离子交换膜处理污水处理的一般性知识

1离子交换、膜处理、污水处理的一般性知识——史东明目录一、水的软化（给水工程第21章）.............................................................................................2二、水的除盐与咸水淡化（给水工程第22章）.........................................................................5三、化学水处理技术（离子交换技术）.......................................................................................7四、膜处理技术.............................................................................................................................17五、污水处理.................................................................................................................................25六、中水处理.................................................................................................................................352一、水的软化（给水工程第21章）1.1软化的目的与方法概述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钙、镁离子，此外钡、铁、锰，锶、锌等金属离子也有同样的作用。硬水需要大量肥皂才会产生泡沫。现在习惯上把总硬度定义为钙、镁浓度的总和，我国以每升水中碳酸钙的毫克数表示。硬度是由一系列溶解性多价态的金属离子形成的。硬度低于60mgCaCO3/L的水通常被认为是软水。硬度还可以根据阴离子划分成为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。碳酸盐硬度（暂时硬度）：煮沸时沉淀析出非碳酸盐硬度（永久硬度）：煮沸时沉淀不析出2）水中硬度的来源及危害水中硬度的主要天然来源是沉积岩、地下渗流及土壤冲刷中的溶解性多价态金属离子。两种主要离子是钙离子和镁离子，存在于许多水成岩中．最常见的是石灰石和白垩。它们还广泛存在于工业产品中，也是食物的常见成分。WHO的文献中认为没有令人信服的证据说明水中硬度对人体有不良影响。在考虑了气候、社会经济因素以及风险因素如高血压、抽烟、高血脂之后·又研究得出了饮用水硬度与心血管疾病之间关联性较弱的负相关关系。自来水硬度和心脏病死亡率的关系，王立医院和水道研究中心做过调查-确认两者间有高度的关连性。平均起来，软水3地区心脏病死亡率。比硬水地区高10%，也就是与硬度成反比例。一研究的结果显示许多其他疾病与水中硬度存在负相关包括无脑畸形和多种癌症。然而，这些结果的意义尚不清楚锅炉用水中若含有硬度盐类，会在锅炉受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热面烧损部件、引起爆炸，因此，对于分低压锅炉，一般要进水的软化处理；对于中、高压锅炉，则要求进行水的软化与脱盐处理。3）硬度表示方法1德国度=10mg/LCaO我国通常以CaCO31meq/L=2.8德国度=50mg/LCaCO34）水的软化方法A、基于溶度积原理，加入某些药剂，把水中钙、镁离子转变成难溶化合物使之沉淀析出，这一方法称为水的药剂软化法或沉淀软化法。B、基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的阳离子（Na+或H+）与水中钙、镁离子进行交换反应，达到软化的目的，称为水的离子交换软化法。1.2水的药剂软化法水的药剂软化工艺过程，就是根据溶度积原理，按一定量投加某些药剂（如石灰、苏打等）于原水中，使之与水中钙、镁离子反应生成沉淀物CaCO3和Mg(OH)2。工艺所需的设备与净化过程基本相同，也要经过混合、絮凝、沉淀、过滤等工艺。41）石灰软化原理：CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2OCa(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2OMg(HCO3)2+Ca(OH)2→CaCO3↓+MgCO3+2H2OMgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓由上式可知，去除１molCa(HCO3)2，要消耗１molCa(OH)2，去除１molＭg(HCO3)2，要消耗２molCa(OH)2。熟石灰虽然也能与水中非碳酸盐镁硬度起反应生成氢氧化镁，但同时又产生了等物质量的非碳酸盐的钙硬度：MgSO4+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaSO4MgCl2+Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCl2所以，单纯的石炭软化是不能降低水的非碳酸盐硬度的。不过，通过石灰处理，还可以去除水中部分铁和硅的化合物。经石灰处理后，水的剩余碳酸盐硬度可降低到0.25～0.5mmol/L，剩余碱度约为0.8～1.2mmol/L，硅化合物可去除30%～35%，有机物可去除25%，铁残留量约为0.1mg/L。2）石灰-苏打软化法在水中同时投加石灰和苏打（Na2CO3），此时，石灰用以降低水的碳酸盐硬度，苏打用于降低水的非碳酸盐硬度。软化水的剩余硬度可降低到0.15～0.2mmol/L。与Na2CO3有关的化学反应表示如下：CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO45CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaClMgSO4+Na2CO3→MgCO3+Na2SO4MgCl2+Na2CO3→MgCO3↓+2NaClMgCO3+Ca(OH)2→CaCO3↓+Mg(OH)2↓1.3离子交换的基本原理（看给水工程P397～404页）1.4离子交换软化方法与系统（结合离子交换技术部分讲解）二、水的除盐与咸水淡化（给水工程第22章）2.1概述1）水的纯度概念水的纯度常以水中含盐量或水的电阻率（电导率）来衡量。通常用于生活及生产用的水称为淡水，海水及咸水脱盐后称为淡化水。除盐水（初级纯水）纯水（去离子水）高纯水超纯水含盐量1～5mg/1.0mg/L0.1mg/L0.01～0.02mg/L电导率1～10μS/cm0.1～1μS/cm0.1μS/cm0.05μS/cm电阻率0.1MΩ·cm1～10MΩ·cm10MΩ·cm18MΩ·cm2）海水（咸水）淡化与水的除盐方法海水（咸水）淡化的主要方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法和冷冻法等。其中反渗透法耗能最少，近年来发展迅速，具有广阔的应用前景。离子交换法主要用于淡水除盐，该法可与电渗析或反渗透法联合使用。3）进水水质预处理进水水质预处理是水的淡化与除盐系统的一个重要组成部分，是保证处理装置安全运行的条件。预处理包括去除悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌以及某些有害物质（如铁、锰等）。6膜分离、离子交换装置对进水水质指标的要求项目电渗析离子交换反渗透卷式膜中空纤维膜浊度（度）色度（度）污染指数FI值PH值水温℃化学耗氧量（mgO2/L）游离氯（mg/L）总铁（mg/L）锰（mg/L）1～3---5～4030.10.30.1逆流再生2顺流再生55--402～30.10.3-0.5清3～54～715～351.50.2～1.00.05-0.3清34～1115～351.500.05-水中杂质对膜和树脂的危害表现在：（1）悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道，使脱盐效率降低；（2）微生物、细菌容易在膜和树脂表面生长繁殖，降低设备性能；（3）水中无机离子主要是高价离子（如铁、锰等）能与膜和树脂牢固结合，并使这中毒，从而降低其工作性能；钙、镁离子在某些情况下能在膜面上结垢沉淀，在反渗透法中应采取调整PH值7措施；（4）水中游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解，因而对其含量有严格要求。预处理系统的选择应根据原水水质以及脱盐装置所要求的进水水质指标而定。最简单的预处理系统由机械过滤和微孔过滤组成。对于地面水源，一般应采取混凝、沉淀、过滤、消毒等措施，若原水中有机物含量较高，还需要增加活性炭吸附。膜分离装置前均应有微孔过滤作为保护措施。专业名词硬度、暂时硬度、总固体、溶解性总固体（TDS、RG）、酸度、碱度、淤塞密度指数SDI（与污染指数FI等同）、COD、BOD、TOC、软化、除盐、阴离子表面活性剂(LAS)。三、化学水处理技术（离子交换技术）1、离子交换的概念离子交换是指采用离子交换剂，使交换剂和水溶液中可交换离子之间发生等物质量规则的可逆性交换，导致水质改善而离子交换剂的结构并不发生变化的水处理方式。2、离子交换原理（1）软化Na+Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+Na+交换再生8（2）除盐H+K+Na+Ca2+Mg2+K+Na+Ca2+Mg2+H+交换再生OH-Cl-SO42-NO3-HCO3-Cl-SO42-NO3-HCO3-交换再生OH-3、离子交换水处理的适用范围一级钠离子交换系统适用于进水硬度不大于6.5mmol/L。一级（复床）除盐系统适用于进水总含盐量不大于500mg/L，相当于总阳离子含量不大于7mmol/L，总阴离子含量不大于4mmol/L。4、离子交换单元装置分类及适用范围（1）分类离子交换器固定床移动床、流动床对流再生逆流再生床浮动床顺流再生双流式混合床（2）适用范围a、强酸性阳树脂一级钠离子交换软化系统中，有关床型的适用进水水质条件：9床型进水硬度（mmol/L）出水硬度（mmol/L）单组设备适合处理水量范围（m3/h）顺流再生固定床6.5≤0.03不限浮动床4～7≤0.0330移动床9≤0.0330逆流再生固定床7～10≤0.03不限b、强酸、强碱性阳树脂一级复床系统中，有关床型的适用进水水质条件：床型进水含盐量（mg/L）出水电导率（μS/cm）单组设备适合处理水量范围（m3/h）顺流再生固定床150≤10不限浮动床、移动床150～3005100500530～100逆流再生固定床150～5005不限5、常用系统及适用范围10（1）软化水处理序号软化系统进水水质（适用范围）出水水质硬度碱度含盐量1单级钠离子1、进水碱度较低2、进水总硬度6.5mmol/L≤0.03与进水相同Ca2+、Mg2+变成Na+，其余不变2双级钠离子1、进水碱度较低2、进水总硬度10mmol/L≤0.005与进水相同3氢-钠并联碳酸盐硬度较大，且与总硬度之比0.5≤0.030.5～1.0下降，其值约为减少的碳酸盐硬度4弱酸树脂氢-钠串联1、进水碳酸盐硬度1mmol/L2、进水非碳酸盐硬度较小，或有负硬度≤0.030.5～0.7下降，其值约为减少的碳酸盐硬度5强酸树脂氢-钠串联1、进水总硬度较大2、碳酸盐硬度与总硬度的比值≤0.030.5～0.7110.53、比上一系统适用的原水硬度更大些（2）除盐水处理序号系统名称出水水质进水水质（适用范围）实用情况电导率（25℃，μS/cm）SiO2（mg/L）1一级复床H-D-OH顺流再生≤100.11、总阳离子含量6mmol/L2、强酸性阴离子含量1.5mmol/L3、硅酸根含量15mg/L补给水率高的中压锅炉，当进水碱度0.5mmol/L或有石灰投加处理时，可不设除碳器逆流再生52一级复床加混床H-D-OH-H/OH0.20.021、总阳离子含量10mmol/L2、强酸性阴离子总量1.5～3mmol/L高压及以上汽包锅炉直流锅3二级复床H-D-OH-H-OH0.2～10.021、进水碱度高2、含盐量高阳阴离子器分别串联再生4二级复床加混床H-D-OH-H-OH-H/OH0.20.02同上两种6、设备分类（1）常用的预处理设备a、机械过滤器1213b、活性炭过滤器14c、其它