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1、反渗透和纳滤系统的设计（二）-预处理的目的及LSI、SDSI指数2009-04-21 15:35一、反渗透和纳滤系统预处理的目的：为了保证反渗透和纳滤系统可以稳定运行，对给水的严格预处理就必不可少。预处理的目的就是去除给水中会对反渗透和纳滤膜产生污染或导致劣化的物质。一旦预处理系统不能发挥作用，有污染物进入反渗透和纳滤系统，这些物质可能会在膜表面堆积，若给水中含有微生物，它的繁殖会导致更严重的后果。正确把握原水的特性，设计并选择合适的预处理工艺是非常重要的。预处理系统的目的不外乎以下几点：保证 SDI15 最大不超过 5.0，争取低于 3.0；保证浊度低于 1.0NTU，争取小于 0.2NTU
2、；保证没有余氯或类似氧化物，如：臭氧等；保证没有其它可能导致膜污染或劣化的化学物质。下面概括介绍一下不同指标的进水要求：反渗透进水的水质允许值检查表导致膜污染的指标 允许值 解决方法 浊度 1NTU 过滤、絮凝沉淀、微滤、超滤悬浮物等 SDI15 过滤、絮凝沉淀、微滤、超滤颗粒物 100个/ml 过滤、絮凝沉淀、微滤、超滤 微生物 1个/ml 杀菌、微滤、超滤金属氧化物 铁，Fe3+ 50g/L 氧化+沉淀或过滤 锰，Mn 50g/L 使用分散剂 CaCO3 LSI 0 回收率，pH值，阻垢剂 CaSO4 230% 回收率，阻垢剂 BaSO4 6000% 回收率，阻垢剂结垢物质 SrSO4 8
3、00% 回收率，阻垢剂 CaF2 浓水侧浓度 1.7mg/L 回收率 Ca3（PO4）2 浓水侧浓度不能超过溶解度 回收率 SiO2 100% 回收率 油 0 气浮、吸附有机物 TOC 10mg/L 活性炭，过滤，吸附树脂 COD 10mg/L 活性炭，过滤，吸附树脂 BOD 5mg/L 活性炭，过滤，吸附树脂导致膜劣化的指标 允许值 去除方法pH值 310 加入酸或碱调节温度 545 换热器 余氯 0.1mg/L 还原剂，活性炭吸附氧化剂 臭氧 0 还原剂，活性炭吸附 其他 0 还原剂，活性炭吸附表面活性剂 选择阳离子或两性表面活性剂时要注意 酒精 10% N/A注：1、对 Fe2+ 可以允
4、许的最高浓度为 3mg/L，但需要注意的是由于经常在反渗透的预处理中投加氧化剂，这会使 Fe2+ 被氧化为 Fe3+ ，因此在使用氧化剂时，同样需要控制给水中的 Fe2+ 含量。2、不同的浓度和 pH 值对不同难溶盐在水中析出沉淀有不同的影响。3、有机物由于构成成分复杂，TOC、COD 和 BOD三个指标仅作为参考。4、不同型号膜元件的进水允许 pH 值范围有所不同，同时进水温度对允许的 pH 值范围也有影响。二、Langelier 指数和 Stiff Davis 指数水溶解物质的能力根据水的 pH 值不同有很大变化。原水中的碳酸钙依据加酸量的不同，碳酸根会变成碳酸氢根或二氧化碳气体。下列化学
5、反应式就描述了碳酸盐在水中的平衡。Ca2+ CO32- H+ Ca2+ HCO3-Ca2+ HCO3- H+ Ca2+ H2CO3 Ca2+ CO2 H2O根据以上平衡，调节pH值到酸性区域，可以起到防止碳酸钙析出的作用，从而避免结垢。是否生成碳酸钙垢的表征指标可以用朗格利尔饱和指数（LSI）进行评价。LSI = pH - pHs （TDS 4000mg/L ）式中：pHs水中的碳酸钙饱和时的 pH 值；pH实际水溶液的浓水 pH 值。在大多数反渗透系统中，浓水侧的 pH 值会高于进水的 pH 值，因此在考虑 LSI 时务必要考虑浓水侧的 pH 值。通常评判是否结垢的方法如下：LSI 0 不结
6、垢LSI 0 会结垢用已知的经验公式可以方便的算出 pHs 和 pH 值。pHs = （9.3 + A + B） - (C + D)pH = Log10【碱度/CO2】+ 6.3 (碱度以 CaCO3 计；CO2为浓度值)式中：A = Log10（TDS浓水 1） / 10B = -13.12 Log10( t + 273.15 ) + 34.55 ，式中：t 水温，C = Log10（Ca2+浓水，以 CaCO3 计） 0.4D = Log10 (碱度浓水，以 CaCO3 计)我们通过一个例子来说明以上的计算方法。例：某个水源设定回收率为 70%，pH = 8.0 ，Ca2+：35 mg/L
7、 （以 CaCO3 计） ，碱度：140 mg/L（以 CaCO3 计） ，TDS：500mg/L ，温度：18。解：浓缩倍率 = 100% （100% - Rec.） = 100% （100% - 70%） = 3.33A = Log10（500 3.33 1） / 10 = 0.32B = -13.12 Log10( 18 + 273.15 ) + 34.55 = 2.22C = Log10（35 3.33） 0.4 = 1.67D = Log10（140 3.33） = 2.67pHs = (9.3 + 0.32 + 2.22) - (1.67 + 2.67) = 7.50为了算出浓水中
8、的 pH 值，需要知道原水中的 CO2 浓度，把第二个公式变换一下，可算出原水中的 CO2 的浓度。CO2 = 140 10(8-6.3) = 2.79浓水侧的 pH 值可通过下式计算：pH = Log10【(140 3.33) 2.79】+ 6.3 = 8.52LSI = pH - pHs = 8.52 - 7.50 = 1.02于是我们可以得到计算结果 LSI 等于 1.02。因为大于 0，因此该系统会发生结垢现象。当原水中的含盐量过高时，LSI 就不适用了，这时需要用户 Stiff Davis 指数（SDSI）进行评价。SDSI = pH - pCa - pAlk - K （ TDS40
9、00 mg/L ）式中：pCa 钙浓度的负对数值；pAlk 碱浓度的负对数值；K 系数，和水温和离子强度有关。反渗透和纳滤系统的设计（三）-预处理的不同工艺及其特点2009-04-21 18:42预处理一般可分为传统预处理方法和膜法预处理。所谓传统预处理是对膜法预处理出现前反渗透预处理工艺的总称，包括：絮凝、沉淀、多介质过滤和活性炭过滤等。随着高分子分离膜技术的不断发展，微滤和超滤逐步出现在反渗透和纳滤的预处理系统中，并在部分案例中替代了传统预处理工艺。一些公司提出的“集成膜解决方案”（Integrated Membrane Solutions，缩写为：IMS）就是采用超滤技术作为反渗透预处理
10、的集成膜工艺。针对系统的目的，可以将预处理分为：防止结垢、防止胶体污染、防止微生物污染、防止有机物污染和防止膜劣化等几个方面。下面将分别进行论述。1、结垢的防止1、1结垢的原因结垢是难溶性的盐类在膜表面析出固体沉淀，防止结垢的方法是保证难溶解性盐类不超过饱和界限。结垢不仅在会在膜表面发生，有时甚至在系统的管路内部也会发生。在反渗透和纳滤系统中析出的垢主要是无机成分，以碳酸钙为主。碱性时会形成包括氢氧化镁等在内的各种难溶解氢氧化物。在天然的水源中存有的主要难溶性盐类主要有：碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、氟化钙（CaF2）、硫酸锶（SrSO4）和二氧化硅。一般来说，盐的溶解度受各种在水中成分的浓度、pH
11、值、温度以及共存的其它盐分的影响，难溶盐的溶解度通常用溶度积（Ksp）来表示，溶度积越小溶解度就越低。在反渗透系统设计的时候特别有必要注意的是钡（Ba2+）和锶（Sr2+）。钡一般只存在于天然的水中，在井水中的钡浓度在 0.05 - 0.2mg/L 之间，钡的检出级别是 1 g/L。原水中钡的临界浓度在海水中是15g/L 以下，苦咸水中是 5 g/L 以下。当在原水中投加硫酸时，需注意在控制给水中钡的浓度在 2 g/L以下。锶的分析必须检测到 1mg/L 数量级。硫酸根浓度的增加以及水温的降低，会导致硫酸锶的溶解度下降。通常井水中的锶含量在 15mg/L 以下。此外，一些天然水体中含量不高的无
12、机物由于人为原因（如：加药等）会被带入给水中，例如：磷酸根、铁和铝，这些无机盐往往溶度积很低，极易发生结垢，因此当系统投加药剂（包括：絮凝剂、助凝剂、阻垢剂、酸和碱等）时，必须注意这些人为引入的离子成分的影响。有时甚至出现投加的不同药剂发生相互作用导致难溶物质析出，进而污染膜元件的情况。因此在投加多种药剂时，应该注意这些药剂的成分，有条件的最好通过试验确认它们的兼容性。1、2 阻垢剂当通过计算或者软件模拟发现反渗透浓水的 LSI 或 SDSI 指数大于 0 、或其他难溶盐超过其溶度积时，为了防止无机盐结垢，可以在原水中加入阻垢剂。 1、2、1 碳酸钙结垢碳酸钙结垢可以用 LSI （当时 TDS
13、 4000mg/L时）或 SDSI （当 TDS 4000mg/L 时）进行估算。下表给出了不同 LSI 或 SDSI 值所对应的处理方法。LSI 或 SDSI 对应办法 -0.2 可以不添加阻垢剂-0.2 +0.5 添加六聚磷酸钠 ( SHMP )+0.5 +1.8 添加有机系阻垢剂 +1.8 加酸调整小于 +1.8 后再添加阻垢剂阻垢剂的添加量：对 SHMP ：浓水中的 SHMP 的浓度一般控制在 2040 mg/L ，根据回收率调节添加浓度，在反渗透系统的进水处注入。对有机系阻垢剂：根据阻垢剂制造厂的计算软件决定加入量。1、2、2 其他无机盐结垢除碳酸盐以外，很多其他无机盐同样具有较低的
14、饱和溶解度。在反渗透系统中经常遇到的有：硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、一些磷酸盐以及部分金属的氢氧化物，甚至还有硅。这些物质需要有针对性采用不同的专用阻垢剂。注意；以上对阻垢剂的描述仅供参考，由于实际工程中给水水质复杂、工程设计以及配置不同，选择阻垢剂的依据也会有所不同。强烈建议在选择阻垢剂前与药剂制造商联络，并提供水质数据、反渗透设计方案和所选择的膜型号，通过药剂制造商提供的软件计算以获得恰当的阻垢剂类型以及投加剂量。1、3 水的软化含有钙、镁等硬度成分的水作为锅炉或者冷却水使用时，硬度成分会在传热面或管线内侧沉淀。可以采用絮凝、沉淀、过滤、化学软化或者离子交换等方法对水进行软化。石灰软化法是通过
15、添加氢氧化钙而起到降低硬度的目的。Ca（HCO3）2 + Ca（OH）2 2CaCO3 + 2 H2OMg（HCO3）2 + Ca（OH）2 2CaCO3 + Mg（OH）2 H2O非碳酸硬度通过添加碳酸钠可以起到降低的作用：CaCl2 + Na2CO3 2NaCl + CaCO3石灰软化工艺还可以降低硅的浓度。添加铝酸或者二氯化铁，在沉淀物中会含有钙碳酸、硅酸、氧化铝和铁的混合物。采用 6070的高温石灰脱硅工艺，加入石灰和氧化镁，可以把硅酸浓度降低到 1mg/L以下。而且通过石灰软化处理还可以明显的降低钡、锶以及部分有机物。1、4 回收率反渗透以及钠滤系统的回收率和原水中溶解物质的浓缩倍率有直接关系，回收率 50% 的系统，浓缩倍数是 2 倍；回收率 75% 时，浓缩 4 倍；回收率 80%时，则
