離子交換、膜處理、污水處理的一般性知識

1、離子交換、膜處理、污水處理的一般性知識 史東明目 錄一、水的軟化（給水工程第21章）2二、水的除鹽與咸水淡化（給水工程第22章）5三、化學(xué)水處理技術(shù)（離子交換技術(shù)）7四、膜處理技術(shù)17五、污水處理25六、中水處理35一、水的軟化（給水工程第21章）1.1 軟化的目的與方法概述1）硬度的概念水的硬度系指水沉淀肥皂的程度。使肥皂沉淀的原因主要是由于水中存在的鈣、鎂離子，此外鋇、鐵、錳，鍶、鋅等金屬離子也有同樣的作用。硬水需要大量肥皂才會產(chǎn)生泡沫。現(xiàn)在習(xí)慣上把總硬度定義為鈣、鎂濃度的總和，我國以每升水中碳酸鈣的毫克數(shù)表示。硬度是由一系列溶解性多價態(tài)的金屬離子形成的。硬度低于60mgCaCO3/L的水

2、通常被認(rèn)為是軟水。硬度還可以根據(jù)陰離子劃分成為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。碳酸鹽硬度（暫時硬度）：煮沸時沉淀析出非碳酸鹽硬度（永久硬度）：煮沸時沉淀不析出2）水中硬度的來源及危害水中硬度的主要天然來源是沉積巖、地下滲流及土壤沖刷中的溶解性多價態(tài)金屬離子。兩種主要離子是鈣離子和鎂離子，存在于許多水成巖中最常見的是石灰石和白堊。它們還廣泛存在于工業(yè)產(chǎn)品中，也是食物的常見成分。WHO的文獻中認(rèn)為沒有令人信服的證據(jù)說明水中硬度對人體有不良影響。在考慮了氣候、社會經(jīng)濟因素以及風(fēng)險因素如高血壓、抽煙、高血脂之后·又研究得出了飲用水硬度與心血管疾病之間關(guān)聯(lián)性較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。 自來水硬度和心臟病死亡

3、率的關(guān)系，王立醫(yī)院和水道研究中心做過調(diào)查-確認(rèn)兩者間有高度的關(guān)連性。平均起來，軟水地區(qū)心臟病死亡率。比硬水地區(qū)高10%，也就是與硬度成反比例。一研究的結(jié)果顯示許多其他疾病與水中硬度存在負(fù)相關(guān)包括無腦畸形和多種癌癥。然而，這些結(jié)果的意義尚不清楚鍋爐用水中若含有硬度鹽類，會在鍋爐受熱面上生成水垢，從而降低鍋爐熱效率、增大燃料消耗，甚至因金屬壁面局部過熱面燒損部件、引起爆炸，因此，對于分低壓鍋爐，一般要進水的軟化處理；對于中、高壓鍋爐，則要求進行水的軟化與脫鹽處理。3）硬度表示方法1德國度=10mg/LCaO我國通常以CaCO3 1meq/L=2.8德國度=50mg/LCaCO34）水的軟化方法A、

4、基于溶度積原理，加入某些藥劑，把水中鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變成難溶化合物使之沉淀析出，這一方法稱為水的藥劑軟化法或沉淀軟化法。B、基于離子交換原理，利用某些離子交換劑所具有的陽離子（Na+或H+）與水中鈣、鎂離子進行交換反應(yīng)，達到軟化的目的，稱為水的離子交換軟化法。1.2 水的藥劑軟化法水的藥劑軟化工藝過程，就是根據(jù)溶度積原理，按一定量投加某些藥劑（如石灰、蘇打等）于原水中，使之與水中鈣、鎂離子反應(yīng)生成沉淀物CaCO3和Mg(OH)2。工藝所需的設(shè)備與凈化過程基本相同，也要經(jīng)過混合、絮凝、沉淀、過濾等工藝。1） 石灰軟化原理：CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2O Ca(HCO3)2+Ca(OH)22

5、CaCO3+2H2OMg(HCO3)2+Ca(OH)2CaCO3+ MgCO3+2H2OMgCO3+Ca(OH)2CaCO3+ Mg(OH)2由上式可知，去除mol Ca(HCO3)2，要消耗mol Ca(OH)2，去除mol g(HCO3)2，要消耗mol Ca(OH)2。熟石灰雖然也能與水中非碳酸鹽鎂硬度起反應(yīng)生成氫氧化鎂，但同時又產(chǎn)生了等物質(zhì)量的非碳酸鹽的鈣硬度：MgSO4+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaSO4MgCl2+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCl2所以，單純的石炭軟化是不能降低水的非碳酸鹽硬度的。不過，通過石灰處理，還可以去除水中部分鐵和硅的化合物。經(jīng)石灰處理后，水的剩

6、余碳酸鹽硬度可降低到0.250.5mmol/L，剩余堿度約為0.81.2mmol/L，硅化合物可去除30%35%，有機物可去除25%，鐵殘留量約為0.1mg/L。2） 石灰-蘇打軟化法在水中同時投加石灰和蘇打（Na2CO3），此時，石灰用以降低水的碳酸鹽硬度，蘇打用于降低水的非碳酸鹽硬度。軟化水的剩余硬度可降低到0.150.2mmol/L。與Na2CO3有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)表示如下：CaSO4+ Na2CO3CaCO3+ Na2SO4CaCl2+ Na2CO3CaCO3+ 2NaClMgSO4+ Na2CO3MgCO3+ Na2SO4MgCl2+ Na2CO3MgCO3+ 2NaClMgCO3+Ca

7、(OH)2CaCO3+ Mg(OH)21.3 離子交換的基本原理（看給水工程P397404頁）1.4 離子交換軟化方法與系統(tǒng)（結(jié)合離子交換技術(shù)部分講解）二、水的除鹽與咸水淡化（給水工程第22章）2.1 概述1）水的純度概念水的純度常以水中含鹽量或水的電阻率（電導(dǎo)率）來衡量。通常用于生活及生產(chǎn)用的水稱為淡水，海水及咸水脫鹽后稱為淡化水。 除鹽水（初級純水） 純水（去離子水） 高純水 超純水含鹽量 15mg/ <1.0mg/L <0.1mg/L 0.010.02mg/L電導(dǎo)率 110S/cm 0.11S/cm <0.1S/cm <0.05S/cm電阻率 >0.1M&#

8、183;cm 110M·cm >10M·cm 18M·cm2）海水（咸水）淡化與水的除鹽方法海水（咸水）淡化的主要方法有蒸餾法、反滲透法、電滲析法和冷凍法等。其中反滲透法耗能最少，近年來發(fā)展迅速，具有廣闊的應(yīng)用前景。離子交換法主要用于淡水除鹽，該法可與電滲析或反滲透法聯(lián)合使用。3） 進水水質(zhì)預(yù)處理進水水質(zhì)預(yù)處理是水的淡化與除鹽系統(tǒng)的一個重要組成部分，是保證處理裝置安全運行的條件。預(yù)處理包括去除懸浮物、有機物、膠體物質(zhì)、微生物、細(xì)菌以及某些有害物質(zhì)（如鐵、錳等）。膜分離、離子交換裝置對進水水質(zhì)指標(biāo)的要求項目電滲析離子交換反滲透卷式膜中空纖維膜濁度（度）色度（度

9、）污染指數(shù)FI值PH值水溫化學(xué)耗氧量（mgO2/L）游離氯（mg/L）總鐵（mg/L）錳（mg/L）13-540<3<0.1<0.3<0.1逆流再生<2順流再生<5<5-<40<23<0.1<0.3-<0.5清35471535<1.50.21.0<0.05-<0.3清<34111535<1.50<0.05-水中雜質(zhì)對膜和樹脂的危害表現(xiàn)在：（1） 懸浮物和膠體物質(zhì)容易粘附在膜面上或堵塞樹脂微孔道，使脫鹽效率降低；（2） 微生物、細(xì)菌容易在膜和樹脂表面生長繁殖，降低設(shè)備性能；（3） 水中無機

10、離子主要是高價離子（如鐵、錳等）能與膜和樹脂牢固結(jié)合，并使這中毒，從而降低其工作性能；鈣、鎂離子在某些情況下能在膜面上結(jié)垢沉淀，在反滲透法中應(yīng)采取調(diào)整PH值措施；（4） 水中游離氯能對膜進行氧化，使樹脂降解，因而對其含量有嚴(yán)格要求。預(yù)處理系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)以及脫鹽裝置所要求的進水水質(zhì)指標(biāo)而定。最簡單的預(yù)處理系統(tǒng)由機械過濾和微孔過濾組成。對于地面水源，一般應(yīng)采取混凝、沉淀、過濾、消毒等措施，若原水中有機物含量較高，還需要增加活性炭吸附。膜分離裝置前均應(yīng)有微孔過濾作為保護措施。專業(yè)名詞硬度、暫時硬度、總固體、溶解性總固體（TDS、RG）、酸度、堿度、淤塞密度指數(shù)SDI（與污染指數(shù)FI等同）、

11、COD、BOD、TOC、軟化、除鹽、陰離子表面活性劑(LAS)。三、化學(xué)水處理技術(shù)（離子交換技術(shù)）1、離子交換的概念離子交換是指采用離子交換劑，使交換劑和水溶液中可交換離子之間發(fā)生等物質(zhì)量規(guī)則的可逆性交換，導(dǎo)致水質(zhì)改善而離子交換劑的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化的水處理方式。2、離子交換原理（1）軟化（2）除鹽3、離子交換水處理的適用范圍一級鈉離子交換系統(tǒng)適用于進水硬度不大于6.5mmol/L。一級（復(fù)床）除鹽系統(tǒng)適用于進水總含鹽量不大于500mg/L，相當(dāng)于總陽離子含量不大于7mmol/L，總陰離子含量不大于4mmol/L。4、離子交換單元裝置分類及適用范圍（1）分類（2）適用范圍a、強酸性陽樹脂一級鈉離

12、子交換軟化系統(tǒng)中，有關(guān)床型的適用進水水質(zhì)條件：床型進水硬度（mmol/L）出水硬度（mmol/L）單組設(shè)備適合處理水量范圍（m3/h）順流再生固定床<6.50.03不限浮動床470.03<30移動床<90.03>30逆流再生固定床7100.03不限b、強酸、強堿性陽樹脂一級復(fù)床系統(tǒng)中，有關(guān)床型的適用進水水質(zhì)條件：床型進水含鹽量（mg/L）出水電導(dǎo)率（S/cm）單組設(shè)備適合處理水量范圍（m3/h）順流再生固定床<15010不限浮動床、移動床150300<5>100<500<530100逆流再生固定床150500<5不限5、常用系統(tǒng)及適用

13、范圍（1）軟化水處理序號軟化系統(tǒng)進水水質(zhì)（適用范圍）出水水質(zhì)硬度堿度含鹽量1單級鈉離子1、進水堿度較低2、進水總硬度<6.5mmol/L0.03與進水相同Ca2+、Mg2+變成Na+，其余不變2雙級鈉離子1、進水堿度較低2、進水總硬度<10mmol/L0.005與進水相同3氫-鈉并聯(lián)碳酸鹽硬度較大，且與總硬度之比>0.50.030.51.0下降，其值約為減少的碳酸鹽硬度4弱酸樹脂氫-鈉串聯(lián)1、進水碳酸鹽硬度>1mmol/L2、進水非碳酸鹽硬度較小，或有負(fù)硬度0.030.50.7下降，其值約為減少的碳酸鹽硬度5強酸樹脂氫-鈉串聯(lián)1、 進水總硬度較大2、 碳酸鹽硬度與總硬度

14、的比值<0.53、 比上一系統(tǒng)適用的原水硬度更大些0.030.50.7（2）除鹽水處理序號系統(tǒng)名稱出水水質(zhì)進水水質(zhì)（適用范圍）實用情況電導(dǎo)率（25，S/cm）SiO2（mg/L）1一級復(fù)床H-D-OH順流再生10<0.11、 總陽離子含量<6mmol/L2、 強酸性陰離子含量<1.5mmol/L3、 硅酸根含量<15mg/L補給水率高的中壓鍋爐，當(dāng)進水堿度<0.5mmol/L或有石灰投加處理時，可不設(shè)除碳器逆流再生<52一級復(fù)床加混床H-D-OH-H/OH<0.2<0.021、 總陽離子含量<10mmol/L2、 強酸性陰離子總量&l

15、t;1.53mmol/L高壓及以上汽包鍋爐直流鍋3二級復(fù)床H-D-OH-H-OH0.21<0.021、 進水堿度高2、 含鹽量高陽陰離子器分別串聯(lián)再生4二級復(fù)床加混床H-D-OH-H-OH-H/OH<0.2<0.02同上兩種6、設(shè)備分類（1）常用的預(yù)處理設(shè)備a、機械過濾器 b、活性炭過濾器 c、其它過濾器（2）離子交換器a、軟化b、除鹽（3）除碳器（4）再生設(shè)備 （5）其它設(shè)備四、膜處理技術(shù)膜分離技術(shù)作為一種新型的流體分離單元操作技術(shù)，從上世紀(jì)五十年代末六十年代初發(fā)展以來,已經(jīng)取得了令人矚目的巨大發(fā)展，目前膜分離技術(shù)已經(jīng)很成熟、可靠，并廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、鋼鐵、電子、輕

16、工、紡織、食品飲料、醫(yī)藥、環(huán)保及市政等行業(yè)中，尤其在水處理行業(yè)中，發(fā)展更為迅速，已成為目前水質(zhì)深度處理和中水回用的主要處理技術(shù)和發(fā)展方向。膜分離技術(shù)具有以下特點：1、 膜分離過程不發(fā)生相變化，因而耗能較少，是一種節(jié)能的分離技術(shù)。2、 膜分離過程可在常溫下進行，因而適用于一些熱敏性物質(zhì)的分離。3、 膜分離技術(shù)應(yīng)用面廣，無論是無機物還是還是有機物的水溶液或者非水溶液都可以分離。4、 膜分離過程是一種物理篩分過程，效果穩(wěn)定。5、 膜分離過程僅以壓力等作為推動力，化學(xué)品用量小，不污染環(huán)境。6、 流程和設(shè)備簡單，操作和維護保養(yǎng)方便，既可以實行人工操作，又容易實現(xiàn)由電腦控制的全自動運行。膜分離技術(shù)的發(fā)展前

17、景：在國內(nèi)目前大型反滲透裝置主要用于鍋爐補給水和海水淡化領(lǐng)域，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建成和在建的100t/h以上的反滲透裝置已達到數(shù)萬套，除少數(shù)電子等行業(yè)以外，大多數(shù)都用于鍋爐補給水。最早是火力發(fā)電廠，后來擴展到鋼鐵、煉油、石化、化肥、化工等行業(yè)。其中最大規(guī)模的系統(tǒng)已達到數(shù)千t/h，國內(nèi)在此領(lǐng)域已積累了豐富的設(shè)計、施工和運行經(jīng)驗。在國外，100010000t/h規(guī)模的超大型反滲透或納濾裝置多用于城市供水系統(tǒng)，而國內(nèi)用于飲用水用途的反滲透裝置還都是數(shù)十噸/小時以下的中、小規(guī)模，隨著經(jīng)濟發(fā)展和膜技術(shù)的普及，這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景很大。鑒于目前可利用的淡水資源的逐漸減少，膜技術(shù)已在海水淡化和水回收利用方面

18、大量采用，目前在國外，海水淡化廠規(guī)模已達到10000t/h以上，而國內(nèi)日產(chǎn)量都在一萬噸以下，在這方面有很廣擴的發(fā)展前景。目前在污水的達標(biāo)排放和回收利用方面，超/微濾和反滲透系統(tǒng)的應(yīng)用也在逐漸推廣，將超/微膜組件裝在曝氣池中，利用微生物的降解作用和膜分離過程處理污水，出水可以直接回用，并省去了傳統(tǒng)的二沉池和污泥回流系統(tǒng)。采用雙膜法可將生化后的污水凈化成為鍋爐的補給水，中國石油哈爾濱石化分公司采用雙膜法將生化二沉池出水回收利用作為電站鍋爐的補給水，節(jié)省了大量的自來水費和樹脂再生的酸堿費用，給企業(yè)帶來了直接的經(jīng)濟效益。因此，隨著生活水平的提高、膜技術(shù)的發(fā)展和資源的短缺，膜分離技術(shù)將成為未來液體、氣體

19、分離過程的主要技術(shù)和發(fā)展方向1、原理膜分離法：溶液在外界壓力或電位差、濃度差的推動下，通過薄膜將溶質(zhì)和溶劑進行分離、分級、凈化和濃縮的方法。名詞：溶液、溶質(zhì)、溶劑、半透膜、滲透、滲透壓、反滲透2、分類（1）按分離精度分類a、反滲透膜(RO) 是最精細(xì)的膜產(chǎn)品，可以截留所有以溶解鹽及切割分子量大于100道爾頓的有機物。b、納濾膜(NF) 能截留納米級(0.001微米)的物質(zhì)，可以截留切割分子量約為200800道爾頓的有機物，除鹽率介于20%98%之間c、超濾膜 (UF) 能截留0.0020.1微米的大分子物質(zhì)和雜質(zhì)，可以截留切割分子量為1000500000的有機物；諸如：蛋白質(zhì)，膠體，微生物等。

20、無機鹽可以通過。d、微濾膜(MF)能截留0.11微米的顆粒物，允許大分子有機物和無機鹽通過?？梢匀コ龖腋∥?，細(xì)菌及膠體物。（2）按膜結(jié)構(gòu)分類a、中空纖維膜b、管式膜c、平板膜d、卷式膜（3）按材質(zhì)分類a、有機膜b、無機膜3、工藝系統(tǒng)組成（1）微濾（MF）/超濾（UF） （2）反滲透（RO） （3）膜生物反應(yīng)器（MBR） （4）雙膜法4、膜分離技術(shù)的應(yīng)用及其作用應(yīng)用領(lǐng)域膜分離技術(shù)作用海水、苦咸水淡化RO、ED提取淡水純水、高純水制備RO、ED用作混床或EDI的預(yù)脫鹽NF軟化、RO供水UF用作RO供水預(yù)處理MF用作RO供水預(yù)處理或終端外理醫(yī)藥、醫(yī)療、衛(wèi)生RO醫(yī)用純水、注射用水和抗菌素、激素等小分子

21、量物質(zhì)的濃縮UF血液去除毒素、腹水超濾治腹水癥、霍亂外毒素精制、人體生長素提取、濃縮人血清白蛋白，濃縮中草藥MF熱敏藥物除菌，注射液去菌、去微粒，細(xì)菌快速測定食品飲料RO、UF、MF、ED生產(chǎn)用水脫鹽、凈化，各種酒類、醬油、醋去濁、礦泉水去菌凈化等環(huán)境工程廢水處理RO、UF、MF化工、造紙、電鍍、紡織印染廢水脫鹽，去COD和BOD，水回收利用。五、污水處理1、一般知識概念（1）污水：是生活污水、工業(yè)廢水、被污染的雨水的總稱。（2）污水經(jīng)處理凈化后的出路：a、達標(biāo)排放；b、灌溉；c、回用（3）污水的性質(zhì)與指標(biāo)a、物理性質(zhì)與指標(biāo)：水溫、色度、臭味、固體含量（懸浮、膠體、溶解性固體）b、化學(xué)性質(zhì)與指

22、標(biāo)：1）無機物：酸堿度（PH）、氮、磷、硫酸鹽和硫化物、氯化物、重金屬、非重金屬有毒物質(zhì)2）有機物：碳水化合物、蛋白質(zhì)和尿素、脂肪和油類、酚、有機酸和堿、表面活性劑、有機農(nóng)藥3）有機物污染指標(biāo)化學(xué)需氧量：COD（Cr、Mn）生化需氧量：BOD（20、5天）總需氧量：TOD總有機碳：TOCc、生物性質(zhì)與指標(biāo)：1)大腸菌群數(shù)2）病毒3）細(xì)菌總數(shù)（4）污水處理的方法1）按原理分物理法、化學(xué)法、生物法a、物理法：篩濾、沉淀、氣浮、過濾、膜過濾b、化學(xué)法：中和、混凝、電解、氧化還原、汽提、萃取、吸附、離子交換、電滲析c、生物法：好氧法和厭氧法2）按處理程度分 一級處理、二級處理、三級處理（5）污泥處理1）減量處理：濃縮和脫水