传统的原水预处理系统

水资源的日益紧缺和全球水质的日趋恶化使水处理技术越来越受到重视。可用水资源含盐量的不断增加使离子交换树脂极易发生污染和损坏，造成除盐设备效率降低、酸碱耗增加、再生频繁。近年来，膜技术飞速发展，用于水质净化的膜处理工艺也日趋完善。反渗透脱盐技术具有能耗低、无污染、适应性强、便于操作、运行费用低等显著特点，一些大型电站和水处理厂更多地选择采用反渗透等膜处理工艺来代替传统的离子交换和蒸馏等手段进行水质净化处理。但是运行发现，由于膜材料的特殊性及反渗透技术的发展所限，如果设计或操作不当很容易使反渗透膜发生污堵和降解。研究认为：反渗透装置的性能、产水率、产品水质量和膜的寿命很大程度上决定于给水的水质。合理的原水预处理系统对维持反渗透性能的稳定性、阻止膜的污染和恶化极其重要。
1　传统的原水预处理系统
    目前大多数水处理厂采用传统预处理方式——— 混凝＋过滤。图1是传统水质预处理系统流程图。这种传统的预处理系统通常包括澄清池、过滤池及混凝和助凝加药等辅助设备。该系统可以有效地去除原水中的小颗粒悬浮物和胶体物质，从而大大减轻后续除盐工艺中的设备负担，有利于提高膜分离以及离子交换工艺的处理效果。然而，对于反渗透等膜设备而言，仅去除原水中的小颗粒悬浮物、浊度和胶体物质还远远不够，膜设备入水的SDI必须合格，xx等微生物的含量也不能超标，否则将会给膜系统造成不利影响。
2　反渗透预处理系统的设计思路及注意事项　　
    难溶盐、金属氧化物、xx、氧化性物质、有机物以及硅胶等都有可能引起膜元件的污染。因此，为减少反渗透膜的污染，延长膜的清洗周期和使用寿命，提高产水率和脱盐率，反渗透一般都要求给水的浊度、SDI、微生物数量较低，并满足合适的水温和pH。传统的预处理出水很难达到理想的反渗透给水的水质要求，所以必须改进预处理工艺，为完善反渗透系统寻求更好的解决方法。
2．1　水质分析
　　在反渗透预处理系统设计之前，对原水进行水质分析，掌握水中杂质和主要阴阳离子含量是很有必要的。因为它有利于掌握水质情况，并有效判断水中杂质含量和垢质形成的倾向，以便设计出合理的预处理系统。对于反渗透系统，主要应了解原水中的悬浮物、浊度以及Ca2＋、Mg2＋、HCO3-、SO42-、Si、Fe、Sr、Ba的含量。
2．2　常用的预处理工艺
2．2．1　调温处理
　　由于膜的收缩与水粘度的增加，给水温度每降低1％，成品水流量将降低3％；当给水温度升高时，膜膨胀会使产水量提高。但与此同时，给水温度的提高会使膜的透盐率增加，进而使产品水的含盐量增加，如此长期运行还会导致膜的使用寿命降低，使反渗透系统的二次投资增加。因此，保持水温的适宜和相对稳定也十分重要，一般的中空型和涡卷型纤维膜的给水温度应控制在15～30℃为宜。
2．2．2　xx与除氯
　　为了防止反渗透膜的微生物侵蚀和污染，在反渗透预处理系统中通常要进行xx处理。加氯是一种成本低廉、原料丰富，易得到且效果较好的常用处理方式。然而，过量氯对反渗透膜的危害也很大。因此，对进入反渗透膜之前的给水中的余氯必须进行控制，水中余氯的控制量应依据反渗透膜的材质而定。一般，醋酸纤维膜反渗透进水中的余氯控制在0．1～1．0 mg／L。对于聚酰胺复合膜，其xx能力较强，但氧化剂(包括余氯)也会氧化侵蚀膜，所以使用聚酰胺复合膜的反渗透进水中不应含氯。对于此种膜的原水预处理可采用加氯xx和加亚硫酸钠等药剂除氯的联合处理工艺。另外，增加活性碳过滤器也能吸附并去除部分余氯、胶体和有机物等。
2．2．3　混凝澄清及软化过滤
　　作为传统预处理方式，混凝、软化和过滤在反渗透预处理系统中仍然起着其他水处理工艺所不可替代的作用，因为这种方式可以大大降低水的浊度，除掉大部分的悬浮颗粒和固体杂质，降低暂时硬度，对后续处理非常有利。不过，当使用铝盐作为混凝剂时，虽然出水浊度随混凝剂加入量的增加而降低，但过量的铝则会在反渗透膜表面累积，造成膜对水的渗透率逐渐降低。因此，反渗透预处理系统中应严格控制对混凝剂的选择与加药量。
2．2．4　酸化处理
　　有些反渗透膜对给水的pH很敏感。pH过高或过低都会引起膜的水解而损坏。生水中加酸可以降低碳酸盐硬度，防止碳酸钙硬度盐类的沉淀与析出。在实际生产中，可以根据所监测的水质情况适当地进行pH调节。值得注意的是，在以往的生产中曾有因酸的质量问题(含铁量高)而造成反渗透膜元件污染的情况，故在调节反渗透进水的pH时，对酸的质量要求也比较严格。
2．2．5　阻垢处理
    xx水中最常见的低溶解度盐类主要是碳酸钙、硫酸钙以及二氧化硅等。当这些盐类物质在反渗透处理过程中浓缩时，可能超过溶度积而析出沉淀。浓缩所产生的沉淀物附着在膜表面造成污堵，从而影响反渗透设备的出力与安全运行。针对不同的水质情况，应通过试验认真选择合适的阻垢剂并控制好相应的加入量，尽量做到既节约运行资金又能达到良好的阻垢效果。
2．3　SDI的监测与控制
　　SDI可用于衡量预处理后反渗透给水中悬浮物和胶体物质数量，是反渗透技术中一项重要的控制与监测指标。进入反渗透膜的允许SDI根据反渗透膜的组件构型而有所不同。常用于水处理脱盐的反渗透膜的进水SDI应小于4．0。只有当进水SDI小于设计值时，才能保证反渗透连续正常运行，透水率和脱盐率下降缓慢；当进水SDI大于设计值时，就有可能在很短的时间内造成膜的污堵，而不得不对反渗透膜进行清洗。因此，按照相应类型的反渗透性能要求与运行规定，设计与安装合适的SDI控制标准及监测设施是非常重要的。
3　超滤和微滤
　　随着膜材料与膜技术的应用发展，人们对环境保护意识的逐步增强以及反渗透技术的日趋完善，全膜法水处理系统和工艺已越来越普遍。超滤和微滤是近年来发展起来的新型反渗透预处理技术，是利用多孔膜使溶剂和低分子有机物通过而拦截大分子物质，从而实现分子过滤的低压工艺。近年来在废水回用工程中，微滤、超滤得到了长足发展。
3．1　微滤(MF)技术
　　微滤介于常规过滤与超滤之间，同其他膜技术一样是以压力为推动力，依靠膜对过滤介质的筛分过滤进行分离。微滤用于过滤0．1～10μm大小的颗粒、xx、胶体，其原理与普通过滤相类似，属于筛网状过滤。微滤膜多数为对称结构，具有比较整齐、均匀的多孔结构，它是深层过滤技术的发展，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，比膜孔径大的粒子则被截留在膜面上，使大小不同的组分得以分离。微滤使用具有不同孔径的分离过滤性能的薄膜，从而去除废水中大于膜分离孔的污染物；有用的物质也可以通过膜的截留而保留下来，在处理废水的同时将有价值的物料加以回收。
　　为了便于生产应用、防止污染和简化系统，目前连续微滤(CMF)系统已被开发应用，它是传统微滤技术的深度发展，融合了微絮凝、微滤膜过滤、自动控制技术等，具有出水水质好等特点，保证了反渗透的进水要求。目前，此技术在国内已有了部分成功的应用实例，值得在污水处理工程的反渗透预处理工艺中推广使用。
3．2　超滤(UF)技术
　　超滤和微滤一样，也是利用筛分原理以压力差为推动力的膜分离过程。同微滤过程相比，超滤过程受膜表面孔径的化学性质的影响较大。超滤可作为反渗透的预处理，以保护反渗透的正常运转。但是由于超滤膜的通流孔径较小，大分子颗粒和胶体极易污堵超滤膜。因此，在水质较差时，超滤系统必须采取相应的前处理措施，以保护超滤膜，{zd0}限度地防止污染。超滤前处理系统效果的好坏直接关系到超滤的产水通量及使用寿命，即涉及到超滤能否正常执行保护反渗透膜运行的使命。
　　当然，根据不同的水质条件、地方特色和反渗透膜内在尺寸等因素，其预处理系统与方式也是千差万别的。一种适合地域与水质特点的优化型反渗透预处理系统需要将各个有效处理单元有机结合在一起并能合理安排其间的主次关系和前后次序才能达到要求，这往往需要通过小试或中试研究来完成。
4　反渗透膜系统故障及对策
　　预处理不当很有可能会引起反渗透膜的污染和恶化，而且有时污染与恶化同时发生。但是污染与恶化有着本质的区别：膜的污染是可逆的，可以通过有效的清洗工艺恢复污染膜的工作性能；然而膜的恶化以致降解却是不可逆的。所以在设计、调试和运行中应该尽量避免反渗透膜的恶化。
4．1　反渗透膜的污染及对策
    几种常见的运行故障及处理方法见表1。
4．2　反渗透膜的降解及预防
4．2．1　化学降解
　　反渗透膜化学降解的主要过程是水解和氧化。
醋酸纤维膜在pH＝4．7时最为稳定。当pH增高或降低时，它的水解就会加速。所以，为了预防膜的化学降解，一定要严格控制反渗透预处理的给水pH＝5～7。为避免误操作，必须严格控制NaOH、H2SO4的加入量和加入点。膜的氧化一般发生在水体氧化剂(如Cl－、O3、H2O2等)含量较高的地方。有条件的地方可以定期对反渗透给水化学耗氧量(COD)进行测定，以便及时掌握给水的水质情况，尽快采取切实措施，有效预防反渗透膜的氧化降解。
4．2．2　生物降解
　　在自然环境中每一个表面都是被xx占据着的。由于反渗透膜具有很大的表面积，这就为xx的大量粘附提供了场所。从微生物总的图谱来看，膜材料也最易遭受xx的污染。膜的生物降解的一个常见原因是原水预处理时的絮凝剂加入过量。另外，磷系阻垢剂既是微生物源，也是微生物薄膜的营养源，它的加入也会为微生物的繁殖提供适宜的生长环境。
　　要有效控制和预防膜的生物降解的发生，就要切断所有可能引起生物污染的因素。如在设计方面应尽量避免管道的弯曲，少留死角，不能使用带有龟裂、死端的附件和未xx的储槽等；在给水方面，必须控制给水温度，有机物、无机营养物、xx的数量和SDI等不宜过高；在操作方面，应加强监测，禁止使用被微生物污染的预处理药剂并严格控制加药剂量。另外，适时加强生物污染可能性的预测也是非常重要的，即通过进行水质分析，检验含盐量、TOC、COD、pH和电导率等都可以得到生物污染隐患的线索。
4．2．3　物理降解
　　研究还发现，一些物理因素也能导致反渗透膜的降解和性能的降低。例如，振动及其所产生的超声波能够引起膜的恶化。当一些无机盐的硬晶体接触到膜表面并伴随着振动时，它能对膜表面造成划痕，以致使膜表面的晶体结构发生改变而恶化。安装适当的振动吸收器与进行合理的管线布置能够有效xx机械振动和超声波对膜的影响，防止膜的物理降解。
5　发展趋势与研究方向
　　随着工业的进一步发展，膜分离技术在水质净化和环境工程中的地位越来越突出。反渗透技术的应用已经开始向饮用水方面探索与发展。由于膜分离技术能够有效地去除污染水体中的病毒、微生物和微量污染物等混凝过滤和离子交换所无法处理的成分，因此在日本、美国和欧洲，超滤膜和微滤膜系统已经开始代替传统的预处理方式被应用于城市饮用水的处理。不久，膜分离必将成为新的行之有效的反渗透预处理方式。