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反渗透培训教材

2014-06-24 22:05:18 杭州沃腾膜工程有限公司 已读

一、概述

反渗透是二十世纪后期迅速发展起来的膜法水处理方式,它是苦咸水处理、海水淡化、除盐水、纯水、高纯水等制备的最有效方法之一。它中心技术是反渗透膜,该膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜。它能够在外加压力的作用下使水溶液中的某些组分选择性透过,从而达到水体淡化、净化的目的。

早在1748年就法国人Abble Nellet就发现了渗透现象。1950美国人Hassler提出了利用与渗透相反的过程进行海水淡化的设想。但是,只有当1960LoebSourirajan用醋酸纤维素作材料、研制成第一张高分离效率和高透水量的反渗透膜以后,反渗透技术才从可能变为现实。

1960年世界第一张不对称醋酸纤维膜的出现使反渗透膜应用于工业上制水成为可能。初期是板式膜、管式膜,在六十年代中、后期出现了卷式、中空纤维膜,七十年代初期又研制出海水淡化膜。在19721977的五年间,世界范围内的反渗透装置数量增加了15倍,制水容量增加了41倍,直至八十年代以后仍以14-30%的速度递增。反渗透除在苦咸水、海水淡化中使用外,还广泛应用于纯水制备、废水处理以及饮用水、饮料和化工产品的浓缩、回收工艺等多种领域。

反渗透水处理工艺基本上属于物理方法,他在诸多方面具有传统的水处理方法所没有的优异特点:

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->反渗透是在室温条件下,采用无相变的物理方法得以使水淡化、纯化;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->依靠水的压力作为动力,其能耗在众多处理方法中最低;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->化学药剂量少。无需酸、碱再生处理;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->无化学废液及废酸、碱排放,无酸碱中和处理过程,无环境污染;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->系统简单、操作方便,产水水质稳定,两级反渗透可取得高质量的纯水;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->适应于较大范围的原水水质,即适用于苦咸水、海水以至污水的处理,也适用于低含盐量的淡水处理。

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->设备占地面积少,需要的空间也小;

<!--[if !supportLists]-->l    <!--[endif]-->运行维护和设备维修工作量少。

对锅炉补给水处理,反渗透法也具有常规的离子交换处理方式难以比拟的优异特色,如:

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->产水中的二氧化硅少,去除率可达99.5%,有效的避免了发电机组随压力升高对SiO2的选择性携带所引起的硅垢,以及天然水中硅对离子交换树脂的污染,造成再生困难、运行周期短等问题,并影响除硅效果;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->产水中有机物、胶体等物质,去除率可达到95%,避免了由于有机物分解所形成的有机酸对汽轮机尾部的酸性腐蚀的问题;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->反渗透水处理系统可连续产水,无运行中停止再生等操作,没有产水水质忽高忽低的波动,对发电机组的稳定运行,保证电厂的安全经济有着不可估量的作用。因而,反渗透在发电厂的锅炉补给水处理中的应用受到广泛的关注。

我国自七十年代末采用反渗透除盐技术,至今已有几十个电厂相继应用。在世界范围内,至九十年代初,反渗透水处理容量已超过400万吨/天以上,其中海水淡化达52万吨/天,而且每年还在以18%的速度递增。目前,采用反渗透除盐方式占所有除盐方式的85%,离子交换除盐方式也在逐步为反渗透所代替,并且其投资会在较短时间回收。特别是新膜品种的出现(1977年出现TFC复合膜,1980年出现低压反渗透膜,1993年出现高脱盐率膜,其脱盐率达到99.7%),更有利于反渗透技术得发展。预言家认为:二十一世纪。反渗透技术的发展正在方兴未艾,且必将有更大的飞跃。

二、反渗透的基本原理

1、半透膜

半透膜是广泛存在于自然界动植物体器官上的一种选择透过性膜。严格地说,是只能透过溶剂(通常指水)而不能透过溶质的膜。工业使用的半透膜多是高分子合成的聚合物产品。

2、渗透、渗透压

当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时,溶剂将自发地穿过半透膜向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)侧流动,这种现象叫渗透,如果上述过程中溶剂是纯水,溶质是盐份,当用理想半透膜将他们分隔开时,纯水侧会自发地通过半透膜流入盐水侧,此过程如图2.1a)所示。

纯水侧的水流入盐水侧,盐水侧的液位上升,当上升到一定程度后,水通过膜的净流量等于零,此时该过程达到平衡,与该液位高度差对应的压力称为渗透压。

 

 

 

 

 

盐水???? ?? 淡水

压力

 

 

盐水???? ?? 淡水

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  图片关键词   图片关键词

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              a)渗透                                   b)反渗透  

                            2.1

<!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]-->一般来说,渗透压的大小取决也溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。通常可用下式计算渗透压。

△∏=△CRT

<!--[if !supportLists]-->   <!--[endif]-->         渗透压                 R  气体常数

<!--[if !supportLists]-->   <!--[endif]-->C          浓度差                 T  温度

3、反渗透

当在膜的盐水侧施加一个大于渗透压的压力时,水的流动向就会逆转,此时盐水中的水将流入纯水侧,这种现象叫做反渗透,该过程如图2.1b)所示。

 

 

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  图片关键词
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4、反渗透系统流量和物料守衡

 

   反渗透的简单流程图如图2.2所示

<!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]--><!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]--><!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]--><!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]-->                

<!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]--> <!--[if !vml]-->图片关键词<!--[endif]-->原水(Q1C1                                     产水(Q2C2

<!--[if !vml]-->

 

 
  图片关键词

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                         浓水(Q3C3

                          2.2

            Q1——原水流量   Q2——产水流量   Q3——浓水流量

C1——原水中物质浓度   C2——产水中物质浓度    C3——浓水中物质浓度

在反渗透系统中,水体流量和水体中的各项物质的量总是保持不变的,它存在着两个平衡方程:

Q1=Q2+Q3             2.1

Q1×C1=Q2×C2+Q3×C3   2.2

从平衡方程2.1我们可以看出,在保持原水水量恒定的话,要提高产水,可以通过减少浓水来实现,反之亦然;同理,在流量不变的情况下,由平衡方程2.2可以看出,产水水质越好,浓水的水质就越差。

三、反渗透膜

1反渗透膜的性能要求和指标

1.1为适应水处理应用的需求,反渗透膜必须具有在应用上的可靠性和形成工业规模的经济性,其一般要求是:

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->对水的渗透性要大,脱盐率要高;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->具有一定的强度,不致因水的压力和拉力影响而变形、破裂。膜的被压实性尽可能最小,水通量衰减小,保证稳定的产水量;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->结构要均匀,能制成所需要的结构;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->能适应较大的压力、温度和水质变化;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物侵蚀性能;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->使用寿命要长;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->成本要低。

12 根据以上要求,膜的使用者在选择膜时或使用膜前应该了解并掌握如下膜的物理、化学稳定性和膜的分离特性指标。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->膜材质

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->允许使用的最高压力

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->允许使用的温度范围

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->允许的最大给水量

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->适用的PH范围

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->O3CL2等氧化性物质的能力

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->抗微生物、细菌的侵蚀能力

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->耐胶体颗粒及有机物的污染能力

13膜的分离透过特性指标

膜的分离透过特性指标包括脱盐率、回收率、水流通量及流量衰减系数(或膜通量保留系数)

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->脱盐率(Salt Rejection)指给水中总溶解固体物(TDS)中未透过膜部分的百分数。

脱盐率=1-产品水总溶解固形物/给水总溶解固形物)X100%

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->回收率(Recovery)指产水流量与给水流量之比,以百分数表示。

回收率=(产品水流量/给水流量)X100%

一般影响回收率的因素,主要有进水水质,浓水的渗透压、易结垢物质的浓度、污染膜物质等因素。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->水通量(Flux)为单位面积膜的产水流量,与进水类型有关

 

进水类型

一般复合膜的水通量(GFD

反渗透产品水

20~30

深井水

14~18

地表水

8~14

废水

8~12

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->流量衰减系数 指反渗透装置在运行过程中产水量衰减的现象。即运行一年后产水流量与出水运行产水流量下降的比值(复合膜一般不超过3%)。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->膜通量保留系数 指运行一段时间后产水流量与初始运行产水流量的比值(一般三年可达到0.85以上)。

2 膜脱盐机理和迁移扩散方程

膜脱除水中盐分并使水分子透过膜的机理说明,目前存在多种见解。基本上可以看作有孔和无空的两种解释,主要有氢键理论、选择吸附-毛细孔流动理论和溶解扩散理论。为了阐明其不同点,现简要加以说明:

2.1 氢键理论是把醋酸纤维膜看作高度有序的矩阵结构的聚合物,膜的活性集团乙酰基(—C=O)具有与水分子形成氢键的能力,形成“结合水”,而水中溶解的其它粒子和分子则不能。在水的压力下第一个进入膜的水分子由于第一个氢键断裂下来,到下一个活性集团形成新的氢键……如此不断移位而使水及氢键传递通过膜层。而盐分则被分离出去。

2.2 选择性吸附毛细孔理论是把膜看作一种微细多孔结构物质(5-10A,Gibbs吸附方程为基础。膜的亲水性决定了选择吸附纯水而排斥盐分的特性,在固液表面上形成纯水层(约0.5nm)。在施加压力下,纯水层中的水分子不断通过毛细管流过膜。

2.3 溶解扩散理论

在反渗透水处理中是把膜视作无孔的,按溶解扩散方程计算的。这一理论是将膜当作溶解扩散场,认为水分子、溶质都可溶于膜内,并在推动力下进行扩散,淡水分子和盐分的溶解和扩散速度不同,因而表现了不同的透过性。定量的描述反渗透过程中的产水量和盐透过量是剂压差(ΔP)和浓度差(ΔC)为扩散传质作为推动力。其扩散方程是:

                  QW =KW(ΔP-Δπ)A/τ

式中:Qw-产水量

    Kw-系数

    ΔP-膜两侧的压差

    Δπ-渗透压

A-膜的面积

τ-膜的厚度

Kw与膜的性质和水温有关,Kw越大,说明膜的渗水性能越好。

           Qs=Ks×ΔC×A/τ

式中,Qs-产水量

     Ks-系数

     ΔC-膜两侧的浓度差

A-膜的面积

τ-膜的厚度

Ks与膜的性质、盐的种类以及水温有关,Ks越小,说明膜的脱盐性能越好。

从以上俩式可以看出,对膜来说,KwKs小则质量较好。相同面积和厚度的膜,其产水量与净驱动压力成正比,盐透过量至于膜两侧浓度差成正比,而与压力无关。

3 膜的运行条件的影响及浓差极化

3.1 膜的水通量和脱盐率是反渗透过程的关键的运行参数。

这两个参数将受到一下因素的影响,主要有:

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->压力

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->温度

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->回收率

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->给水含盐量

3.1.1 压力

给水压力升高,水通量增大,产品水含盐量(TDG)下降,脱盐率提高。

3.1.2 温度

在提高给水温度而其它运行参数不变时,产品水通量和盐透过量均增加。温度升高,水的粘度减小,一般产水量可增大2-3%;但同时温度升高,膜的盐透过率系数Ks变大,因而盐透过量有所增加。

3.1.3 回收率

增大回收率,产品水通量下降,是因为浓水盐含量增大,导致渗透压升高,在给水压力不变的情况下,ΔP-Δπ变小,因而Qw减小。同时,与与浓水盐浓度升高,使ΔC增大,故盐透过量Qs增大,产品水含盐量升高。

3.1.4 给水含盐量

给水含盐量增加,产品水通量和脱盐率都下降。由于给水TDS增加,ΔC增加,故Qs增加,即盐透过量增加;而且,渗透压也增加,在给水压力不变的情况下,ΔP-Δπ变小,故Qw减小。

3.2 膜表面的浓差极化

3.2.1 反渗透过程中,水分子透过后,膜界面层中含盐量增大,形成浓度较高的浓水层,此层与给水水流的浓度形成很大的浓度梯度,这种现象称为膜的浓差极化.浓差极化会对运行产生极为有害的影响.

3.2.2浓差极化的危害

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->由于界面层中的浓度很高,相应的会使渗透压升高.当渗透压升高后,势必使原来的运行条件的产水量下降.为欲达到原来所需的产水量,就要提高给水压力,增加电能消耗.

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->由于界面层的浓度升高,膜两侧的ΔC增大,使产品的盐透过量增大.

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->由于界面层的浓度升高,对易结垢的物质增加了沉淀结垢倾向,造成膜的污垢污染.为了恢复膜的性能,要频繁的清洗,并可能造成膜性能的下降.

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->由于形成的浓度梯度,会以一定措施使盐分的扩散离开膜表面,但胶体物质的扩散要比盐分的扩散速度小数百数千倍,因而浓度极化是促成膜表面胶体污染的重要原因.

3.2.3 消除浓差极化的措施

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->要严格控制膜的水通量

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->严格控制回收率

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->严格按照膜生产厂家的设计导则设计RO系统

4 膜的种类及其结构形态分类

4.1 反渗透膜的类别

4.1.1 按膜本身的结构形态分类

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->均质膜  为同一种材质、厚度均一的膜。为了增加强度以便耐压,膜的厚度较厚,整个膜厚都起着屏蔽层的作用,因而透水性较差。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->非对称膜  为同一种材质,制作成致密的表皮层和多孔支持层。表皮层很薄,起盐分离作用,厚约0.10.2μm,因为阻力较小,膜的水通量较均质膜高。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->复合膜  为不同材质制成的几层膜的复合体,如图1-3-5。表层为致密屏蔽表皮(起阻止并分离盐分的作用),厚约为0.2μm,表皮敷在强度较高的多孔层上,多孔层厚约40μm,最底层为无纺织物支撑层,厚约120μm,起支持整个膜的作用。

412 按膜加工外形分类

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->平面膜  由平面膜作为中间原材料,可以加工成板式、管式或卷式反渗透膜。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->中空纤维膜  以熔融纺丝经过中空纤维的纺丝、热处理等工艺制成的很细很细的非对称结构的中空纤维膜。

413 按膜的材质分类

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->醋酸纤维素膜  一般是用纤维素经脂化生成三醋酸纤维素,再经过两次水解,成一、二、三醋酸纤维素的混合物制成的膜。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->芳香聚酰胺膜  一般是高交联芳香聚酰胺作为膜表皮的致密脱盐层。

42芳香聚酰胺超薄复合膜与醋酸纤维素膜性能对比

<!--[if !supportLists]-->(1)  <!--[endif]-->复合膜的化学稳定性好,醋酸纤维素膜不可避免地会发生水解。

<!--[if !supportLists]-->(2)  <!--[endif]-->复合膜的生物稳定性好,不易受微生物侵袭,而醋酸纤维素膜易受微生物侵袭。

<!--[if !supportLists]-->(3)  <!--[endif]-->复合膜的传输性好。

<!--[if !supportLists]-->(4)  <!--[endif]-->复合膜在运行中不会被压紧,因此产水量随使用时间改变小,而醋酸纤维膜在运行中会被压紧,因而产水量不断下降。

<!--[if !supportLists]-->(5)  <!--[endif]-->复合膜的脱盐率随时间改变小,而醋酸纤维素膜由于不可避免的水解,脱盐率不断下降。

<!--[if !supportLists]-->(6)  <!--[endif]-->复合膜由于Kw大,其工作压力低,反渗透给水泵用电量与醋酸纤维膜相比几乎减少一半。

<!--[if !supportLists]-->(7)  <!--[endif]-->醋酸纤维膜的寿命一般仅为三年,而复合膜可使用五年。

<!--[if !supportLists]-->(8)  <!--[endif]-->复合膜的缺点是抗氯性较差,价格较贵。

四、反渗透装置(膜组件)

1 .膜元件

11 膜元件的种类及主要特点

工业上使用的膜元件主要有四种基本形式:管式、平板式、中空纤维式和涡卷式。管式和平板式两种是反渗透最初始的产品形式,中空纤维式元件和涡卷式元件是管式和平板式膜元件的改进和发展。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->管式膜元件  将管状膜衬在耐压微孔管上,并把许多单管以串联或并联方式连接装配成管束。由内压式或外压式两种。一般用内压式,其优点是水流流态好,易安装、清洗、拆换,缺点是单位面积小。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->平板式膜元件  是由一定数量的承压板组成,承压板两侧覆盖微孔支撑板,其表面覆以平面成为最基本的反渗透单元。迭和一定数量的基本单元并装入压力容器中,构成反渗透器。此种形式能承受高的压力,缺点是占地面极大,水流分布均匀差,扰动差,易产生浓差极化。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->中空纤维膜元件  将中空纤维丝成束地以U形弯的形式把中空纤维开口端铸于管板上,类似于列管式热交换器的管束和管板间的连接。由于纤维间是相互接触的,故纤维开口端与管板的密封是以环氧树脂用离心浇铸的方式进行的,其后,管板外侧用激光切割以保证很细纤维也能是开口的。在给水压力作用下,淡水透过每根纤维管壁进入管内,由开口端汇集流出压力容器为产品水。

该种形式的优点是单位面积的填充密度最大,结构紧凑;缺点是要求给水水质处理最严,污染堵塞是清洗困难。

如上所述,管式、平板是膜元件的填充密度很低,但可应用于高污染给水或粘度高的液体的处理;中空纤维膜元件易污染,影响其在一般水处理情况下使用。

涡卷式反渗透元件六十年代中期问世,无前述各形式的缺点,特别是1980年出现低压复合膜后,膜的性能指标各项均好,不易污染,且可低压运行,投资少,耗电低,脱盐率高(可达99.7%),寿命长。因之涡卷式复合是当前工业水处理首选的膜元件。

12 涡卷式膜元件

基本结构如图4-1所示

涡卷式膜元件类似一个长信封状的口袋,开口的一边粘接在含有开孔的产品水中心管上。将多个膜口袋卷绕到同一个产品水中心管上。是给水流从膜的外侧流过,在给水压力下,是淡水通过膜进入膜口袋后汇流入产品水中心管内。

为了便于产品水在膜袋内流动,在信封状的膜袋内夹有一层产品水导流的织物支撑层;为了是给水均匀流过膜代表面并给水流以扰动,在膜袋与膜袋之间的给水通道上加有隔网层。

涡卷式反渗透膜元件给水流动与传统的过滤方向不同:给水是从膜元件端部引入,给水沿着膜表面平行的方向流动,被分离的产品水是垂直与膜表面,透过膜进入产品水膜袋的。如此,形成了一个垂直、横向相互交叉的流向。而传统的过滤,水流式从滤层上面进入,产品水从下排出,水中的颗粒物质全部截留与滤层上。涡卷式膜元件的工作则不然,给水中被膜截留下的盐分和胶体颗粒物质仍留在给水(逐步的成为浓水)中,并被横向水流带走。如果膜元件的水通量过大,或回收率过高(指超过制造厂导则规定),盐分和胶体滞留在膜表面上的可能性就越大。浓度过高会形成浓差极化,胶体颗粒会污染膜表面。

 

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  图片关键词
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  4-1

1.3 四种反渗透膜元件特点的比较

以下是四种膜元件特点的比较,可以看出它们之间各个方面的差异:

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->系统费用:管式、平板式>中空纤维式、涡卷式

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->设计灵活性:涡卷式>中空纤维>平板式>管式

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->清洗方便性:平板式>管式>涡卷式>中空纤维式

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->系统占地面即:管式>平板式>涡卷式>中空纤维式

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->污堵的可能性:中空纤维>涡卷式>平板式>管式

<!--[if !supportLists]-->l  <!--[endif]-->耗能:管式>平板式>中空纤维式>涡卷式

14 国内常用的反渗透膜元件

 DOW,海德能,流体,蓝星,世韩,国产等。

2. 压力容器

压力容器用于装填膜元件。在实际运行过程中,给水从压力容器一端的给水管路进入膜元件。在膜元件内一部分给水穿过膜表面而形成低含盐量的产品水,剩余部分水继续沿给水通道向前流动而进入下一个膜元件,由于这部分水含盐量比进水要高,在反渗透系统中称为浓水。产品水和浓水最后由产品水通道和浓水通道引出压力容器。

   给水在压力容器中每一个膜元件上均产生一个压力降,如果不采取措施,这一压力降足以使膜卷伸出而对膜元件造成损害。为此在压力容器内的每一个膜元件的一端均有一个防膜卷伸出装置,以防止运行时膜卷伸出。同时设计给水流量不能超过设计导则给定的数值,运行时单个膜元件的压降不允许超过规定值。

   膜元件与膜元件之间采用的是内联接件连接,为了防止在连接处浓水泄漏,在膜元件与膜元件之间有密封。

五、反渗透装置给水的要求及预处理

1 .涡卷式反渗透装置给水和一般要求

运行极限值

膜的类型…………………………………………… 聚酰胺复合膜

最高运行压力……………………………………… 600psi (41Bar)

最高运行温度………………………………………………… 45??C

最大给水浊度…………………………………………………1NTU

游离氯容忍量……………………………………………  < 0.1ppm

连续运行pH范围……………………………………………  211

短时清洗pH范围(30分钟)…………………………………   112

最大给水流量………………………………………70gpm(16m3/h)

最大给水SDI………………………………………………… SDI 5

所以对反渗透原水的预处理非常重要,要求进水必须满足上面的要求,这是反渗透安全长期运行的基本保证,如果不能满足上述要求,将很有可能造成水质下降,膜元件污堵,甚至造成膜元件不可修复的破坏!

2 反渗透给水预处理的必要性

为了保持膜组件良好的设计性能和长时间的安全经济运行,保证膜的使用寿命,必须对原水进行适当的预处理。根据水源的水质条件、膜组件的特性,选择适合的预处理方式。

21 不同原水水源,由于组成与杂质成分不同,其预处理对象区别如下:

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->地下水是从井中取出的水,水中混浊物质、胶体含量很少;因而井水的污染指数几乎是<3.0,一般<2.0,故预处理系统相对比较简单。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->地下水不与大气接触,水中溶解氧少,含二价FeMnH2S等还原性物质多,有的也含有SrBa等盐类,不含微生物和菌类。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->地表水溶解氧含量大,在阳光下具有生物生存的条件,因而水中往往有微生物存在,而不存在还原性物质。一般地表水含有以硅、铝为主的悬浮物和胶体物以及有机物形成的胶体物质。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->海水中则含有显著的微生物,如藻类、粘泥和胶体硅等。

22 促使膜性能降低的几种膜污染

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->使膜本身发生化学变化。包括使芳香聚酰胺膜的氨基受氯和其他氧化性因素作用而破坏;使醋酸纤维基团受温度和PH影响而水解;使膜受强酸、强碱的溶解等。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->使膜表面或膜内受水中悬浮物、胶体颗粒的覆盖和堵塞。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->使膜受水中微生物、细菌的繁殖产生的菌团和粘膜对反渗透膜的污堵、侵蚀和生物降解。

3 给水预处理

膜的污染、堵塞和侵蚀性因素:结垢物、金属氧化物、悬浮物和胶体、有机物、生物污染等方面,所以主要针对这些因素采用相应的预处理方式,通常是采用过滤的方式去除,当采用多介质过滤器时,必须在反渗透之前设置5微米保安过滤器等特殊的过滤措施;如果用超滤做预处理可以考虑不用5um过滤器,因为超滤的过滤精度是0.002-0.1um(见表5-1)。

针对水中的污染物种类采用相应的预处理方式见表5-2

 

5-1按孔径分类的分离膜

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  图片关键词
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P22

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<!--[endif]-->5-2

 

 

被处理的物质

预处理措施

CaCO3CaSO4BaSO4

SrSO4结垢物质

CaCO3是否结垢可通过对浓水LSI的计算来确定,当LSI<0时,水质稳定;当LSI>0时,应进行处理。CaSO4BaSO4SrSO4是否结垢可通过离子积与溶度积的关系来确定,当Ip<0.8Ksp时,水质稳定;当Ip>0.8Ksp时,应进行处理。可根据具体情况选择合适的处理措施:

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->钠离子交换软化

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->加无机或有机阻垢剂

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->氢离子交换后脱CO2

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->加酸

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->加石灰进行沉淀处理

水中颗粒物质

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->砂、粘泥及SiO2等粒径大于2μm的颗粒,可通过过滤的方式处理;

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->粒径小于2μm的颗粒,可通过凝聚、双滤料过滤,粒径为2-10μm的颗粒以形成胶体,采取凝聚过滤方式处理。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->粒径大于5μm的颗粒不允许进入膜元件,因此在高压泵进水口前设置5μm保安过滤器。在保安过滤器前必须设置机械过滤器。保安过滤器运行周期一般为1-3个月。

铁、锰、硫化物

水中溶有的铁、锰或硫化氢,遇到空气或氯气可能被氧化。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->膜所容许的铁浓度,随PH、溶解氧的不同而变化很大,一般在0.1-0.05mg/LFe<0.5mg/L时,加酸至Ph5.5,对膜无污染。

给水中最大允许含铁量与含氧和PH的关系大致是:

O2(mg/L)            PH            允许Fe2+(mg/L)

<0.5              <6.0             4.0

0.5-5             6-7              0.5

5-10              >7               0.05

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->降低原水中大量铁,可采用曝气化、过滤脱流。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->井水中存在H2S时,如被氧化成硫磺会污染膜表面。可采用曝气氧化、过滤脱流。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->重金属经氯化或空气氧化后,通过过滤或滞留凝聚过滤出去。

管道、泵等设备锈蚀产物

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->采用耐腐蚀材料的管道和设备,低压部分采用塑料,高压部分采用316SS,或内衬耐蚀聚合材料。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->注意管道系统严密性,以防空气进入使铁氧化。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->防止结垢的加酸系统及相关的水系统都要采用防腐蚀材料。

胶体物质

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->地面水含胶体物较多,主要是铝酸盐类的粘土,这类胶体颗粒大小在0.3-0.1μm范围,采用凝聚、沉淀过滤或直流凝聚,使胶体颗粒增大至10-20μm,过滤出去。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->当悬浮物、胶体含量较多时,需经过澄清、过滤。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->选用合适的凝聚剂,注意阳离子性聚合物会导致膜的不可逆污堵。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->有效的混凝-过滤配合时采用聚合铝和双滤料(0.6mm石英砂和1.2mm的无烟煤)以及加凝聚剂混凝后再经细砂(0.30.5mm滤层,层高800mm)过滤。

有机物

有机物对膜污染是复杂的,有些影响不大,反渗透膜可将之除去,一般按污染指数来判断,规定TOC<3mg/L.

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->地表水应尽量在凝聚澄清过程中去除,然后双滤料过滤,或直流凝聚。也可采用活性炭作为凝聚澄清的进一步处理。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->反渗透膜也可采用超滤去处有机物、胶体等杂质。

 

醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯,以防细菌滋生,而氯含量过高又会破坏膜。最大允许连续余氯的含量为1mg/L

复合膜抗氯性差,一般不允许含有余氯。采取加氯杀菌后,需加亚硫酸氢钠除余氯,反应如下:

Na2S2O5+H2O>2NaHSO3

NaHSO3+HCLO>HCL+NaHSO4

理论上,1.34kgNa2S2O5可以去除1kg余氯,然而一般在有溶解氧的情况下,对苦碱水去除1kg余氯投加3kgNa2S2O5

Na2S2O5在凉爽干燥的贮存条件下,库存的有效期为46个月。溶液的有效期则随浓度而改变。

使用活性炭过滤清除余氯的反应如下:

C+Cl2+H2O>4HCl+CO2

浊度和SDI

为降低水中的浊度和SDI主要采用凝聚、澄清、过滤(双滤料和细砂)。对于不同水源的原水,由于选用的通量不同要求SDI值也不同,一般要求SDI<5,它体现水中胶体等颗粒物质的多少,因而越小越好。

油和脂

进入膜组件的水不允许含有油和脂。处理油和脂一般采用活性炭过滤。也可采用超滤。

SiO2

膜元件运行中浓水不允许析出SiO2,过饱和的SiO2可能聚合而形成不溶解的胶体硅、硅胶而引起结垢。

防止SiO2结垢的措施:

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->控制系统回收率,这是一种最容易的防硅垢的方法,靠降低系统回收率使浓水中的SiO2的浓度降低到符合文件的SiO2LIMIT)溶解度,对给定的PH值和温度。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->可采取石灰软化,一般可降低给水中50%SiO2

 

六、反渗透系统的设计及维护要点

1设计要点

11确定系列(单元)

根据用户用水情况,RO装置的总容量可分为几个单元,因为RO单元的清洗和维修需要停运。

12确定膜的型式和型号

对于容量较大的反渗透系统,均选用涡卷型反渗透膜,对于大型电站水处理系统,反渗透之后要进行精处理,经详细技术经济论证,往往会得出宜选用复合膜元件的结论,然后确定采用哪个厂家的膜元件及其型号。

13确定系统回收率,选定压力容器

根据系统回收率选用压力容器。如系统回收率为75%,则考虑采用六个1长膜元件装一个压力容器,或者41.5长的膜元件装一个压力容器。一般采用“一级两段”的排列方式。

RO系统回收率的定义是RO产水量与给水量之比,回收率越高消耗的水量越少,但回收率过高会存在以下问题。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->产品水的脱盐率下降。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->可能发生微溶盐的沉淀。

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->浓水的渗透压过高,膜元件的产水量降低。

一般苦碱水脱盐系统回收率多采用75%,即浓水浓缩了四倍,当原水含盐量较低时,有时也可采用80%,如原水中某种微溶盐含量高,有时也采用较低的系统回收率以防结垢。

1.4确定膜元件的数量

根据膜元件生产厂家提供的设计导则,根据原水水源和给水的SDI确定采用的水通量数值。

以每单元指定的RO的产水量除以每支膜元件的平均产水量即估出膜元件的数量,如采用六个膜元件的压力容器,则除以六,同上取整数得出压力容器总数,再将压力容器总数分为两段,使两端压力容器总数之比接近21,然后利用厂家提供的软件,将每个压力容器内膜元件数、膜元件型号、产水量、回收率、水文、水质、使用年限等输入即可求出给水压力、浓水压力、给水渗透压、浓水渗透压、浓水的LSI、产品水和水中离子含量等数据。每输入一个各段压力容器的数量,即可得出一组计算结果。对比相应膜元件的设计通量、系统温度、系统压力、各报警参数等就可以确定膜元件的数量和膜组件的排列方式。反渗透系统分析软件打印的结果,参见附录1

1.5 压力容器

大型RO装置,压力容器组件应单独布置在滑架上,压力容器布置的最高高度应便于装卸膜元件。

装有68040型(φ8英寸,长40英寸)膜元件的压力容器,当运行时(受压时)将约伸长13mm,直径将增大0.5mm,因此不能限制压力容器的膨胀,否则引起压力容器的翘曲,发生膜元件O型密封圈的泄漏而产生沟流,以及膜元件连接件“O”型圈的泄漏,并且与压力容器连接的管也应采取软管连接。

RO装置的管路、阀门、仪表的布置应便于操作和调节。

1.6 膜元件的背压

防止膜孔袋粘接线破裂,在设计上就必须考虑静背压问题。对醋酸膜元件,任何时候产品水侧的压力都不能高于给水及排水的压力,膜不允许承受反压。对于复合膜元件静背压必须小于5psi。粘接线的破裂是由于膜口袋两侧的压差而非流量。由于逆止阀不能瞬间关闭,不能保证绝对严密,所以在系统中设置逆止阀等均不能彻底解决背压问题。

1.7 为防止发生水锤,在给水泵出口应装设慢开门。

1.8为防止膜卷伸出,要求设计时给水的流量不能超过设计导则规定的数值,运行时单个膜元件的压降不允许超过规定值,Fluid System 规定单个膜元件的压降必须小于10psi

1.9在设计时系统应考虑在5μm过滤器之前装有不符合RO进水要求的不合格水排放。

1.10RO停运后需要进行冲洗,对复合膜元件最好采用反渗透产水进行冲洗。

2反渗透装置运行,维护要点

2.1运行中要控制产水量和系统回收率,防止浓差极化

RO装置的运行,对产水量和系统回收率的控制非常重要。

盐的透过量与膜两侧的浓度差和温度有关,所以当产水量低时脱盐率降低。当膜发生污染和结垢,往往使膜表面粗糙,是滞流层增厚而导致极化严重。因此要根据产品水流量表和浓水流量表控制高压泵出口阀和RO排水阀;并且要维持表计的准确性:(一)表计需要校对;(二)应选用性能优越的流量计。

2.2反渗透膜元件脱盐率下降可能存在的原因:

*压力容器中元件之间连接件的“O”型密封圈和出水管接头的“O”密封圈泄漏;

*膜口袋接线破裂,膜被硬颗粒划破;

*由于高压泵启动时发生水力冲击负荷(水锤)使膜元件或其连接件破损;

*醋酸纤维被细菌侵袭而使脱盐率降低;醋酸纤维膜本身的水解是不可避免的,其脱盐率将随时间不断降低。

*膜元件的O型密封圈与压力容器内之间发生泄漏,可能有一部分进水没有经过反渗透膜元件而发生旁路。

以上情况应避免发生。

6.3反渗透装置需要装设的仪表和控制设备

为了是RO能安全可靠地运行,便与运行过程中的监督,应该装设必要的仪表和控制设备,一般需要装设的表计有温度表、压力表、流量表、PH表、导电度表等,装设的地点及其作用分述如下:

1)温度表

给水温度表,因产水量与温度有关,所以需要检测以便求出“标准化”后的产水量,大型设备应进行记录。另外,温度超过40 会损坏膜元件,所以有对原水加热器的系统应该设超限报警器,超温水自动排放并停运RO

2)压力表

给水压力表、一段RO出水压力表、排水压力表,用于计算每一段的压降(也可装设压差表),并用于对产水量和脱盐透过率进行“标准化”。

5u过滤器进口压力表、出口压力表(也可装设压差表),当压降达到一定值时(2kg/cm2)就需要更换滤芯。

给水泵进、出口压力开关,出口设高压报警,进口设低压报警停泵。

3)流量表

产品水流量表,作用是运行中监督产水量。每段单独装设,以便于“标准化”校核。产品水流量应有指示、累计和记录。

浓水流量表,作用是运行中监督排水量。浓水流量应有指示、累计和记录。

给水流量表,便于RO加药量的自动比例调节(加酸、阻垢剂、NaHSO3等)。

4)导电度表

给水导电度表、产品导电度表,配有指示、记录、设高限报警功能。

5PH

当给水需加酸防CaCO3垢时,加酸后的给水需装设PH表。

2.3运行记录

   在系统的运行过程中应该做相应的运行记录,运行数据除了能追溯系统的性能之外,还是发现并排除故障的有效工具之一。

2.3.1预处理处理运行参数记录

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->每天记录进水总余氯浓度;

<!--[if !supportLists]-->2、 <!--[endif]-->每天两次记录任何增压泵的出水水压;

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->记录超滤系统的运行参数(详见超滤系统操作手册);

<!--[if !supportLists]-->4、 <!--[endif]-->每天测量酸或其他任何化学药品的消耗量;

<!--[if !supportLists]-->5、 <!--[endif]-->至少每三个月按制造厂商建议的方法进行一次仪表校正;

<!--[if !supportLists]-->6、 <!--[endif]-->任何不正常的操作,如故障或停机等

2.3.2膜系统运行参数记录

以下参数需监测并记录在合适的记录表上(如下表所示),每班至少一次。

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->操作日期、时间及系统运转时数;

<!--[if !supportLists]-->2、 <!--[endif]-->超滤和每一段压力容器(膜组件)前后的压降;

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->每一段进水、产水与浓水压力;

<!--[if !supportLists]-->4、 <!--[endif]-->每一段产水与浓水的流量;

<!--[if !supportLists]-->5、 <!--[endif]-->每一段进水、产水与浓水的电导度,每周测量一次每支压力容器的产水电导率;

<!--[if !supportLists]-->6、 <!--[endif]-->每一段进水、产水和浓水的含盐量TDS

<!--[if !supportLists]-->7、 <!--[endif]-->进水、产水和浓水的PH值;

<!--[if !supportLists]-->8、 <!--[endif]-->进水SDI和浊度值;

<!--[if !supportLists]-->9、 <!--[endif]-->进水水温;

<!--[if !supportLists]-->10、   <!--[endif]-->LSI值或S&DSI值,当浓水TDS小于10000mg/l时,用前者,当浓水TDS大于10000mg/l时使用后者;

<!--[if !supportLists]-->11、   <!--[endif]-->根据制造厂商建议的方法与周期作仪表的校正,至少每三月一次;

<!--[if !supportLists]-->12、   <!--[endif]-->任何不正常的事件,例如SDIPH,压力的失常和停及等;

2.4维修保养记录

做相应的维修保养记录也有利于系统长期的运行管理,是系统长期稳定运行的一个重要因素,在实际运行中应该作以下的记录。

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->记录例行维修情况;

<!--[if !supportLists]-->2、 <!--[endif]-->记录机械故障和更换情况;

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->记录任何膜元件安装位置的改变,标记元件的序列号;

<!--[if !supportLists]-->4、 <!--[endif]-->记录RO装置的更换或增加;

<!--[if !supportLists]-->5、 <!--[endif]-->记录所有仪表的校正操作;

<!--[if !supportLists]-->6、 <!--[endif]-->记录预处理仪器设备如超滤的更换或增加等,包括日期、厂家和等级等;

<!--[if !supportLists]-->7、 <!--[endif]-->记录所有RO膜元件的清洗操作,包括清洗日期、清洗持续时间,清洗剂及浓度,溶液PH值,清洗期间的温度,流量与压力(参见清洗系统)

2.5膜的清洗系统

即使RO给水的预处理以及RO系统本身的设计及运行均符合要求,膜仍然会受污染,如果进水条件好且系统运行合理,一般半年至一年才清洗一次。一般出现以下情况,应进行清洗:

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->产水量降低10-15%

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->压降增高10-15%

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->产品水水质降低10-15%,脱盐率降低10-15%

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->其他异常现象,经过分析需要清洗

清洗应该设置专门的清洗系统,系统包括:

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->清洗药液溶解箱(寒冷地区应带有加热装置)

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->清洗泵

<!--[if !supportLists]-->l <!--[endif]-->5??m过滤器

清洗系统应装设温度计和流量计,5um过滤器进、出口要装设压力表。清洗箱的容积可以近似地按每次需要清洗的压力容器空容积之和加上连接管道的容积的总和取值。清洗泵的压力不超过60PSI。计算循环清洗时,按各段分别清洗。清洗膜元件时,清洗的方向与运行的方向相同,不允许反向清洗,否则会发生膜卷伸出而损坏膜元件。

2.6常见污染物及其去除方法

·碳酸钙垢

    在阻垢剂添加系统出现故障时或加酸系统出现故障而导致给水PH值升高,那么碳酸钙就有可能沉积出来,应尽早发现碳酸钙垢沉淀的发生,以防止生长的晶体对膜表面产生损伤,如早期发现碳酸钙垢,可以用降低给水PH3.05.0之间运行12小时的方法去除。对沉淀时间较长的碳酸钙垢,则应采用柠檬酸清洗液进行循环清洗或通宵浸泡。

注:应确保任何清洗液的PH不要低于2.0,否则可能会对RO膜元件造成损害,特别是在温度较高时更应注意,最高的PH不应高于11.0。可使用氨水来提高PH,使用硫酸或盐酸来降低PH值。

·硫酸钙垢

    清洗液2(参见表2)是将硫酸钙垢从反渗透膜表面去除掉的最佳方法。

·金属氧化物垢

    可以使用上面所述的去除碳酸钙垢的方法,很容易地去除沉积下来的氢氧化物(例如氢氧化铁)。

·硅垢

    对于不是与金属氧化物或有机物共生的硅垢,一般只有通过专门的清洗方法才能将他们去除。有关详细方法请与华电水处理公司或膜生产厂家联系确定。

·有机沉积物

有机沉积物(例如微生物粘泥或霉斑)可以使用清洗液3(见表2)去除,为了防止再繁殖,可使用经华电水处理公司或膜生产厂家认可的杀菌溶液在系统中循环、浸泡,一般需较长时间浸泡才能有效,如反渗透装置停用超过三天时,最好采用消毒处理。请与华电水处理公司或膜生产厂家会商以确认适宜的杀菌剂。

 

2.7反渗透膜的污染及清洗方法

2.7.1清洗液

    清洗反渗透膜元件时建议采用表2所列的清洗液。确定清洗液前对污染物进行化学分析是十分重要的,对分析结果的详细分析比较,可保证选择最佳的清洗剂及清洗方法,应记录每次清洗时清洗方法及获得的清洗效果,为在特定给水条件下,找出最佳的清洗方法提供依据。

    对于无机污染物建议使用清洗液1。对于硫酸钙及有机物建议使用清洗液2。对于严重有机物污染建议使用清洗液3。所有清洗液可以在最高温度为华氏104度(摄氏40)下清洗60分钟,所需用品量以每100加仑(379)中加入量计,配制清洗液时按比例加入药品及清洗用水,应采用不含游离氯的反渗透产品来配制溶液并混合均匀。

 

2.7.2反渗透膜元件的化学清洗与水冲洗

    清洗时将清洗溶液以低压大流量在膜的高压侧循环,此时膜元件仍装在压力容器内而且需要用专门的清洗装置来完成该工作。

    清洗反渗透膜元件的一般步骤:

    1.用泵将干净、无游离氯的反渗透产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。

    2.用干净的产品水在清洗箱中配制清洗液。

    3.将清洗液在压力容器中循环1小时或预先设定的时间,对于8英寸或8.5英寸压力容器时,流速为3540加仑/分钟(133151/分钟),对于6英寸压力容器流速为1520加仑/分钟(5776/分钟),对于4英寸压力容器流速为910加仑/分钟(3438/分钟)。

    4.清洗完成以后,排净清洗箱并进行冲洗,然后向清洗箱中充满干净的产品水以备下一步冲洗。

    5.用泵将干净、无游离氯的产品水从清洗箱(或相应水源)打入压力容器中并排放几分钟。

    6.在冲洗反渗透系统后,在产品水排放阀打开状态下运行反渗透系统,直到产品水清洁、无泡沫或无清洗剂(通常需1530分钟)。

<!--[if !vml]-->

 

<!--[endif]--><!--[if !mso]-->
<!--[endif]-->

P185

<!--[if !mso]-->
<!--[endif]--><!--[if !mso & !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]-->

<!--[endif]-->1.反渗透膜污染特征及处理方法

 

 

 

污染物

一般特征

处理方法

<!--[if !supportLists]-->1. <!--[endif]-->钙类沉积物

(碳酸钙及磷酸钙类,一般发生于系统第二段)

脱盐率明显下降

系统压降增加

系统产水量稍降

用溶液1清洗系统

2.氧化物

(铁、镍、铜等)

脱盐率明显下降

系统压降明显升高

系统产水量明显降低

用溶液1清洗系统

3.各种胶体

(铁、有机物及硅胶体)

脱盐率稍有降低

系统压降逐渐上升

系统产水量逐渐减少

用溶液2清洗系统

4.硫酸钙

(一般发生于系统第二段)

脱盐率明显下降

系统压降稍有或适度增加

系统产水量稍有降低

用溶液2清洗系统,

污染严重用溶液3清洗

5.有机物沉积

脱盐率可能降低

系统压降逐渐升高

系统产水量逐渐降低

用溶液2清洗系统,

污染严重时用溶液3清洗

6.细菌污染

脱盐率可能降低

系统压降明显增加

系统产水量明显降低

依据可能的污染种类

选择三种溶液中的一种

清洗系统

 

   说明:必须确认污染原因,并消除污染源。

 

2.建议使用的常见清洗液

 

 

清洗液

 

配制100加仑379)溶液时的加入量

PH调节

1

柠檬酸

反渗透产品水(无游离氯)

1707.7公斤)

100加仑(379

用氨水调节PH3.0

2

三聚磷酸钠

EDTA四钠盐

反渗透产品水(无游离氯)

1707.7公斤)

73.18公斤)

100加仑(379

用硫酸调节PH10.0

3

三聚磷酸钠

十二烷基苯磺酸钠

反渗透产品水(无游离氯)

1707.7公斤)

<!--[if !supportLists]-->2. <!--[endif]-->130.97公斤)

100加仑(379

用硫酸调节PH10.0

 

2.8膜元件用杀菌剂及保护液

    本手册提供了有关杀菌剂的一般信息,杀菌剂可用于膜元件的杀菌或储存保护。在对膜元件储存或消毒杀菌以前,应首先确认系统中膜元件的类型,因为膜元件有可能是醋酸膜也可能是复合膜。下文所列的一些方法,特别是使用游离氯的方法,只能使用于醋酸膜,如用于复合膜元件则会损坏这些元件。

    如果给水中含有任何硫化氢或溶解性铁离子或锰离子,则不应使用氧化性杀菌剂(氯气及过氧化氢)。

2.8.1醋酸纤维膜用杀菌剂

1、游离氯

游离氯的使用浓度为0.11.0ppm,可以连续加入,也可以间断加入,如果必要,对醋酸膜元件可以采用冲击氯化的方法。此时,可将膜元件与含有50ppm游离氯的水每两周接触1小时。如果给水中含有腐蚀产物,则游离氯会引起膜的降解。所以在腐蚀存在的场合,我们建议使用浓度最度为10ppm的氯胺来代替游离氯。

 

2、甲醛

可使用浓度为0.11.0%的甲醛溶液作为系统杀菌及长期保护之用。

 

    3、异噻唑啉

    异噻唑啉由水处理药品制造商来供应,其商标名为Kathon,市售溶液含1.5%的活性成份,Kathon用于杀菌和存贮时的建议浓度为1525ppm

 

2.8.2聚酰胺复合膜(ESPAESNACPASWC)及聚烯烃膜(PVD1)用杀菌剂

 

    1、甲醛

    浓度为0.11.0%的甲醛溶液可用于系统杀菌及长期停用保护,至少应在膜元件使用24小时后才可与甲醛接触。

 

    2、异噻唑啉

异噻唑啉由水处理药品制造商来供应,其商标名为Kathon,市售溶液含1.5%的活性成份,Kathon用于杀菌和存贮时的建议浓度为1525ppm

 

<!--[if !vml]-->

 

<!--[endif]--><!--[if !mso]-->
<!--[endif]-->

P192

<!--[if !mso]-->
<!--[endif]--><!--[if !mso & !vml]--> <!--[endif]--><!--[if !vml]-->

<!--[endif]-->膜元件用杀菌剂及保护液

 

 

    3、亚硫酸氢钠

    亚硫酸氢钠可用作微生物生长的抑制剂,在使用亚硫酸氢钠控制生物生长时,可以500ppm的剂量每天加入3060分钟,在用于膜元件长期停运保护时,可用1%的亚硫酸氢钠作为其保护液。

 

    4、过氧化氢

可使用过氧化氢或过氧化氢与乙酸的混合液作为杀菌剂,必须特别注意的是在给水中不应含有过渡金属(FeMn),因为如果含有过渡金属时会使膜表面氧化从而造成膜元件的降解,在杀菌液中的过氧化氢浓度不应超过0.2%,不应将过氧化氢用作膜元件长期停运时的保护液。在使用过氧化氢的场合其水温度不超过25

 

2.8.3复合膜元件的一般保存方法

在对膜元件进行长期或短期停运保存前,请与华电水处理公司联系以获取有针对性的建议。

1、适用范围

本文介绍的方法适用于以下情况:

1)安装在压力容器中的反渗透膜元件的短期保存;

2)安装在压力容器中的反渗透膜元件的长期保存;

3)作为备件的反渗透膜的干保存及反渗透系统启动前的膜保存。

注意:

    芳香族聚酰胺反渗透复合膜元件在任何情况下都不应与含有残余氯的水接触,否则将给膜元件造成无法修复的损伤。在对RO设备及管路进行杀菌、化学清洗或封入保护液时应绝对保证用来配制药液的水中不含任何残余氯。如果无法确定是否有残余氯存在,则应进行化学测试加以确认。在有残余氯存在时,应使用亚硫酸氢钠中和残余氯。此时要保持足够的接触时间以保证中和完全。

 

2、短期保存

    短期保存方法适用于那些停止运行5天以上30天以下的反渗透系统。此时反渗透膜元件仍安装在RO系统的压力容器内。保存操作的具体步骤如下:

1)用给水冲洗反渗透系统,同时注意将气体从系统中完全排除;

2)将压力容器及相关管路充满水后,关闭相关阀门,防止气体进入系统;

3)每隔5天按上述方法冲洗一次。

 

3、长期停用保护

    长期停用保护方法适用于停止使用30天以上,膜元件仍安装在压力容器中的反渗透系统。保护操作的具体步骤如下:
  1)清洗系统中的膜元件;

  2)用反渗透产水配制杀菌液,并用杀菌液冲洗反渗透系统。

 

  3)用杀菌液充满反渗透系统后,关闭相关阀门使杀菌液保留于系统中,此时应确认系统完全充满。

  4)如果系统温度低于27,应每隔30天用新的杀菌液进行第二、第三步的操作;如果系统温度高于27,则应每隔15天更换一次保护液(杀菌液)

  5)在反渗透系统重新投入使用前,用低压给水冲洗系统一小时,然后再用高压给水冲洗系统510分钟,无论低压冲洗还是高压冲洗时,系统的产水排放阀均应全部打开。在恢复系统至正常操作前,应检查并确认产品水中不含有任何杀菌剂。

 

4系统安装前的膜元件保存

    膜元件出厂时,均真空封装在塑料袋中,封装袋中含有保护液。膜元件在安装使用前的储存及运往现场时,应保存在干燥通风的环境中,保存温度以2035为宜。应防止膜元件受到阳光直射及避免接触氧化性气体。

 

2.9污染密度指数SDI的测定方法

污染密度指数SDI值是表征反渗透系统进水水质的重要指标。                               

本手册介绍了测定SDI值的标准方法,其方法的基本原理是测量在30psi给水压力下用0.45дm微滤膜过滤一定量的原水所需要的时间。

2.9.1测试仪器的组装

    1. 按图1组装测试装置;

    2. 将测试装置连接到RO系统进水管路取样点上;

    3. 在装入滤膜后将进水压力调节至30psi。在实际测试时,应使用新的滤膜。

    注意,为获取准确测试结果,应注意下列事项:

·在安装滤膜时,应使用扁平镊子以防刺破滤膜

·确保O型密封圈清洁完好并安装正确

·避免用于触摸滤膜

      ·事先冲洗测试装置,去除系统中的污染物

 

2.9.2

    1.记录测试温度。在试验开始至结束的测试时间内,系统温度变化不应超过1

    2.排除过滤池中的空气压力。根据滤池的种类,在给水球阀开启的情况下,或打开滤池上方的排气阀,或拧松滤池夹套螺纹,充分排气后关闭排气阀或拧紧滤池夹套螺纹。

    3.用带有刻度的500ml量筒接取滤过水以测量透过滤膜的水量。

    4.全开球阀,测量从球阀全开到接满100ml500ml[1]水样的所需时间并记录。

    5.五分钟后,再次测量收集100ml500ml水样的所需时间,十分钟及十五分钟后再分别进行同样测量。

    6.如果接取100ml水样所需的时间超过60秒,则意味着约90%的滤膜面积被堵塞,此时已无需再进行实验。

    7.再次测量水温以确保与实验开始时的水温变化不超过1

    8.实验结束并打开滤池后,最好将实验后的滤膜保存好,以备以后参考。

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<!--[endif]-->

P212

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<!--[endif]-->·计算公式

 

    SDI P30/Tt

     100×(1-Ti/Tf/Tt

式中:

    SDI  ——污染密度指数

    P30  ——在30psi给水压力下的滤膜堵塞百分数

    Tt       ——总测试时间,单位为分钟

   通常Tt15分钟,但如果在15分钟内即有75%的滤膜面积被

   堵塞[2],测试时间就需缩短

    Ti        ——第一次取样所需时间

    Tf        ——15分钟(或更短时间)以后取样所需时间

    [1] 接取500ml水样所需时间大约为接取100ml水所需时间的5倍。如果接取500ml所需时间远大于5倍,则在计算SDI时,应采用接取100ml所用的时间。

    [2] 为了精确测量SDI值,P30应不超过75%,如果P30超过75%应重新试验并在较短时间内获取Tf值。

 

   

1 SDI测试装置示意图

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  图片关键词
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第二部分  氧化杀菌

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->氯化原理

氯化法一般用来消除水中的各种有机物、细菌和微生物,氧化一些有机物质,使水体达到无害化。氯化法最重要的应用是除去水中的臭和味,控制藻类和水生物的生长等。

氯的消毒作用有通过它所生成的次氯酸HClO起作用的。HClO是一个中性分子,可以扩散到带负电的细菌表面,并穿过细菌的细胞膜进入内部,然后由氯原子的氧化作用破坏了细菌的某种酶系统而导致细菌死亡。

2、水的需氯量实验

氯加入水中后,不只杀死细菌,还会同水中有机物质和其他还原性物质相作用,为了保证消毒效果,水经过氯消毒接触一定时间后,应该有适量的剩余氯留在水中以保证持续杀菌能力,这种氯称为余氯或活性氯。通常反应半小时后余氯量为0.21mg/L,余氯中的HCLOCLO-可称为自由性余氯,NH2CLNHCL2等称为化合性余氯。加入水中的有效氯则称加氯量,加氯量减去余氯量就得水的需氯量。

水所需要的加氯量要通过需氯量实验来确定。需氯量的实验是在一组水样中加入不同剂量的氯,在一定接触时间后,测定水中剩余氯量,从而根据余氯量来确定满足氯量要求的剂量。消毒合格的指标主要为1水中大肠杆菌数目小于3个。

确定水的需氯量和加氯量对消毒设备的设计及运转颇为重要。加氯设备的形式与大小,所需氯量及其他一切有关问题都需要根据氯量决定,在引用消毒和污水的氯消毒控制中,余氯是一个重要的控制指标。

在实际应用中需对氯化处理的水通过实验绘制总余氯量——加氯量曲线,以决定需氯量。

<!--[if !supportLists]-->(1)                <!--[endif]-->配置氯水(0.1mgCl/升):用蒸馏水稀释次氯酸钠溶液,使有效氯含量为0.1mgCl/毫升。使用时应首先确定余氯量,以确定有效氯浓度。

<!--[if !supportLists]-->(2)                <!--[endif]-->操作步骤:几个300毫升三角瓶中各加200毫升水样,再加120氯水(0.1mg/ml),边加边摇。加完后塞紧瓶口,在暗处放置1小时,然后测定各三角瓶中的总余氯和游离氯量。

<!--[if !supportLists]-->(3)                <!--[endif]-->绘图:在坐标纸上以总氯量为纵轴,加氯量为横轴,作图,以规定的总氯量示出需氯量。

3、次氯酸钠消毒

次氯酸钠成熔融状态,它是一种不稳定的化合物,其有效氯含量,一般需在使用时测定。

次氯酸钠可用次氯酸钠电解发生装置在现场制取直接使用。次氯酸钠投加方式,可根据处理水量以及水处理工艺等情况选定。

次氯酸钠发生器和溶液投加方法见表2-2-1

2-2-1次氯酸钠发生器和溶液投加

 

次氯酸钠发生器

<!--[if !supportLists]-->1、   <!--[endif]-->发生器由电解槽、整流器、贮液箱、盐水供应系统和冷却循环系统组成。可间歇或连续生产。

<!--[if !supportLists]-->2、   <!--[endif]-->利用钛阳极电解食盐水以得次氯酸钠,盐水浓度以3%35%为宜。产品水是淡黄色透明液体,含有效氯611mg/ml。每生产1kg有效氯,约需食盐3.04.5kg,耗电510KWH

溶液投加

<!--[if !supportLists]-->1、   <!--[endif]-->次氯酸钠宜边生产边使用,以免因贮存而使有效氯含量下降。冬天贮存时间不应超过6天,且应避光贮存。

<!--[if !supportLists]-->2、   <!--[endif]-->发生器的贮存箱标高足够时,可重力投加,通过水封箱加注到水泵吸水管中,也可用水射器等压力投加,与絮凝剂的投加要求一相同。

4、臭氧消毒

<!--[if !supportLists]-->1)      <!--[endif]-->臭氧的性质:

臭氧是氧的同素异构体,在常温常压下是具有鱼腥味的淡紫色的气体。沸点-112.5;密度2.144kg/m3,比氧重 1.5倍。此外,臭氧还具有如下性质:

<!--[if !supportLists]-->l         <!--[endif]-->不稳定性:臭氧不稳定,在常温下容易自行分解成氧气并放出热量。常温下的半衰期约为15~30min

<!--[if !supportLists]-->l         <!--[endif]-->溶解性:臭氧在水中的溶解度要比纯氧高10倍,比空气高25倍。

<!--[if !supportLists]-->l         <!--[endif]-->毒性:高浓度臭氧是有毒气体,对眼及呼吸器官有强烈的刺激作用,正常大气的臭氧浓度为(1~4X10-8,当臭氧浓度达到(1~10X10-6时可引起头痛,恶心等症状。我国《工业企业设计卫生标准TJ36-79》规定车间空气中臭氧浓度最高容许浓度为0.3mg/m3

<!--[if !supportLists]-->l         <!--[endif]-->氧化性:臭氧是强氧化计,在工业废水处理中,臭氧可用来氧化有机物和杀灭微生物。

2)臭氧的制备:

臭氧的制备方法很多,有化学法、电解法、紫外光法、无声放电法等。工业上一般采取无声放电法制取。

 

第三部分 混凝

1、混凝原理

化学混凝所处理的对象,主要是水中的微小悬浮物和胶体物质。但是,微小粒径的悬浮物和胶体,能在水中长期保持分散状态,即使静置数十小时以上,也不会自然沉降。这是由于胶体微粒及细微悬浮颗粒具有“稳定性”。

1胶体稳定性

根据研究,胶体微粒都带有电荷。天然水中的粘土类胶体微粒带有负电荷,其结构式意图见3-1-1。它的中心称为胶核。其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子,这些离子可以是胶核的组成物直接电离产生的,也可以是从水中选择性吸附HOH-离子而造成的。这层离子称为胶体微粒的电位离子,它决定了胶粒电荷的大小和符号。由于电位离子的静电引力,在其周围又吸附了大量的异号离子,形成了所谓的“双电层”。这些异号离子,其中紧靠电位离子的部分被牢固的吸引着,当胶核运动时,它也随着一起运动,形成固定的离子层。而其他的异号离子,离电位离子较远,受到的引力较弱,不随胶核一起运动,并有向水中扩散的趋势,形成了扩散层。固定的离子层与扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒,胶粒与扩散层之间,有一个电位差。此电位称为胶体的电动电位,常称作ζ电位。而胶体表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或φ电位。

胶粒在水中受几方面的影响:(1)由于上述的胶粒带电现象,带相同的电荷的胶粒产生静电排斥力,而且ζ电位越高;(2)受水分子热运动的撞击,使微粒在水中做不规则的运动,即“布朗运动”;(3)胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力。范德华引力的大小与胶粒间距的2次方成反比,当间距较大时,此引力略去不计。

一般水中的胶粒,ζ电位较高。其相互斥力不仅与ζ电位有关,还与胶粒的间距有关,距离愈近,斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此,胶体微粒不能聚结而长期保持很稳定的分散状态。

使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶体带电,将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是,水化膜是伴随胶粒带电而产生的,如果胶粒的ζ电位消除或减弱,水化膜也就随之消失或减弱。

12混凝原理

化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多,如水中杂质的成分和浓度、水温、水的PH值、碱度,以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来,可以认为是两方面的作用:

1)压缩双电层的作用

如前所述,水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态,主要是由于胶粒ζ电位。如能消除或降低胶粒的ζ电位,就有可能使微粒碰撞聚结,失去稳定性。在水中投加电解质——混凝剂可达到此目的。例如天然水中带负电荷的粘土胶粒,在投入铁盐或铝盐等混凝剂后,混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。因为胶核表面的总电位不变,增加扩散层及吸附层中的正离子浓度,就使扩散层减薄,图3-1-1中的ζ电位为零,称为等电状态。在等电状态下,胶粒间静电斥力消失,胶粒最易发生聚结。实际上,ζ电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时,胶粒就开始产生明显的聚结,这时的ζ电位称为临界电位。胶粒因ζ电位降低或消除以致失去稳定性的过程,称为胶粒脱稳。脱稳的胶粒相互聚结,称为凝聚。

压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论,它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。但是,如仅用双电层作用原理来解释水中的混凝现象,会产生一些矛盾。例如,三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多时效果反而下降,水中的胶粒又会重新获得稳定。又如在等电状态下,混凝效果似应最好,但生产实践却表明,混凝效果最佳时的ζ电位常大于零。于是,提出了第二种作用。

2)吸附架桥作用

三价铝盐或铁盐以及其它高分子混凝剂溶于水后,经水解和缩聚反应形成高分子聚合物,具有线形结构。这类高分子物质可被胶体威力所强烈吸附。因其线形程度较大,当它的一端吸附某一胶粒后,另一端又吸附另一胶粒,在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥,使颗粒逐渐结大,形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程,称为絮凝。

上述两种作用产生的微粒凝结现象——凝聚和絮凝总称为混凝。

2、混凝剂和助凝剂

21混凝剂

用于水处理中的混凝剂应要求:混凝效果良好,对人体健康无害,价廉易得,使用方便。混凝剂的种类较多,主要以下两大类:

<!--[if !supportLists]-->(1)   <!--[endif]-->无机盐类混凝剂  目前应用最广的是铝盐和铁盐。

铝盐中主要有硫酸铝、明矾等。硫酸铝AL2SO43·18H2O的产品有精致和粗制两种。精致硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的AL2O3含量不少于14.5-16.5%,不溶杂质含量不大于24-30%,价格较低,但质量不稳定,因含不溶杂质较多,增加了药液配制和排除废渣等方面的困难。明矾是硫酸铝和硫酸钾的复盐AL2SO43·K2SO4·24H2OAL2O3含量约10.6%,是天然矿物。硫酸铝混凝效果较好,使用方便,对处理后的水质没有任何影响。但水温低时,硫酸铝水解困难,形成的絮凝体较松散,效果不及铁盐。

铁盐中主要有三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铁等。三氯化铁是和褐色结晶体,极易溶解,形成的絮凝体较紧密,易沉淀,但三氯化铁腐蚀性强,易吸水潮解,不易保管。硫酸亚铁FeSO4·7H2O是半透明绿色结晶体,离解出的二价铁离子Fe2不具有三价铁盐的良好凝聚作用,使用时应将二价铁氧化成三价铁。同时,残留在水中的Fe2会使处理后的水带色,Fe2与水中的某些有色物质作用后,会生成颜色更深的溶解物。

<!--[if !supportLists]-->(2)   <!--[endif]-->高分子混凝剂  高分子混凝剂分无机的和有机的。

聚合氯化铝和聚合氯化铁是目前国内外研制和使用比较广泛的无机高分子絮凝剂。聚合氯化铝的混凝作用与硫酸铝并无差别。硫酸铝投入水中后,主要是各种形态的水解聚合物发挥混凝作用。但由于影响硫酸铝化学反应的因素复杂,要想根据不同的水质控制水解聚合物的形态是不可能的。人工合成的聚合氯化铝则是再人工控制的条件下预先制成最优形态的聚合物,投入水中后可发挥优良的混凝作用。它对各种水质适应性较强,使用于的PH值范围较广,对低温水效果也较好,形成的絮凝体粒大而重,所需的投量约为硫酸铝的1/2-1/3

有机高分子混凝剂有天然的和人工合成的。这类混凝剂都有巨大的线性分子。每一大分子有许多链节组成,链节间以共价键结合。我国当前使用较多的是人工合成的聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的聚合度可多达2×104-9×104,相应的分子量最高到150×104-600×104。凡有机高分子混凝剂的链节上含有可离解基团,离解后带正电的称为阳离子型,带负电的称为阴离子型。如果链节上不含可离解基团的称为非离子型。聚丙烯酰胺即为非离字型高聚物。但它可以通过水解构成阴离子型,也可通过引入基团制成阳离子型。

有机高分子混凝剂由分子上的链节与水中胶体微粒有极强的吸附作用,混凝效果优异。即使是阴离子型高聚物,对负电胶体也有很强的吸附作用。但对于未经脱稳的胶体,由于静电斥力有碍于吸附架桥作用通常作助凝剂使用。阳离子型的吸附作用尤其强烈,且在吸附的同时,对负电胶体有电中和的脱稳作用。

有机混凝剂虽然效果优异,但制造过程复杂,价格昂贵。另外,由于聚丙烯酰胺的单体——丙烯酰胺有一定的毒性,因此它们的毒性问题引起人们的注意和研究。

22助凝剂

当单用助凝剂不能取得良好效果时,可投加某些辅助药剂以提高混凝效果,这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂可用以调节或改善混凝的条件,例如当原水的碱度不足时可投加石灰或重碳酸钠等;当采用硫酸亚铁作混凝剂时可加氯气将亚铁Fe2氧化成三价铁离子Fe3等。助凝剂也可以改善絮状体的结构,利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用,使细小松散的絮状体变的粗大而紧密,常用的有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、海藻酸钠、红花树等。

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->影响混凝效果的主要因素

影响混凝效果的因素很多,主要有水温、水质和水力条件等。

3.1 水温

水温对混凝效果有明显的影响。无机盐类混凝剂的水解是吸热反应,水温低时,水解困难,特别是硫酸铝,当水温低于5时,水解速度非常缓慢。而且,水温低,、粘度大,不利于脱稳胶粒相互絮凝,影响絮凝体的结大。改善的办法是投加高分子助凝剂。

3.2水的PH值和碱度

水的PH值对混凝的影响程度,视混凝剂的品种而异。用硫酸铝去除水中浊度时,最佳PH值范围在6.57.5之间;用于除色时,PH值在4.55之间。用三价铁盐时,最佳PH值范围在6.08.4之间,比硫酸铝范围宽。如用硫酸亚铁。只有在PH8.5和水中有足够溶解氧时,才能迅速形成Fe3,这就使设备和操作较复杂。为此,常采用加氯氧化的方法,其反应为:

6FeSO4+3CL2=2Fe2(SO4)3+2FeCL3

高分子混凝剂尤其是有机高分子混凝剂,混凝的效果受PH值的影响较小。

从铝盐和铁盐的水解反应可知,水解过程中不断产生的H+必将使水的PH值下降。要使PH值保持在最佳的范围内,应有碱性物质与其中和。当原水中碱度充分时,PH值略有下降而不致影响混凝效果。当原水中碱度不足或混凝剂投量较大时,水中的PH值将大幅下降,影响混凝效果。此时,应投加石灰或重碳酸钠等。

32水中杂质的成分、性质和浓度

水中杂质的成分、性质和浓度都对混凝效果有明显的影响。例如,天然水中含粘土类杂质为主,需要投加的混凝剂的量较少,而废水中含有大量有机物时,需要投加较多的混凝剂才有混凝效果,其投加量可达10102mg/l。但影响的因素比较复杂,目前还缺乏系统和深入的研究,理论上只限于作些定性的推断和估计。在生产和使用上,主要靠混凝试验,以选择合适的混凝剂品种和最佳投量。

33水力条件

混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响极大。整个混凝过程可以分为两个阶段:混合和反应。这两个阶段在水力条件上的配合非常重要。

混合阶段的要求是使药剂迅速均匀的扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件,使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和絮动水流进行凝聚。在此阶段并不要求形成大的絮凝体。混合要求快速和剧烈搅拌,在几秒钟或一分钟内完成。对于高分子混凝剂,由于它们在水中的形态不象无机盐混凝剂那样受时间的影响,混凝的作用主要是使药剂在水中均匀分散,对“快速”和“剧烈”的要求并不重要。

反应阶段的要求是使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝体。反应阶段的搅拌强度或水流速度应随着絮凝体的结大而逐渐降低,以免结大的絮凝体被打碎。如果化学混凝以后不经沉淀处理而直接进行接触过滤,反应阶段可以省略。

<!--[if !supportLists]-->4、 <!--[endif]-->化学混凝的设备

化学混凝的设备包括:混凝剂的配制和投加设备、混合设备和反应设备。

混凝剂投加到要处理的水中,可以用干投法和湿投法。干投法就是将固体药剂(如硫酸铝)破碎成粉末后定量地投加。这种方法现在使用较少。目前常用的湿投法是将混凝剂先溶解,再配制成一定的溶液后定量地投加。因此,它包括溶解配制设备和投加设备。

4.1混凝剂的溶解和配制

混凝剂是在溶解池中进行溶解。溶解池应有搅拌装置,搅拌的目的是加速药剂的溶解。搅拌的方法常有机械搅拌、压缩空气搅拌和水泵搅拌等。水泵搅拌是直接用水泵从溶解池内抽出溶液再循环回到溶解池。无机盐混凝剂的溶解池,搅拌装置和管配件等都应考虑防腐措施或用防腐材料。当使用FeCl3时,腐蚀性特强,更需注意。

药剂溶解完全后,将农药液送入溶液池,用清水稀释到一定的浓度备用。无机混凝剂溶液的浓度一般用1020%。有机高分子混凝剂溶液的浓度一般用0.51.0%

溶液池的容积可考虑下列因素:

  ——溶液池容积,

——处理的水量

——混凝剂的最大投加量,

——溶液浓度,%

——每天配制次数,一般为2-6次。

溶解池的溶剂:

W2=0.2-0.3W1m3

4.2混凝剂溶液的投加

药剂投入原水中必须有计量及定量设备,并能随时调节投加量。计量设备可以用转子流量计,电磁流量计等。图3-4-2是一种常用的简单的计量设备。配制好的药剂溶液通过浮球阀进入恒位水箱。箱中液位靠浮球阀保持恒定。在恒定液位下h处有出液管,管端装有苗嘴或孔板,见图3-4-3ab。因作用水头h恒定,一定口径的苗嘴或是一定开启度的孔板的出流量是恒定的。当需要调节投加药量时,可以更换苗嘴或是改变孔板的出口断面。药剂投入原水中的方式,可以采用在泵前靠重力投加,也可以用水射器投加或直接用计量泵投加。

第四部分 过滤

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->过滤概述

在水处理技术中,过滤是以具有空隙的粒状滤粒层,如石英砂等,截留水中的杂质从而使水获得澄清的工艺过程。

过滤不仅可以进一步降低水中的悬浮物,而且通过过滤层还可以使水中的有机物、细菌、乃至病毒随着悬浮物的降低而被大量去除。至于过滤后残留在滤后水中的细菌、病毒等,由于失去悬浮物的保护或依存而大部分裸露,在消毒过程中,也将容易被杀死。因此,在饮用水的净化工艺中,有时沉淀或澄清可以省略,但过滤这一工艺是不可缺少的一个重要措施。

滤池的形式有多种多样,以石英砂作为滤料的普通滤池使用历史最久,并在此基础上为适应滤层中杂质截留规律以充分发挥滤层截留杂质的能力,出现了,滤料粒径循水流方向减小的过滤层,其中包括双层滤料、多层滤料。

<!--[if !supportLists]-->2、 <!--[endif]-->滤池的过滤过程

21滤池的过滤原理

以单层石英滤池为例,滤料粒径级配通常自0.5mm1.2mm,滤层厚度约700mm。经过反冲洗后的水力分选,从上而下循水流方向,滤料粒径由小到大,滤料颗粒之间的孔隙尺寸也依次增大。设表层细砂粒径为0.5mm,并假定以球体计,则这些颗粒之间的孔隙尺寸约为80??m。我们知道,经过混凝沉淀或澄清后的进入滤池的悬浮物的直径,大约在230??m之间,对于如此微小的颗粒如何被滤层截留下来呢?砂滤层截留悬浮物颗粒的过程可以解释为:机械筛滤、沉淀以及接触絮凝等。但其最主要的过滤机理,是将滤料颗粒看作是接触吸附介质。水中滤层孔隙中曲折流动时,悬浮颗粒与滤料之间具有更多的接触吸附机会,过滤效果主要决定于悬浮物的表面性质,而无须增大悬浮颗粒的尺寸。近年来,根据这一理论发展了采用多层滤料滤池以提高滤速;低浊度原水不经反应过程而进行直接过滤的所谓“接触过滤”或“微絮凝”过滤,更体现了过滤过程中的接触絮凝作用。当然,在滤池的过滤过程中,也不应完全排除筛滤和沉淀作用的存在。例如,当滤层孔隙由于悬浮颗粒粘附作用而积累时逐渐变小,筛滤作用将是肯定存在的,特别在表层滤料,这一作用是明显存在的。

22滤料层截流悬浮颗粒的规律

根据水中悬浮颗粒在砂滤层中的接触絮凝原理,颗粒被砂层截留的过程大体是:在悬浮颗粒与滤料颗粒接触絮凝的同时,还存在着由于水流冲刷而使被粘附的颗粒从滤料表面脱落的作用。颗粒与滤料的接触絮凝,主要决定于微絮凝体的表面特性及其强度,而颗粒从滤料表面的脱落则取决于滤层孔隙中的流速。在过滤开始阶段,滤层比较干净,孔隙亦较大,孔隙流速亦较小,水中大量的悬浮颗粒首先被表层的510cm左右厚度的滤料所截留,少量的颗粒因粘附不牢而下移并被下层滤料所截留。随着过滤过程的不断进行,表层滤料孔隙率愈亦减少,孔隙流速增大,粘附表面积减少,于是表面滤料上的粘附颗粒脱落趋势增强,并向下层推移,下层滤料的截留作用也渐次得到发挥。但是,当下层滤料对悬浮颗粒的截留作用尚未得到充分发挥时,过滤过程就基本结束了。这是由于:表层滤料最细,吸附面积最大,截留的悬浮颗粒亦最多,而滤料间孔隙尺寸却又最小,因此,当过滤到一定作用后,表层滤料间的孔隙将逐渐被悬浮杂质所堵塞。在严重时,由于表层滤料的筛滤结果,将逐渐形成一层滤膜,使过滤的阻力剧增,其结果是:在一定的过滤水头下,滤速将急剧减小;或者由于滤层表面受力不均匀而使滤膜产生裂缝时,大量的水流自裂缝中流出,造成局部流速过大而使悬浮杂质穿透整个滤层,使出水水质恶化。当上述两种情况之一出现时,尽管下层滤料还未发挥它们应有的作用,过滤也被迫停止。图4-2-2表示在通常滤速下工作周期结束时,杂志在滤层中的分布示意图。

杂质在滤层中分布规律受许多因素的影响,如:进水水质、水温、滤速、滤料粒径、滤料的形状及级配,凝聚微粒的强度等。

23 过滤过程中的滤层阻力的变化

在过滤过程中,由于滤层截留的量随着时间的不断增长而不断增加,因而滤层的孔隙率亦不断减小,滤层对水流的阻力将随之增大。水流阻力的增加,对以下两种过滤方式将产生不同的影响。

<!--[if !supportLists]-->1)       <!--[endif]-->等速过滤

等速过滤中的水头损失变化在过滤过程中,过滤的流量或过滤的滤速自始至终保持不变,成为等速过滤。在这种过滤过程中,当滤层对水流阻力增大时,则滤层上部的水位就随之升高,以克服所增加的阻力,使滤速(或流量)基本保持不变。

过滤过程的开始阶段,滤层比较干净,水头损失较小,一般当滤速为1012m/h左右时,水头损失仅为十几厘米,该水头损失称为“清洁砂层水头损失”,或称“其实水头损失”,以h0表示。图4-2-3为水头损失与过滤时间的关系曲线。

清洁砂层在通常滤速范围内,属层流过滤。如在均匀滤料中(即滤料粒径和形状均匀一致),起始水头损失可用Blake-Kozeny公式表示:

 

式中,  d——滤料粒径

        ψ——滤料颗粒球型度系数,ψ=d0/di为某一形状不规则的颗粒粒径di同体积的球体直径d0之比,表4-2-1为不同形状的颗粒的球形度系数

       γ——水的运动粘滞系数

        ν——滤速

         l——滤料层厚度

         m——孔隙率

4-2-1 滤料颗粒的球形度系数及孔隙率

 

序号

颗粒形状

球形度系数

孔隙率m

1

圆球形

1.0

0.38

2

圆形

0.98

0.38

3

已腐蚀的

0.94

0.39

4

较锐利的

0.81

0.40

5

有尖角的

0.78

0.43

    在实际滤层中,滤料为非均匀滤料,粒径由上而下逐渐增大。假设整个滤层由上而下按筛号分成若干层,并认为处于两相邻筛子之间的颗粒粒径大体均匀,则各层的水头损失之和即为整个滤层总水头损失。随着过滤时间的推移,滤层阻力逐渐增大。在恒定的滤速下,阻力的增大,导致水头损失的增加,滤层内水位就随着上升。

    设过滤到时间t后,滤层中的水头损失增加Δh,则总水头损失为:

    h=h0+Δh                                                        4-2

根据试验,在一般等速过滤情况下,Δht成直线关系,如图4-2-3所示。

在不出现诸如因操作不当而致过滤后水质恶化的情况下,过滤水头损失对工作周期往往起决定性影响。在设计中一般取1.52.0m,这当中已包括配水系统及承托层等的水头损失在内。过滤水头损失达到最大允许水头损失时,过滤即告结束.由此可见,滤池的工作周期与滤速直接有关。

<!--[if !supportLists]-->2)       <!--[endif]-->等速过滤

速过滤中的滤速变化。随着过滤时间的增长,而滤速(或流量)逐渐减小称为变速过滤。普通滤池通常属这种过滤形式。

4-2-4为一普遍滤池的过滤形式,H表示过滤水头。为分析简便起见,设出水闸阀开启度在整个过滤过程中保持不变,滤池水面和清水池水面之间的水位差也基本保持稳定,则过滤水头H可认为基本不变。

在过滤过程中,过滤水头H应等于滤层水头损失、承托层水头损失、配水系统水头损失、出水管道系统水头损失和管道出口流速水头之总和。在整个过滤过程中,其它各项阻力系数不变,惟有滤层因截留悬浮颗粒的量逐渐增多而使阻力系数逐渐增大,以致滤速逐渐下降。在变速过滤中,滤速和过滤时间的关系相当复杂。因为,在过滤水头一定的情况下,滤速随时间而下降,除滤层以外的其它部分水头损失也随时间而下降,而滤层中的水头损失则逐渐上升。但是,由于滤速减小,单位时间内进入滤层的杂质量也随之减小(在进水水质稳定的情况下),滤层中的阻力的增加将渐次减缓。图4-2-5为滤速随过滤时间的变化曲线。当滤速降至允许限度时,过滤过程将结束。

普通滤池实际上是在水头既有变化,滤速又有变化的情况下工作的。

24 提高过滤效率的途径

由上面的分析可知,单层砂滤池的不足之处主要是由于滤料粒径循水流方向逐渐增大而造成的。如滤料粒径循水流方向逐渐减小,则滤液中的杂质分布将趋于均匀,滤层的含污能力将可提高,滤层中水流阻力的增加将会减缓,工作周期或过滤速度得到提高。根据这样的概念,便出现了上向流、双层及多层滤料过滤等,见图4-2-6

 

采用双层及多层滤料,是当前国内外普遍重视的过滤技术。滤池构造和过滤方式与普通单层滤料无多大差别,只是滤料组成改变。

双层滤料的组成为:上层滤料采用比重小(约1.5),粒径平均为1.05mm,层厚为3050cm的轻质滤料,下层则采用比重大(约2.6),粒径为0.41.0mm,层厚为4050cm的重质滤料。由于两种滤料的比重差,在一定的反冲洗强度下,经过水力分选使轻质滤料分布于上层,重质滤料分布于下层,构成双层滤料滤池。

实践证明:双层滤料的含污能力较单层滤料约高一倍以上,在相同滤速下,工作周期增长,在相同的工作周期下,滤速可提高0.51.0倍。表4-2-2为双层滤料与普通滤料的试验结果。

多层滤料是在双层滤料的基础上发展起来的。一般为三层。上层为粒径0.82.0mm,比重为1.5的无烟煤滤料,层厚一般为4050cm;中层为粒径0.50.8mm,比重为2.6的石英砂滤料,层厚为30cm;下层为粒径0.250.5mm,比重为4.24.8的柘榴石、铁矿石等滤料,滤层一般为10cm左右。在滤池中,整个滤料层的平均粒径由上到下递减。三层滤料滤池,不仅截污能力大,且下层重质细滤料对防止杂质穿透有很大的作用。如采用小阻力配水系统,以减少过滤时的水头损失,滤速可以提高到3040m/h

4-2-2 双层滤料滤池与单层滤料滤池的试验结果

 

试验   滤速

滤池进水水质

滤水周期

过滤出水水质

浑浊度(mg/L) 色度(??)

滤料的截污能力(kg/m3

编号(m/h

浑浊度  色度

mg/l  (??)

双层滤池

单层滤池

双层滤池

单层滤池

双层滤池

单层滤池

双层滤池

单层滤池

<!--[if !supportLists]-->1               <!--[endif]-->5

<!--[if !supportLists]-->2               <!--[endif]-->8

<!--[if !supportLists]-->3               <!--[endif]-->10

<!--[if !supportLists]-->4               <!--[endif]-->12

3.8    25

3.9    20

<!--[if !supportLists]-->            <!--[endif]-->24

  4.0    26

<!--[if !supportLists]-->35            <!--[endif]-->40

<!--[if !supportLists]-->40            <!--[endif]-->24

   40   17.5

37    -

1.4    1.4    16    17

1.5    1.5    18    18

1.7    1.6    17    17

1.7     -     19     -

1.6    0.83

1.46    0.83

1.75    0.79

1.82     -

 

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