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    水處理學習資料預處理

    時間 :2017-8-8點擊 :1859來源 :

    水處理學習資料預處理
        各種原水中均含有一定濃度的懸浮物和溶解性物質。懸浮物主要是無機鹽、膠體和微生物、藻類等生物性顆粒。溶解性物質主要是易溶鹽(如氯化物)和難溶鹽(如碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽)金屬氧化物,酸堿等。在反滲透過程中,進水的體積在減少,懸浮顆粒和溶解性物質的濃度在增加。懸浮顆粒會沉積在膜上,堵塞進水流道、增加摩擦阻力(壓力降)。難溶鹽在超過其飽和極限時,會從濃水中沉淀出來,在膜面上形成結垢,降低RO膜的通量,增加運行壓力和壓力降,并導致產品水質下降。這種在膜面上形成沉積層的現象叫做膜污染,膜污染的結果是系統性能的劣化。需要在原水進入反滲透膜系統之前進行預處理,去除可能對反滲透膜造成污染的懸浮物、溶解性有機物和過量難溶鹽組分,降低膜污染傾向。對進水進行預處理的目的是改善進水水質,使RO膜獲得可靠的運行保證。
        對原水進行預處理的效果反映為TSS、TOC、COD、BOD、LSI及鐵、錳、鋁、硅、鋇、鍶等污染物水質指標的絕對值降低,在上一章中有對于這些污染物水質指標的詳細描述。表征膜污染傾向的另外一個重要的水質指標是SDI。通過預處理,除了要將上述指標降到反滲透膜系統進水要求的范圍內,還有重要的一點是盡量降低SDI,理想的SDI(15分鐘)值應小于3。
        5.1化學預處理
        為了改善反滲透系統的操作性能,在進水中可以加入添加下列一些藥劑:酸、堿、殺菌劑、阻垢劑和分散劑。
        1 加酸-防止結垢
        在進水中可以加入鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)來降低pH。硫酸價格便宜、不會發煙腐蝕周圍的金屬元器件,而且膜對硫酸根離子的脫除率較氯離子高,所以硫酸比鹽酸更為常用。沒有其他添加劑的工業級硫酸即適宜于反滲透使用,商品硫酸有20%和93%兩種濃度規格。93%的硫酸也稱為66波美度硫酸。在稀釋93%硫酸時一定要小心,在稀釋到66%時發熱可將溶液的溫度提升到138℃。一定要在攪拌下緩慢地將酸加入水中,以免水溶液局部發熱沸騰。鹽酸主要在可能產生硫酸鈣或硫酸鍶結垢時使用。使用硫酸會增加反滲透進水中的硫酸根離子濃度,直接導致硫酸鈣結垢傾向增加。工業級的鹽酸(無添加劑)購買非常方便,商品鹽酸一般含量為30-37%。降低pH的首要目的是降低RO濃水中碳酸鈣結垢的傾向,即降低朗格里爾指數(LSI)。LSI是低鹽度苦咸水中碳酸鈣的飽和度,表示碳酸鈣結垢或腐蝕的可能性。在反滲透水化學中,LSI是確定是否會發生碳酸鈣結垢的是個重要指標。當LSI為負值時,水會腐蝕金屬管道,但不會形成碳酸鈣結垢。如果LSI為正值,水沒有腐蝕性,卻會發生碳酸鈣結垢。LSI由碳酸鈣飽和的pH減去水的實際pH。碳酸鈣的溶解度隨溫度的上升而減?。ㄋ畨刂械乃妇褪沁@樣形成的),隨pH、鈣離子的濃度即堿度的增加而減小。LSI值可以通過向反滲透進水中注入酸液(一般是硫酸或鹽酸)即降低pH的方法來調低。推薦的反滲透濃水的LSI值為0.2(表示濃度低于碳酸鈣飽和濃度0.2個pH單位)。還可以使用聚合物阻垢劑來防止碳酸鈣沉淀,一些阻垢劑供應商聲稱其產品可以使反滲透濃水的LSI高達+2.5(比較保守的設計是LSI為+1.8)。
        2 加堿-提高脫除率
        在一級反滲透中加堿使用較少。在反滲透進水中注入堿液用來提高pH。一般使用的堿劑只有氫氧化鈉(NaOH),購買方便,而且易溶于水。一般不含其他添加劑的工業級氫氧化鈉便可滿足需要。商品氫氧化鈉有100%的片堿,也有20%和50%的液堿。在加堿調高pH時一定要注意,pH升高會增加LSI、降低碳酸鈣及鐵和錳的溶解度。最常見的加堿應用是二級RO系統。在二級反滲透系統中,一級RO產水供給二級RO作為原水。二級反滲透對一級反滲透產水進行“拋光”處理,二級RO產水的水質可達到4兆歐。在二級RO進水中加堿有4個原因:
        a.在pH8.2以上,二氧化碳全部轉化為碳酸根離子,碳酸根離子可以被反滲透脫除。而二氧化碳本身是一種氣體,會隨透過液自由進入RO產水,對于下游的離子交換床拋光處理造成不當的負荷。
        b.某些TOC成分在高pH下更容易脫除。
        c.二氧化硅的溶解度和脫除率在高pH下更高(特別是高于9時)。
        d.硼的脫除率在高pH下也較高(特別是高于9時)。
        加堿應用有一個特例,通常被叫做HERO(高效反滲透系統)過程,將進水pH調到9或10。一級反滲透用來處理苦咸水,苦咸水在高pH下會有污染問題(比如硬度、堿度、鐵、錳等)。預處理通常采用弱酸性陽離子樹脂系統和脫氣裝置來除去這些污染物。
        3 脫氯藥劑-消除余氯
        RO及NF進水中的游離氯要降到0.05ppm以下,才能達到聚酰胺復合膜的要求。除氯的預處理方法有兩種,粒狀活性炭吸附和使用還原性藥劑如亞硫酸鈉。在小系統(50-100gpm)中一般采用活性碳過濾器,投資成本比較合理。推薦使用酸洗處理過的優質活性炭,去除硬度、金屬離子,細粉含量要非常低,否則會造成對膜的污染。新安裝的碳濾料一定要充分淋洗,直到碳粉被完全除去為止,一般要幾個小時甚至幾天。我們不能依靠5μm的保安過濾器來保護反滲透膜不受碳粉的污染。碳過濾器的好處是可以除去會造成膜污染的有機物,對于所有進水的處理比添加藥劑更為可靠。但其缺點是碳會成為微生物的飼料,在碳過濾器中孳生細菌,其結果是造成反滲透膜的生物污染。
        亞硫酸氫鈉(SBS)是較大型RO裝置選用的典型還原劑。將固體偏亞硫酸氫鈉溶解在水中配制成溶液,商品偏亞硫酸氫鈉的純度為97.5-99%,干燥儲存期6個月。SBS溶液在空氣中不穩定,會與氧氣發生反應,所以推薦2%的溶液的使用期為3-7天, 10%以下的溶液使用期為7-14天。從理論上講,1.47ppm的SBS(或0.70ppm偏亞硫酸氫鈉)能夠還原1.0ppm的氯。設計時考慮到工業苦咸水系統的安全系數,設定SBS的添加量為每1.0ppm氯1.8-3.0ppm。SBS的注入口要在膜元件的上游,設置距離要保證在進入膜元件有29秒的反應時間。推薦使用適當的在線攪拌裝置(靜態攪拌器)。
        介質過濾
        從水中去除懸浮固體普遍的方法是多介質過濾。多介質過濾器以成層狀的無煙煤、石英砂、細碎的石榴石或其他材料為床層。床的頂層由質輕和質粗品級的材料組成,而最重和最細品級的材料放在床的底部。其原理為按深度過濾——水中較大的顧粒在頂層被除去,較小的顆粒在過濾器介質的較深處被除去。
        在單一介質過濾器中,最細的顆粒材料反洗至床的頂部。大多數過濾發生在床頂部5cm區域內,其余作為支撐介質。有一泥漿層形成。雖然單一介質過濾器的濾速限制為81.5—163L/(min.m2)過濾面積,多介質過濾器的水力過程流速可高達815L/(min.m2),但因高水質的要求,通常在RO預處理中流速限制在306L/(min.m2)。
        由于膠體懸浮物既很細小又由于介質電荷之間的排斥,所以單獨過濾不起作用。在這些情況下,在過濾前必須加絮凝劑或絮凝化學藥品。常用的絮凝劑有三氯化鐵、礬和陽離子聚合物。因為陽離子聚合物在低劑量下就有效果,且不明顯地增加過濾器介質的固體負荷,所以最常用。另一方面,如果陽離子聚合物進入現在采用的某些最通用的膜上,則它們卻是非常強的污染物。很少量的陽離子聚合物就能堵塞這些膜,且往往難以去除。務須謹記當用陽離子聚合物作為過濾助劑時,必須小心使用。
        2除鐵、錳——氧化過濾
        通常含鹽量為苦咸水范圍的某些井水呈還原態,典型特點是含有二價的鐵和錳,有時還會存在硫化氫和氨。如果對這類水源進行氯化處理,或當水中含氧量超過5mg/L時,Fe2+將轉化為Fe3+形成難溶解性的膠體氫氧化物顆粒。鐵和錳的氧化反應如下:
        4Fe(HCO3)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3+8CO2
        4Mn(HCO3)2+O2+2H2O→4Mn(OH)3+8CO2
        由于鐵的氧化在很低的pH值時就會發生,因而出現鐵污染的情況要比錳污染的情況要多,即使SDI小于5,RO進水的鐵含量低于0.1mg/L,仍會產生鐵污染的問題。堿度低的進水鐵離子含量要高,這是因為FeCO3的溶解度會限制Fe2+的濃度。
        處理這類水源的一種方法時防止整個RO過程中與空氣和任何氧化劑如氯的接觸。低pH值有利于延緩Fe2+的氧化,當pH<6,氧含量<0.5mg/L時,最大允許Fe2+濃度4mg/L,另一種是用空氣、Cl2或KMnO4氧化鐵和錳,將所形成的氧化物通過介質過濾器除去,但需要主要的是,由硫化氫氧化形成的膠體硫可能難以由過濾器除去,在介質過濾器內添加氧化劑通過電子轉移氧化Fe2+,即可一步同時完成氧化和過濾。
        海綠石就是這樣一種粒狀過濾介質,當其氧化能力耗盡時,它可通過KMnO4的氧化來再生,再生后必須將殘留的KMnO4完全沖洗掉,以防止對膜的破壞。當原水中含Fe2+的量小于2mg/L時,可以采用這一處理方法,如原水中含更高的Fe2+的量小于2mg/L時,可以采用這一處理方法,如原水中含更高的Fe2+時,可在過濾器進水前連續投加KMnO4,但是在這種情況下,必須采取措施例如安裝活性炭濾器以保證沒有高錳酸鉀進入膜元件內。
        Birm過濾也可以有效地用于從RO/NF進水中去除Fe2+,Birm是一種硅酸鋁基體上涂有二氧化錳形成沉淀,并且通過濾器反洗可將這些沉淀沖出濾器。由于該過程pH將升高,可能會發生LSI值變化,因而要預防濾器和RO/NF系統內出現CaCO3沉淀。
        3 微絮凝
        如果過濾前對原水中的膠體進行絮凝或混凝處理,可以大幅度地提高介質過濾器效率,使出水的SDI降低到5左右。硫酸鐵和三氯化鐵可以用于對膠體表面的負電荷進行失穩處理,將膠體捕捉到新生態的氫氧化鐵微小絮狀物上,使用含鋁絮凝劑其原理相似,但因其可能有殘留鋁離子污染問題,并不推薦使用,除非使用高分子聚合鋁。迅速的分散和混合絮凝劑十分重要,建議采用靜態混合器或將注入點設在增壓泵的吸入段,通常最佳加藥量為10-30mg/L,但應針對具體的項目確定加藥量。
        為了提高混凝劑絮體的強度進而改進它們的過濾性能,或促進膠體顆粒間的架橋,絮凝劑與混凝劑一起或單獨使用,絮凝劑為可溶性的高分子有機化合物,如線性的聚丙烯酰胺,通過不同的活性功能團,它們可能表現為陽離子性、陰離子性或中性非離子性?;炷齽┖托跄齽┛赡苤苯踊蜷g接地影響RO膜,間接的影響如它們的反應產物形成沉淀并覆蓋在膜面上,例如當過濾器發生溝流而使混凝劑絮體穿過濾器并發生沉淀;當使用鐵或鋁混凝劑,但沒有立即降低pH值時,在RO階段或因進水濃縮誘發過飽和現象,就會出現沉淀,還有在多介質濾器后加入化合物也會產生沉淀反應,最常見的是投加阻垢劑,幾乎所有的阻垢劑都是荷負電的,將會與水中陽離子性的絮凝劑或助凝劑反應而污染RO膜。
        當添加的聚合物本身影響膜導致通量的下降,這屬于直接影響。為了消除RO/NF膜直接和間接的影響,陰離子和非離子的絮凝劑比陽離子的絮凝劑合適,同時還須避免過量添加。
     
    4微濾/超濾
        采用超濾/微濾預處理工藝的反滲透/納濾系統叫做集成膜系統(IMS)。與采用傳統預處理工藝的反滲透系統相比,IMS設計具有一些明顯的優勢。
        ● MF/UF透過液水質更好。SDI和濁度更低,明顯降低了對反滲透的膠體和有機物、微生物污染負荷。
        ● 由于膜在這里是污染物的絕對屏障,MF/UF濾液的高質量可以保持穩定。即便是地表水和廢水等水質波動異常頻繁的水源,這種穩定性也不會改變。
        ● 由于膠體污染減少,反滲透系統的清洗頻率明顯降低。
        ● 與一些傳統過濾工藝相比,MF/UF系統操作更容易,耗時更少。
        ● 與采用大量化學品的傳統工藝相比,MF/UF濃縮廢液的處置比較容易。
        ● 占地面積更小,在一些大系統中,有時只相當于傳統工藝的1/5。
        ● 有利于系統的擴大增容。
        ● 運行費用基本相當,在一些情況下會較少。
        ● 設備投資基本相當,在一些情況下會較少。
        (1)MF/UF膜的特性
        市場銷售的微濾膜的孔徑一般在0.1-0.35mm。用于反滲透預處理的超濾膜的切割分子量一般在
        20,000到750,000道爾頓(0.002-0.05mm)。
        常見的操作跨膜壓差(TMP)在3-30psi。膜材料有聚砜、聚烯烴、聚醚砜、聚丙烯、纖維素類和其他專有配方。大多數膜材料具有相當寬的pH范圍,以便于在低和高pH條件下進行化學清洗。大多數膜還具有耐游離氯的性能,可以進行周期性或連續消毒處理。聚合物膜的最大運行溫度為40℃,但陶瓷膜可以在較高溫度下使用。
        MF/UF膜有許多構型:卷式平板膜、管式、中空纖維和板框式。用于RO預處理比較普遍的是中空纖維和卷式,這主要是由于考慮到投資、能耗、耐污染以及在沖洗和化學清洗的情況下的通量恢復性能。
        (2)MF/UF運行特性
        MF/UF膜有兩種不同的運行模式:全量過濾和錯流過濾。全量過濾操作模式(也叫做死端過濾)與筒式濾器相類似,即只有料液流和濾液流(沒有濃縮液流)。全量過濾方式可以實現水回收率的最大化,達到95-98%,但一般限于原水的懸浮固體含量較低的情況(比如濁度<10NTU)。錯流操作模式的典型水回收率為90-95%。
        在一些情況下,MF/UF系統的原水回收率可以達到99%以上,需要將濃縮水和周期性反沖洗水進行收集和處理。二次處理可以通過采用傳統固體沉降或另外一套MF/UF系統。
        如果MF/UF系統需要預處理,只是簡單的篩網過濾器,精度在100到150μm。有時添加鐵鹽一類的混凝劑,以獲得最好的懸浮固體去除效果。
        MF/UF膜的典型通量在36-110gfd之間(60-183l/m2hr)。懸浮物濃度較高或污染傾向較強的料液系統,運行通量也較低;高通量用于處理低懸浮物負載的料液系統(比如地表水的通量可以是70gfd)。MF/UF透過液的水質在濁度或SDI等指標上明顯好于傳統預處理水。一般MF/UF的產水濁度在0.04-0.1 NTU之間,而且不隨原水濁度波動。運行良好的傳統預處理水的濁度為0.2—1.0NTU。典型的MF/UF產水的SDI為0.3-2,而運行良好的傳統預處理水的SDI為2-6。更低的SDI降低了對反滲透膜的膠體物料沉積污染。
        (3)MF/UF改善反滲透的經濟性
        利用濁度和SDI都非常低的MF/UF產水,反滲透設計通量會大大提高。采用MF/UF的反滲透系統通量可設計為12到20gfd。采用傳統預處理的反滲透系統的典型設計通量為:廢水處理8-12gfd,地表水10-15gfd。采用了更高的通量,需要的膜元件、膜殼和管線都減少了,系統的固定資產投資便降低了。而且提高通量還有一個好處,可以將產水透鹽量減少20-50%。
        5 氣浮
        在水中注入大量的微小氣泡,氣泡黏附在懸浮顆粒表面將其夾帶浮上水面,從而實現固液分離。氣浮主要用于油污、水藻等難以沉淀的污染物去除。在工業廢水、地表水和海水預處理中應用較多。
        實現氣浮分離的必要條件有兩個:首先要向水中注入足夠數量的微細氣泡,15~30微米的氣泡尺寸比較理想;其次,疏水性懸浮顆粒有利于氣泡粘附。影響氣浮效果的因素有:微氣泡尺寸,決定于溶氣方式和釋放器構造;氣固比,取決于空氣加注量;進水濃度、工作壓力和上浮停留時間;藥劑的作用。
        目前應用較多的是溶氣氣?。―AF),有加壓溶氣和真空產氣兩種工藝。
        6 保安過濾器
        所有RO/NF裝置上都配有筒式保安過濾器,濾器的過濾孔徑要求至少為10mm。保安過濾器是膜和高壓泵的保護裝置,防止可能存在的顆粒物引起的破壞,是最后一道預處理手續。推薦保安過濾器的孔徑不大于5mm。當濃水中硅的濃度超飽和時,宜使用1mm的濾芯,用來降低硅與鐵和鋁膠體的相互作用。
    5.4生物污染的控制和預防


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