水处理技术介绍

由于水在自然条件下含有各种的杂质，特别是工业废水的排放、天然水体的恶化等使水中杂质非常复杂，因而需要对水中的各种杂质进行去除以达到用水要求，水的净化就是采用合理的工艺对原水中的各种杂质进行不同程度处理，同时科学发展水处理技术不断发展，为水的净化提供了更多的选择。本章主要介绍目前常用的水处理技术。 水净化过程一般分为预处理、除盐处理、后处理三个步骤： 1.1 水的预处理 预处理的目的是使原水经过初步的处理，主要是去除水中各种悬浮物、胶体，以及达到后续水处理设备的进水要求。例如采用反渗透的除盐工艺预处理应做到如下要求： ¨ 防止膜表面上污染，即防止悬浮杂质、微生物、胶体物质等附着在膜表面上或污堵膜元件水流通道。 ¨ 防止膜表面上结垢。反渗透装置运行中，由于水的浓缩，有正经难溶液盐如CaCO3 CaSO4 BaSO4 SrO4 CaF2等沉积在膜表面上，因此要防止这些难溶盐生成。 ¨ 确保膜免受机械和化学损伤，以使膜有良好的性能和足够长的使用寿命。 目前常用的预处理工艺主要有：混凝沉淀、多介质过滤、活性过滤、离子交换软化或加药阻垢、温度与PH值的调节、保安过滤。 特殊的预处理工艺还需降低水中金属离子的含量（如铁、锰、铜等）、微生物杀菌、二氧化硅的去除等。下面主要介绍本水处理系统相关的预处理技术。 1.1.1 多介质过滤 多介质过滤器是必不可少的预处理设备，其作用是滤除原水中细小颗粒、悬浮物、胶本等杂质。目前在国内常用的过滤设备是让水经过一定大小、形状的颗粒，水中的悬浮物、胶体等杂质被这些颗粒物质截留下来，再通过反洗将颗粒上的杂质冲洗带出过滤器以恢复工作能力。 1.1.1.1 过滤设备的工作过程 1) 过滤 在多介质过滤器里，不同粒径，不同材料的滤料（通常是石英砂、锰砂等）由上到下、由小而大依次排列。当水从上流经滤料时，水中部分的固体悬浮物进入上层滤料形成的微小孔眼，受到吸附和机械阻留作用被滤料的表层所截留。同时，这些被截留的悬浮物之间又发生重叠和架桥等作用，就好象在滤层的表面形成一层薄膜，继续过滤着水中的悬浮物质，这就是所谓滤料表面层的薄膜过滤。这种过滤作用不仅滤层表面有，而当水进入中间滤层也有这种截留作用，为区别于表面层的过滤，称为渗透过滤作用。此外，由于滤料彼此之间紧密地排列，水中的悬浮物颗粒流经滤料层中那些弯弯曲曲的孔道时，就有着更多的机会及时间与滤料表面相互碰撞和接触，于是，水中的悬浮物就在滤料表面粘附，即接触过滤 。将水中细小颗粒杂质截留下来，从而使水落石出得到进一步的澄清和净化，把水的浊度降低。过滤还可使水中的有机物质、细菌、病毒等随着浊度的降低而被大量去除，并为滤后的消毒创造了良好的条件。 2) 反洗 在过滤器的运行过程中,滤料表面会粘附越来越多的杂质,甚至造成滤料结成泥球,过滤器须定期反冲洗，恢复过滤器之功能。反冲洗对过滤运行至关重要，如果反冲洗强度较弱或者冲洗时间不够，滤层中的污泥得不到及时清除，当污泥集累较多时，滤料和污泥粘结在一起变成泥球，过滤过程严重恶化；如果反洗强度过大或历时太长，则细小滤料流失，甚至底部卵石错动而引起漏滤料现象，而且耗水量大。较理想的反冲洗操作应该有效、经济且不会产生故障。反冲洗的周期随入水浊度的增加而缩短，要在运行中根据实践经验制定。反冲洗流速一般要高于运行流速，该值需要通过观察反冲效果调速。多介质过滤器运行较长时间时，会有部分滤料被反冲水冲洗掉，因此需定期（一般1年）检查，必要时补充或更换滤料。 1.1.1.2 滤床特性 过滤设备在堆积的滤料层称为滤层或滤床，装填粒状滤料的钢制设备称为过滤器，滤层由滤料构成。滤料有粒状、粉状、纤维状多种，常用粒状滤料有石英砂、无烟煤、活性炭、磁铁矿、柘榴石、陶瓷、塑料球等。 过滤设备主要是通过滤料来截留水中的杂质，因而滤料的性能对过滤效果起决定性作用，滤料的主要性能与过滤效果的关系： 1) 滤料粒度 滤料的粒径太大，细小悬浮物容易穿透滤层，出水水质差；粒径太小，杂质的穿透能力差，滤层中的污泥局部集中，滤层堵塞快，水流阻力大，过滤能耗高，过滤周期短，所以滤料的粒径必须合适，过大过小均不好。同时滤料的不均匀性对设备的清洗也有影响，因为滤料颗粒差别太大会使反冲洗操作发生困难，如为使冲洗流速达到粗大颗粒松动时，细小滤料可能被水流带出过滤设备而流失。反之，若保证细滤料不流失，必须降低冲洗流速，这时粗大滤料又流化不起来，冲洗效果差。 2) 滤层厚度 滤层的厚度过低，水中杂质容易穿透滤层，反冲洗周期短，操作复杂，如果滤层厚度过高，会造成过滤设备体积庞大投资高，同时反冲洗比较困难，所滤层的高度也不是越高越好。 3) 滤层的孔隙率 滤层的孔隙是水流通道，又是贮泥空间，过大的孔隙率，悬浮杂质易穿透；过小的孔隙率，则贮泥空间小，过滤周期短，水流阻力大。 4) 滤料的排列方式 滤层根据滤料装填种类的数量分为单过滤器、双层过滤器、多介质过滤器，单层滤料过滤器在水流反冲洗水力分级以后，粒径小的滤料在上层，越往下层粒径过大。因此由上而下滤层的截污能力逐渐减弱，水流自上而下地在滤层孔隙间行进过程中，杂质首先接触到的是截污能力最弱的细滤料，由于下层滤料比上层要粗，其截留能力不及上层，会造成污泥绝大部分堆积在上层，导致局部阻力增长过快，所以其出水水质差，过滤周期短。双层滤料过滤器或多介质过滤器中的滤料层是密度小颗粒大的在上，密度大颗料小的在下，这种滤床水力反冲洗分层后，密度大的细滤料在底层，密度小的粗料在上层，滤料沿程从粗到细，截能力沿程渐增，因而实现了整层滤料截污能力与残留杂质除去难度的最佳匹配。这种滤床性能优越，截污容量大，过滤周期长，出水水质好，水头损失增长速度慢，但在实际应用中滤料的层数不是越多越好，层数太多一是设备投资大二是增加反洗的难度，因而需要经济与技术的合理拾配。 1.1.2 活性炭吸附 活性炭过滤器的作用是去除水中的游离氯和有机物。游离氯可以氧化反渗透膜，对反渗透造成不可恢复的破坏，而有机物不仅是微生物的饵料，而且当其浓缩到一定程度后，可以溶解有机膜材料，使膜性能劣化。 由于活性具有发达的细孔结构和巨大的比表面积，对水中的溶解性的各种有机物有很强的吸附能力，对色度、异味、表面活性剂、合成洗涤剂有良好的除去效果，在去除游离氯时除发生物理吸附还发生化学吸附反应。 活性炭过滤器，是把活性炭作一种滤料，让水以过滤的方式通过活性炭吸附层，水中的杂质从液相转移到固相活性炭的表面上。 活性炭过滤器工作过程与多介质过滤器类似，主要技术条件如下： ¨ 活怀炭过滤器的水流速度 5-15m/h ¨ 活性炭过滤器的层高 1000-2000mm，一般不低于1000mm ¨ 活性炭滤料 主要采用木质炭，粒径一般为2-3 mm ¨ 反洗方式，反洗流速20-30 m/h，反洗时间4-10min，3-6天反洗一次，滤层膨胀率为30-50% ¨ 活性炭使用寿命一般为2-3年，饱和炭需再生或更换。 ¨ 常用果壳活性滤料的比密度为0.4 1.1.3 加药阻垢技术 反渗透的工作过程是原水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜表面，从原水侧到达另一侧，而无机盐离子就留在原来的一侧。随着原水的流程逐渐增长，水分子不断从原水中取走，留在原水中的含盐量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水，从装置中排出。浓水受浓缩后各种离子浓度将成培增加。自然水源中Ca2＋ 、Mg2＋ 、Ba2＋ 、Sr 2＋　、SiO2 、SO42-、ＨＣO3-等倾向于产生结垢的离子深度积一般都小于其平衡常数，所以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积都有可能大大超过平衡常数，因此会产生严重的结垢。 采用加药阻垢的方法是目前常用的防止反渗透膜污染的一种方法，其设备简单，操作容易，因而一般反渗透预处理都采用加药阻垢的方法。这种方法是通过延缓盐晶体成长来推迟沉淀过程，促使晶体不会形成一定大小和大小和足够的浓度而沉降下来。大多数阻垢剂还有一定的分散作用，防止颗粒聚集成足以沉积下来的大颗粒，也就是说反渗透浓水中难溶盐或来不及沉积在膜表面上，已随浓水排出反渗透设备之外。 1.1.3.1阻垢剂的选择 1) 常用阻垢剂 许多常用的含有（-COOH）或（PO4）基团分子组成，低分子重量的聚丙烯酸酯分子含有多个（-COOH）基团，它们能极好阻止碳酸盐垢的形成，但作为分散剂作用上有定局限。 2) 六偏磷酸钠（SHMP） 它是低成本的阻垢剂，缺点是不稳定，混合溶解困难，如果它每三天不再混合一次，则六偏磷酸盐会水解成磷酸盐，在PH中性或碱性状态下，会与钙离子形成磷酸钙沉淀，该传统阻垢剂已日益被其它阻垢剂代替。 3) 有机磷酸盐 它是在SHMP基础上改进，它更稳定，类似SHMP具用稳定和分散作用。但又与SHMP不同，其官能基团相互吸引。 4) 高分子量的聚丙烯酸酯 它是最好的分散剂，不过，其阻垢性能方面不如低分子重量的聚丙烯酸酯。 5) 混合阻垢剂 比单一化学阻垢剂具有的优点是：使用单一化学阻垢剂，如果加入量太大，就可能导致阻垢剂与水中多价阳离子形成结垢析出；而对混合阻垢剂，一种阻垢剂会阻止另一种阻垢剂的沉积，同时每种阻垢剂的单独成分浓度也小一些。 1.1.3.2 阻垢剂加药量 阻垢剂的加药量与原水水质、阻垢剂的类型、水的PH值、温度等有关，因而很难准确计算阻垢剂的加药量，一般原水中投加的阻垢剂量为3-5mg/l,当加药量过大,有的阻垢会在反渗透膜中浓缩后结垢污染反渗透膜,如果药量过小则,难以防止难溶盐在反渗透膜表面结垢。实际应用中一般根据产家的阻垢剂使用说明向原水加适量的阻垢剂。 1.2 除盐处理 除盐处理是水处<