MF/UF系统的原水回收率可以达到99％以上，需要将浓缩水和周期性反冲洗水进行收集和处理。二次处理可以通过采用传统固体沉降或另外一套MF/UF系统。
    如果MF/UF系统需要预处理，只是简单的筛网过滤器，精度在100到150μm。有时添加铁盐一类的混凝剂，以获得最好的悬浮固体去除效果。
    MF/UF膜的典型通量在36－110gfd之间（60－183l/m2hr）。悬浮物浓度较高或污染倾向较强的料液系统，运行通量也较低；高通量用于处理低悬浮物负载的料液系统（比如地表水的通量可以是70gfd）。MF/UF透过液的水质在浊度或SDI等指标上明显好于传统预处理水。一般MF/UF的产水浊度在0.04－0.1 NTU之间，而且不随原水浊度波动。运行良好的传统预处理水的浊度为0.2—1.0NTU。典型的MF/UF产水的SDI为0.3－2，而运行良好的传统预处理水的SDI为2－6。更低的SDI降低了对反渗透膜的胶体物料沉积污染。
    （3）MF/UF改善反渗透的经济性
    利用浊度和SDI都非常低的MF/UF产水，反渗透设计通量会大大提高。采用MF/UF的反渗透系统通量可设计为12到20gfd。采用传统预处理的反渗透系统的典型设计通量为：废水处理8－12gfd，地表水10－15gfd。采用了更高的通量，需要的膜元件、膜壳和管线都减少了，系统的固定资产投资便降低了。而且提高通量还有一个好处，可以将产水透盐量减少20－50％。
    5 气浮
    在水中注入大量的微小气泡，气泡黏附在悬浮颗粒表面将其夹带浮上水面，从而实现固液分离。气浮主要用于油污、水藻等难以沉淀的污染物去除。在工业废水、地表水和海水预处理中应用较多。
    实现气浮分离的必要条件有两个：首先要向水中注入足够数量的微细气泡，15～30微米的气泡尺寸比较理想；其次，疏水性悬浮颗粒有利于气泡粘附。影响气浮效果的因素有：微气泡尺寸，决定于溶气方式和释放器构造；气固比，取决于空气加注量；进水浓度、工作压力和上浮停留时间；药剂的作用。
    目前应用较多的是溶气气浮（DAF）,有加压溶气和真空产气两种工艺。
    6 保安过滤器
    所有RO/NF装置上都配有筒式保安过滤器，滤器的过滤孔径要求至少为10mm。保安过滤器是膜和高压泵的保护装置，防止可能存在的颗粒物引起的破坏，是最后一道预处理手续。推荐保安过滤器的孔径不大于5mm。当浓水中硅的浓度超饱和时，宜使用1mm的滤芯，用来降低硅与铁和铝胶体的相互作用。

5.4生物污染的控制和预防

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