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35一、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

2、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

3、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CaCO3 1meq/L=2.8德国度=50mg/LCaCO34）水的软化方法A、

4、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。1） 石灰软化原理：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)2Mg(OH)2+CaSO4MgCl2+Ca(OH)2Mg(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

6、余碳酸盐硬度可降低到0.250.5mmol/L，剩余碱度约为0.81.2mmol/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0.150.2mmol/L。与Na2CO3有关的化学反应表示如下：CaSO4+ Na2CO3CaCO3+ Na2SO4CaCl2+ Na2CO3CaCO3+ 2NaClMgSO4+ Na2CO3MgCO3+ Na2SO4MgCl2+ Na2CO3MgCO3+ 2NaClMgCO3+Ca

7、(OH)2CaCO3+ Mg(OH)21.3 离子交换的基本原理（看给水工程P397404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 15mg/ <1.0mg/L <0.1mg/L 0.010.02mg/L电导率 110S/cm 0.11S/cm <0.1S/cm <0.05S/cm电阻率 >0.1M&#

8、183;cm 110M·cm >10M·cm 18M·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）。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

9、）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）13-540<3<0.1<0.3<0.1逆流再生<2顺流再生<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

10、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）、

11、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（2）除盐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（2）适用范围a、强酸性阳树脂一级钠离

12、子交换软化系统中，有关床型的适用进水水质条件：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<6.50.03不限浮动床470.03<30移动床<90.03>30逆流再生固定床7100.03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（S/cm）单组设备适合处理水量范围（m3/h）顺流再生固定床<15010不限浮动床、移动床150300<5>100<500<530100逆流再生固定床150500<5不限5、常用系统及适用

13、范围（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/L0.03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/L0.005与进水相同3氢-钠并联碳酸盐硬度较大，且与总硬度之比>0.50.030.51.0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0.030.50.7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

14、的比值<0.53、 比上一系统适用的原水硬度更大些0.030.50.7（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，S/cm）SiO2（mg/L）1一级复床H-D-OH顺流再生10<0.11、 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/OH<0.2<0.021、 总阳离子含量<10mmol/L2、 强酸性阴离子总量&l

15、t;1.53mmol/L高压及以上汽包锅炉直流锅3二级复床H-D-OH-H-OH0.21<0.021、 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/OH<0.2<0.02同上两种6、设备分类（1）常用的预处理设备a、机械过滤器 b、活性炭过滤器 c、其它过滤器（2）离子交换器a、软化b、除盐（3）除碳器（4）再生设备 （5）其它设备四、膜处理技术膜分离技术作为一种新型的流体分离单元操作技术，从上世纪五十年代末六十年代初发展以来,已经取得了令人瞩目的巨大发展，目前膜分离技术已经很成熟、可靠，并广泛应用于电力、石油化工、钢铁、电子、轻

16、工、纺织、食品饮料、医药、环保及市政等行业中，尤其在水处理行业中，发展更为迅速，已成为目前水质深度处理和中水回用的主要处理技术和发展方向。膜分离技术具有以下特点：1、 膜分离过程不发生相变化，因而耗能较少，是一种节能的分离技术。2、 膜分离过程可在常温下进行，因而适用于一些热敏性物质的分离。3、 膜分离技术应用面广，无论是无机物还是还是有机物的水溶液或者非水溶液都可以分离。4、 膜分离过程是一种物理筛分过程，效果稳定。5、 膜分离过程仅以压力等作为推动力，化学品用量小，不污染环境。6、 流程和设备简单，操作和维护保养方便，既可以实行人工操作，又容易实现由电脑控制的全自动运行。膜分离技术的发展前

17、景：在国内目前大型反渗透装置主要用于锅炉补给水和海水淡化领域，据不完全统计，我国已建成和在建的100t/h以上的反渗透装置已达到数万套，除少数电子等行业以外，大多数都用于锅炉补给水。最早是火力发电厂，后来扩展到钢铁、炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模的系统已达到数千t/h，国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验。在国外，100010000t/h规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内用于饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模，随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。鉴于目前可利用的淡水资源的逐渐减少，膜技术已在海水淡化和水回收利用方面

18、大量采用，目前在国外，海水淡化厂规模已达到10000t/h以上，而国内日产量都在一万吨以下，在这方面有很广扩的发展前景。目前在污水的达标排放和回收利用方面，超/微滤和反渗透系统的应用也在逐渐推广，将超/微膜组件装在曝气池中，利用微生物的降解作用和膜分离过程处理污水，出水可以直接回用，并省去了传统的二沉池和污泥回流系统。采用双膜法可将生化后的污水净化成为锅炉的补给水，中国石油哈尔滨石化分公司采用双膜法将生化二沉池出水回收利用作为电站锅炉的补给水，节省了大量的自来水费和树脂再生的酸碱费用，给企业带来了直接的经济效益。因此，随着生活水平的提高、膜技术的发展和资源的短缺，膜分离技术将成为未来液体、气体

19、分离过程的主要技术和发展方向1、原理膜分离法：溶液在外界压力或电位差、浓度差的推动下，通过薄膜将溶质和溶剂进行分离、分级、净化和浓缩的方法。名词：溶液、溶质、溶剂、半透膜、渗透、渗透压、反渗透2、分类（1）按分离精度分类a、反渗透膜(RO) 是最精细的膜产品，可以截留所有以溶解盐及切割分子量大于100道尔顿的有机物。b、纳滤膜(NF) 能截留纳米级(0.001微米)的物质，可以截留切割分子量约为200800道尔顿的有机物，除盐率介于20%98%之间c、超滤膜 (UF) 能截留0.0020.1微米的大分子物质和杂质，可以截留切割分子量为1000500000的有机物；诸如：蛋白质，胶体，微生物等。

20、无机盐可以通过。d、微滤膜(MF)能截留0.11微米的颗粒物，允许大分子有机物和无机盐通过。可以去除悬浮物，细菌及胶体物。（2）按膜结构分类a、中空纤维膜b、管式膜c、平板膜d、卷式膜（3）按材质分类a、有机膜b、无机膜3、工艺系统组成（1）微滤（MF）/超滤（UF） （2）反渗透（RO） （3）膜生物反应器（MBR） （4）双膜法4、膜分离技术的应用及其作用应用领域膜分离技术作用海水、苦咸水淡化RO、ED提取淡水纯水、高纯水制备RO、ED用作混床或EDI的预脱盐NF软化、RO供水UF用作RO供水预处理MF用作RO供水预处理或终端外理医药、医疗、卫生RO医用纯水、注射用水和抗菌素、激素等小分子

21、量物质的浓缩UF血液去除毒素、腹水超滤治腹水症、霍乱外毒素精制、人体生长素提取、浓缩人血清白蛋白，浓缩中草药MF热敏药物除菌，注射液去菌、去微粒，细菌快速测定食品饮料RO、UF、MF、ED生产用水脱盐、净化，各种酒类、酱油、醋去浊、矿泉水去菌净化等环境工程废水处理RO、UF、MF化工、造纸、电镀、纺织印染废水脱盐，去COD和BOD，水回收利用。五、污水处理1、一般知识概念（1）污水：是生活污水、工业废水、被污染的雨水的总称。（2）污水经处理净化后的出路：a、达标排放；b、灌溉；c、回用（3）污水的性质与指标a、物理性质与指标：水温、色度、臭味、固体含量（悬浮、胶体、溶解性固体）b、化学性质与指

22、标：1）无机物：酸碱度（PH）、氮、磷、硫酸盐和硫化物、氯化物、重金属、非重金属有毒物质2）有机物：碳水化合物、蛋白质和尿素、脂肪和油类、酚、有机酸和碱、表面活性剂、有机农药3）有机物污染指标化学需氧量：COD（Cr、Mn）生化需氧量：BOD（20、5天）总需氧量：TOD总有机碳：TOCc、生物性质与指标：1)大肠菌群数2）病毒3）细菌总数（4）污水处理的方法1）按原理分物理法、化学法、生物法a、物理法：筛滤、沉淀、气浮、过滤、膜过滤b、化学法：中和、混凝、电解、氧化还原、汽提、萃取、吸附、离子交换、电渗析c、生物法：好氧法和厌氧法2）按处理程度分 一级处理、二级处理、三级处理（5）污泥处理1）减量处理：浓缩和脱水