陶氏FILMTEC手册第4部分水化学与预处理.docx

1、陶氏FILMTEC手册第4部分 水化学与预处理第4部分 水化学与预处理4-1 序 言为了提高反渗透和纳滤膜系统效率，必须对原水进行有效地预处理。针对原水水质情况和系统回收率等主要设计参数要求，选择适宜的预处理工艺，就可以减少污堵、结垢和膜降解，从而大幅度提高系统效能，实现系统产水量、脱盐率、回收率和运行费用的最优化。【污堵】定义为有机物和胶体在膜面上的沉积。【结垢】定义为部分盐类的浓度超过其溶度积在膜面上的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、硫酸锶、氟化钙和磷酸钙等。【膜降解】定义为膜元件性能的衰减。预处理必须考虑全系统连续可靠运行的需要，例如，若混凝澄清池设计或操作不合理时，会对砂滤器或多介质

2、滤器产生超过其极限的负荷。这样的不合理预处理常常造成膜的频繁清洗，其结果是清洗费用、停机时间和系统性能的衰减将会十分明显。适宜的预处理方案取决于水源、原水组成和应用条件，而且主要取决于原水的水源，例如对井水、地表水和市政废水要区别对待。通常情况下，井水水质稳定，污染可能性低，仅需简单的预处理，如设置加酸或加阻垢剂和5m保安滤器即可。相反，地表水是一种直接受季节影响的水源，有发生微生物和胶体两方面高度污染的可能性。所需的预处理应比井水复杂，需要其它的预处理步骤包括氯消毒、絮凝/助凝、澄清、多介质过滤、脱氯、加酸或加阻垢剂等。工业和市政废水含有更加复杂的有机和无机成份，某些有机物可能会严重影响RO

3、/NF膜，引起产水量严重下降或膜的降解，因而必须有设计更加周全的预处理。一旦确定了所选用的进水水源，就须进行全面而准确的原水全分析。它是确立合适预处理方案和RO/NF系统排列设计最关键的依据。最后，行业的不同也往往决定了RO/NF预处理的类型或复杂程度，例如在电子行业，其预处理要比以市政膜法水处理行业复杂和严格得多。4-2 原水类型和水质分析进入RO/NF预处理系统的原水类型可按总含盐量（TDS）和总有机物含量（TOC）来划分： 来自一级RO产水的低盐度高纯度产水或超纯水系统中的抛光阶段的给水，总可溶性固体含量TDS最高为50mg/L； TDS小于500mg/L的低盐度自来水； 天然有机物（N

4、OM）含量低，TDS小于5,000mg/L的中等含盐量地下水； TDS小于5,000mg/L的中等含盐量苦咸水； TOC和BOD含量高，TDS小于5,000mg/L的中等含盐量三级废水； TDS介于5,00015,000mg/L的高含盐量苦咸水； TDS在35,000mg/L左右的海水。海水含盐量为35,000mg/L的海水称为标准海水，这是因为世界上绝大多数的海水具有上述的含盐量，其中的离子组成比例全世界也十分相近，但是实际总TDS变化范围很宽，从波罗的海的海水含盐量为7,000mg/L到红海和波斯湾的海水含盐量为45,000mg/L。由于土壤影响和内陆水的渗入，近海岸井水的含盐量及组成却变

5、化极大。表4.1 标准海水组成离 子浓度(mg/L)离 子浓度(mg/L)钙410硫酸根2,740镁1,310氟1.4钠10,900溴65钾390硝酸根0.7钡0.05碳酸氢根152锶13硼45铁0.02其它项目锰0.01TDS35,000mg/L硅0.048pH8.1氯19,700不同含盐量海水的某些物理及化学性质见表4.2和表4.3。表4.2 不同含盐量海水无机离子组成海水K(ppm)Na(ppm)Mg(ppm)Ca(ppm)HCO3(ppm)Cl(ppm)SO4(ppm)SiO2(ppm)标准海水-32,000ppm3549,8541,18238513017,7422,4770.9标准海

6、水-35,000ppm38710,7781,29342114219,4062,7101.0标准海水-36,000ppm39811,0861,33043314619,9602,7871.0标准海水-38,000ppm41911,6631,39945615420,9992,9321.0标准海水-40,000ppm44112,2781,47348016222,1053,0861.1标准海水-45,000ppm49613,8121,65753918224,8683,4721.2标准海水-50,000ppm55115,3471,84159920227,6333,8581.4表4.3 海水含盐量与电导率的

7、关系地点含盐量TDS(ppm)电导率K(S/cm)比值K/TDS(S/cm.ppm)南太平洋36,00051,6601.43 - 1.44Gran Canaria（大西洋）37,60053,2801.42Sardinia（中东）40,80057,2401.40Bahrain42,50059,3501.40埃及（红海）44,00062,9901.38在设计与运行海水淡化预处理及反渗透系统时必须考虑海水的特性，海水的高含盐量必然导致极高的渗透压，为了不超过膜元件的耐压极限、或为了降低高回收率所伴随的高压力所致的能耗、或为了降低产水中的含盐量及硼离子的含量，海水淡化系统的回收率一般限制到4050%。

8、表面取水的海水淡化系统如果未采取防止生物污染的措施，将会在膜表面上发生生物污染。苦咸水苦咸水的组成变化范围极大，为了提出较佳的工艺设计方案，必须进行水质全分析。表4.4给出了几个苦咸水水质分析示例。苦咸水处理系统的制约因素主要是化学性质，即碳酸钙或硫酸钙等化合物的结垢和沉积，因进水不断被浓缩，当超过其溶度积时，会在膜面上发生沉淀或结垢；潜在的微生物污染又是另一个影响因素，工业或市政废水处理系统存在大量有机物、无机物、病毒与细菌等微生物和藻类，这样其制约因素不仅仅是物理与化学因素，还有微生物指数，即与膜有亲和反应的有机碳或生物可降解的溶解性有机碳或潜在的磷酸盐垢。表4.4 苦咸水组成示例参数单位

9、井水a井水b湖水c地表水d处理过的三级排水e钙mg/L841135410240 64镁mg/L62.72311钠mg/L36238720150 - 200钾mg/L3.326.64铁mg/L0.050.20.05ND 0.500.02 0.09锰mg/L0.010.10.010.010.05钡mg/L0.070.10.090.01 0.1锶mg/L0.7110.2 - 1氨mg/L0.050.322 - 66铝mg/L0.020.02ND-0.150.03氯mg/L45526733150 500重碳酸根mg/L26532513428748.8 97.6硫酸根mg/L24820156120 16

10、0硝酸根mg/L4.341.01540 60氟mg/L0.140.70.250.7 0.7磷酸根mg/L0.050.60.011.26.1 12.2硅mg/L9113.17 176 10硫化氢mg/L1.5NDTDSmg/L478377573400500 1,300TOCmg/L1.5103.62.420 30(COD)色度Pt540 10,000 mg/L）仅采用加酸控制碳酸钙结垢时，要求浓水中的LSI或S&DSI指数必须为负数，加酸仅对控制碳酸盐垢有效。4-3.3 加阻垢剂阻垢剂可以用于控制碳酸盐垢、硫酸盐垢以及氟化钙垢，通常有三类阻垢剂：六偏磷酸钠(SHMP)、有机磷酸盐和多聚丙烯酸盐。

11、相对聚合有机阻垢剂而言，六偏磷酸钠价廉但不太稳定，它能少量的吸附于微晶体的表面，阻止结垢晶体的进一步生长和沉淀。但须使用食品级六偏磷酸钠，还应防止SHMP在计量箱中发生水解，一旦水解，不仅会降低阻垢效率，同时也有产生磷酸钙沉淀的危险。因此，目前极少使用SHMP，有机磷酸盐效果更好也更稳定，适应于防止不溶性的铝和铁的结垢，高分子量的多聚丙烯酸盐通过分散作用可以减少SiO2结垢的形成。但是聚合有机阻垢剂遇到阳离子聚电解质或多价阳离子时，可能会发生沉淀反应，例如铝或铁，所产生的胶状反应物，非常难以从膜面上除去。对于阻垢剂的加入量，请咨询阻垢剂供应商。必须避免过量加入，因为过量的阻垢剂对膜而言也是污染

12、物。在含盐量为35,000mg/L的海水反渗透系统中，结垢问题没有苦咸水中那样突击，海水受浓水渗透压所困，其系统回收率在3045%之间，但为安全起见，当运行回收率高于35%时，推荐使用阻垢剂。阳离子聚电介质可能会与负电性的阻垢剂发生协同沉淀反应并污染膜表面，必须保证当添加阴离子阻垢剂时，水中不存在明显的阳离子聚合物。4-3.4 强酸阳树脂软化可以使用Na+离子置换和除去水中结垢阳离子如Ca2+、Ba2+和Sr2+。交换饱和后的离子交换树脂用NaCl再生，这一过程称为原水软化处理。在这种处理过程中，进水pH不会改变。因此，不需要采取脱气操作，但原水中的溶解气体CO2能透过膜进入产品侧，引起电导率

13、的增加，操作者仍可以在软化后的水中加入一定量NaOH（直到pH8.2）以便将水中残留CO2转化成重碳酸根，重碳酸根能被膜所脱除，使反渗透产水电导率降低，FT30膜的脱盐率在中性pH范围内较高。选用Dowex离子交换树脂Ca2+、Ba2+和Sr2+的脱除效率大于99.5%，可消除各种碳酸盐或硫酸盐垢的危险。如果及时进行再生的话，采用强酸阳离子交换树指进行软化是非常有效和保险的阻垢方法，但主要用于中小型苦咸水系统中，而海水淡化中不会使用软化法。这一过程的主要缺点是相当高的NaCl消耗，存在环境问题，也不经济。选用Dowex Monosphere均粒树指和逆 流再生工艺，如UPCORE工艺，可以减少

14、NaCl的耗量到110%的理论再生剂所需用量。4-3.5 弱酸阳树脂脱碱度采用弱酸阳离子交换树脂脱碱度主要是大型苦咸水处理系统，它能够实现部分软化以达到节约再生剂的目的。在这一过程中，仅仅与重碳酸根相同量的暂时硬度中的Ca2+、Ba2+和Sr2+等为H+所取代而被除去，这样原水的pH值会降低到45。由于树脂的酸性基团为羧基，当pH达到4.2时，羧基不再解离，离子交换过程也就停止了。因此，仅能实现部分软化，即与重碳酸根相结合的结垢阳离子可以被除去。因此这一过程对于重碳酸根含量高的水源较为理想，重碳酸根也可转化为CO2HCO3 + H+ H2O + CO2在大多数情况下，并不希望产水中出现CO2，

15、这时可以对原水或产水进行脱气来实现，但当存在生物污染嫌疑时（地表水，高TOC或高菌落总数），对产水脱气更为合适。在膜系统中高CO2浓度可以抑制细菌的生长，当希望系统运行在较高的脱盐率时，采用原水脱气较合适，脱除CO2将会引起pH的增高，进水pH6时，膜系统的脱除率比进水pH5时要高。采用弱酸脱碱度的优点如下： 再生所需要的酸量不大于105%的理论耗酸量，这样会降低操作费用和对环境的影响； 通过脱除重碳酸根，水中的TDS减低，这样产水TDS也较低；本法的缺点是： 残余硬度如果需要完全软化，可以增设强酸阳树脂的钠交换过程，甚至可放置在弱酸树脂同一交换柱内，这样再生剂的耗量仍比单独使用强酸树脂时低，但是初期投资较高，这一种组合仅当系统容量很大时才有意义。另一种克服这一缺点的方法是在脱碱度的水中加阻垢剂，虽然迄今为止，人们单独使用弱酸阳树脂脱碱时，还从未出现过结垢问题，但是我们仍极力建议你计算残留难溶盐的溶解度，并采取相应的措施。 处理过程中水的会发生pH变化因树脂的饱和程度在运行时发生变化，经弱酸脱碱处理的出水其pH值将在3.56.5范围内变化，这种周期性的pH变化，使工厂脱盐率的控制变得很困难。当pH4.2时，无机酸将透过膜，可能会增加产水的TDS，因此，我们推荐用户增加