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RO反渗透膜处理技术基础知识--超滤/微滤/软化


超滤UF(微滤 MF)处理
      近年来,随着超滤/微滤系统性价比的提高,其价格逐渐向传统预处理系统靠拢,UF/MF 已经越来越广泛用于地表水、污染地表水、市政废水回用、工业废水回用等方向作为RO的预处理。UF/MF 的主要作用是去除水中的胶体类大小的物质,诸如硅胶体、其他胶体、颗粒、藻类、菌类、大肠杆菌、病毒、热原体、原生动物、油脂、蛋白质及其他高分子有机物 等等;并协同絮凝剂等对 TOC、色素等有降低作用;但是对盐分、汽油、糖、酒精、小分子物质(有机和无机)等无去除作用。
      超滤膜是一层极薄而致密的薄膜,在原水和产水之间形成一种非常有效的屏障,过滤机理有三种: 

  ● 表面过滤---可去除比孔径大的一切杂质。
  ● 深层过滤---可去除部分比孔径小的物质。
  ● 吸附过程---大分子物质粘附在膜表面而被去除。
与传统水处理技术相比, 中空纤维超滤膜有其独到的优势,如下所述。
①、稳定的产水品质,不因进水水质而变化。即便在进水浊度达到250NTU时,出水浊度仍然 可以达到0.1 NTU。因此,可处理水源水质变化范围允许较大。如下图所示,不管进水浊度如何剧烈变化,其产品水浊度始终维持在0.1NTU以内,且其产水SDI15能做到绝大多数情况下小于3.0,这对RO系统来说是十分好的进水水质。具体来讲,UF产水呈现如下分布规律:如果进水为井水,那么UF出水SDI15 多数情况下能<1.0;如果进水为地表水,那么UF出水SDI15 多数情况下能<2.0;如果进水为市政废水或工业废水,那么UF出水SDI15多数情况下能<3.0。UF的产水量一直维持稳定,并不随时间衰减。水量不够,提压补偿即可。

②、废水排放更少。UFMF的反洗/快冲/清洗废液、及其运行浓水等均可回到预处理的絮凝澄清 池进一步处理回用,因此其运行过程中水的损耗是非常小的。UF的经济性和环保性能诱人,可用于工艺废水的循环处理,是零排放工厂的重要选择。 

③、大大改善下游系统的工作情况 (RO, IX)。反渗透通量可适当提高10-30%;同时可提高反渗 透膜寿命,因为清洗频率减少,化学药品的消耗也减少了。离子交换树脂的污染减少了,其动力学性能受到很好的保护,其更换周期也相应地延长。

④、UF可设计成全自动的系统,因此只需更少的人力来运行、管理、维护、清洗等。 

⑤、UF系统可简易扩容的模块化设计使得其在扩建时变得极为容易。因此,其扩建成本低、周 期短,是一种很方便的技术。 


软化处理-Softening
      通过物理或化学的方法去除水中硬度而获得软化水的过程成为软化处理。
      软化处理的物理方法主要是指纳滤膜软化、热软化。膜软化是利用纳滤膜对水中二价硬度离 子和一价阳离子的脱除率不同而实现软化目的,并且随着纳滤膜本身标称脱盐率的分级不同,其软化效果也有别。膜软化的好处是不论是碳酸盐还是非碳酸盐硬度, 都能一并去除。目前膜软化 主要用于中国北方高硬饮用水处理、海岛苦咸水处理、海水淡化的预处理等等。下面是一个国内膜软化的例子,硬度离子的脱除率高达96-98%。

离子

NF进水(mg/l)

产品水(mg/l)

脱除率%

Na+

330.1

112.3

66.0

Ca2+

402

8.3

97.9

Mg2+

94

1.6

98.3

HCO3-

165.9

16.8

89.9

Cl-

897.3

147.5

83.6

SO42-

368.2

6.3

98.3

NO3-

82.7

38.5

53.4

SiO32-

17.5

2.3

86.9

TDS

2365

335

85.8

总硬度

1392.9

27.2

98.0

热软化主要是水中含有重碳酸盐硬度时,利用碳酸氢钙加热会分解成碳酸钙沉淀的现象,从 而降低水中重碳酸盐硬度的方法,实际上烧开水时就是一个典型的热软化过程。
       软化处理的化学方法主要是指石灰软化、Na离子交换树脂软化。石灰软化可参考前面的论述。下面主要讨论一下 Na 型离子交换树脂软化。当含钙镁硬度离子的原水经过 Na 床时,会发生如下 反应:
      2RNa+Ca2+ → R2Ca+2Na+
     2RNa+Mg2+ → R2Mg+2Na+
       当交换柱运行到 Na 型树脂大都转变成Ca型,以致影响出水水质时,为了恢复阳树脂的交换能力,必须进行再生,使它重新转变成Na型。再生药品使用NaCl,其原理如下反应:
      R2Ca+2Na+ → 2RNa+Ca2+
      R2Mg+2Na+ → 2RNa+Mg2+
       Na 型树脂软化的应用目前主要用于小型RO系统的预处理、低参数锅炉的给水处理等。但由 于其再生过程会产生大量高含盐量难于排放的废水,Na型树脂软化应用在高参数的锅炉上正变得 越来越不被接受。
脱碱处理-Dealkalization
       将水中碱度去掉的过程称为脱碱处理。脱碱过程主要利用H型离子交换树脂来处理,脱碱的 同时还在进行软化。当 H 型树脂将原水软化后,其出水成酸性,因此紧接着需要借助除碳器将CO2去掉,从而实现脱碱的目的。脱碱工艺可大体分为两类:H型弱酸树脂+除碳器;H-Na离子联合系统+除碳器。
 A、H型弱酸树脂的脱碱时,只能去除碳酸盐硬度,原理如下:
    2RCOOH + Ca(HCO3)2 → (RCOO)2Ca + 2H2CO3
    2RCOOH + Mg(HCO3)2 → (RCOO)2Mg + 2H2CO3
    除碳器吹脱:       H2CO3 → 2H2O+2CO2↑
pH 调节(RO前、RO后)
pH值调节处理可分为RO前和RO后两个环节。下面分别加以论述。
      RO前的pH调节有3种主要作用。一、原水pH过高时,通过给水加酸以控制碳酸钙、氢氧化镁结垢;二、原水pH过低时,通过加碱以提高系统脱盐率或者控制SiO2结垢;三、特种分离体系,通过加酸/碱调节pH以使特定组分(比如氨基酸的分离)的脱除率提高或降低,从而达到分离和浓缩的目的。下面重点讨论一下,加酸抑制碳酸钙/氢氧化镁垢、加碱抑制SiO2垢的原理。

抑制碳酸钙垢:
      当RO浓水中的Ca2+和CO32-的溶度积超过溶度积常数时,便有生成CaCO3沉淀的趋向;同样地,当Mg2+和OH-的溶度积超过溶度积常数时,便有生成Mg(OH)2 沉淀的趋向。如下式所示。
                             Ca2+ + CO32- → CaCO3↓
                             Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2↓
当向给水加酸时,便有如下反应发生,从而抑制垢的生成。
            CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑
                 Mg(OH)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O
      宏观上,人们习惯用拉格朗日饱和(Langelier Saturated Index,简称 LSI)指数来描述水的结 垢趋向。
      当 LSI=0 时,理论上认为水是稳定的,不会结垢;
      当 LSI>0 时,理论上认为水中碳酸钙呈过饱和状态,有结垢倾向;
      当 LSI<0 时,理论上认为水中碳酸钙呈溶解倾向,不会结垢,但水的腐蚀性会增强。
      下面是一个加酸调节RO进水及其浓水的LSI的例子。系统的运行回收率为71.4%,水温21℃。 很明显,当用HCl将原水pH从8.7降到7.5后,RO浓水LSI从极为危险的3.27 降到了2.04,位于高效阻垢剂的安全范围内。

指标

原水

RO进水

RO浓水

调节PH后RO进水

调节PH后RO浓水

Ca2+

175.2

175.2

609.2

175.2

609.2

Mg2+

42.2

42.2

146.7

42.2

146.7

Na+

48.1

48.1

165.8

48.1

165.8

K+

6.41

6.41

22.03

6.41

22.02

NH4+

0.88

0.88

2.97

0.88

2.97

HCO3-

217.8

217.8

723.5

203.02

703.05

SO42-

91.7

91.7

319.3

91.7

319.3

Cl-

317.9

317.9

1104.4

326.6

1134.2

NO3-

4.92

4.92

16.9

4.92

16.9

F-

0.16

0.16

0.56

0.16

0.56

SiO2

9.2

9.2

31.9

9.2

31.9

CO2

0.75

0.75

0.72

11.02

11.02

PH

8.7

8.7

9.24

7.5

8.04

LSI

1.6

1.6

3.27

0.37

2.04

抑制SiO2垢: 当向原水中加入碱时,SiO2的溶解度会随着pH值的升高而增大,从而抑制硅垢的生成。反应原理如下。

      SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O --东莞RO反渗透水处理设备,


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