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水化学与水质分析

文章来源:东北亚水网 作者:水处理设备网 时间:2013-01-24 15:28:44

  温度

  温度是一个十分关键的设计参数。给水泵压力、各段产水量平衡、淡水水质及难溶盐的溶解度等各个设计参数均与温度密切相关。作为一种粗略算法:给水温度每降低 10 华氏度,给水泵压力则需增加 15%。各段产水量也受到温度的影响。水温增加时,位于RO 系统前端的膜元件产水量增加,而后端的膜元件产水量下降。而水温较低时,各段产水量较为均衡。水温较高时,离子透过膜体的动能增加,因而系统透盐率增加。水温增高时,碳酸钙的溶解度下降。水温降低时,硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶及二氧化硅的溶解度下降。

  pH 值

  给水的 pH 值定义了它的酸碱性。pH 值为 7 时是中性;为 0-7 时呈酸性;为 7-14 时呈碱性。在分析化学中,pH 值是氢离子浓度负对数。在水化学中,pH 值用于定义二氧化碳、碳酸氢根、碳酸根、氢氧根离子的碱度平衡是十分重要的。浓水的 pH 值一般较给水 pH 值偏高,这是由于碳酸氢根、碳酸根离子浓度高于二氧化碳浓度。【Rodesign】软件允许用户用盐酸与硫酸调整给水的 pH 值,用酸降低给水 pH 值将 LSI(朗格里尔)指数下降,且降低碳酸钙沉淀的可能。给水与浓水的 pH 值也影响着硅、铝、有机物与油脂的溶解度与污染程度。给水 pH值的变化还影响了离子的脱除率,pH 值下降时氟、硼与硅的脱除率随之下降。

  电导率

  电导率是表示水中溶解离子导电能力的指标。没有离子的理想纯水,不会产生电流。电导率用电导率仪测量,其单位为微西门子/厘米(μs/cm)。电导率也是测量水中离子浓度的简便方法,但不能精确反映离子种类。离子构成不同,电导值也不同;但电导的数值随离子浓度增加而增加。TDS(溶解固体总量)仪是利用变换因子将电导率值转换为 TDS 值。在水质分析中,可用不同离子对应的不同转换系数或溶解固体总量(TDS)对应的单一转换系数,估算电导率的数值。可用二氧化碳的 ppm 浓度的平方根乘以 0.6 求得其电导率;硅离子对电导率变化不产生影响。RO 高纯水最精确的电导率数值是在线测量的。否则,高纯水暴露于空气之中,将改变其二氧化碳含量。

  TDS(溶解固体总量)

  在水处理工艺中,TDS 是滤除悬浮物与胶体并蒸发掉全部水分后的剩余无机物。TDS 以 ppm 或 mg/l 为单位,在【IMSdesign】软件中 TDS 是全部正负离子与二氧化硅的合计。【IMSdesign】软件中给水与淡水的 TDS 可以通过各自电导率折算出来。也可以在现场用 TDS 仪测量 TDS,TDS 仪测量水的电导率并乘以转换因子即得出已知参考溶液(如氯化钠、氯化钾)的 TDS 值。值得注意的是:通过电导率数值间接测出的各类离子混合而成水溶液的 TDS 值,与通过总加各类离子浓度得出的 TDS 值并不相同。一个粗略算法是:对于氯化钠参考溶液,每 1 ppm 的TDS 值对应 2ms/cm 的电导率。

  碱度

  碱度主要是指二氧化碳、碳酸氢盐、碳酸盐与氢氧化物。在自然界中土地是碱性体,在中和酸雨过程中其 pH 值变化不大。二氧化碳与碳酸氢盐溶液的 pH 值为4.4 至 8.2;pH 值为 4.4 或更低时,碱度以二氧化碳形式存在;pH 值 8.2 时,不存在二氧化碳,全部碱度均为碳酸氢盐。在 pH 值为 8.2 至 9.6 时碳酸氢盐与碳酸盐溶液相互平衡。pH 值为 9.6 时,不存在二氧化碳与碳酸氢盐,全部碱度为碳酸盐。当 pH 值在 9.6 以上时,由于氢氧根离子的存在,出现了氢氧基碱度。大部分自然界中水源的 pH 值为 6.0 至 8.4,所以氢氧化物的出现是人为的。碱度(特别对于锅炉水化学)可表示为 M 碱度与 P 碱度。M 碱度是指以碳酸钙计的ppm 值表示的水的总碱度(用甲基橙作指示剂,酸滴定终点为 pH=4.2)。P 碱度测量碳酸氢盐、碳酸盐及氢氧化物的量(用酚酞作指示剂,酸滴定终点为pH=8.2)。

  浊度

  浊度是对水中不易沉淀的微小胶体悬浮物的检测指标。用浊度仪测量浊度就是测量溶液的相对透光度,并以 NTU 为单位。RO 膜元件运行限值中经常规定:给水的最大浊度为 1.0 NTU。

  色度

  色度是非精确测试参数,依据不同有机物引起色度的大小,可以用色度表示水中有机化合物含量的大小,并使用以白金为标准的 APHA 单位。

  SDI(污染指数)

  SDI 是针对膜系统而检测给水中悬浮物与胶体粒子淤塞 0.45 微米孔径滤纸的速度的试验数据。该试验的主要数据是保持 30 PSI 给水压力状态下在 5、10、15分钟内过滤的水量。典型 RO 元件的使用条件规定了给水的 15 分钟的最高 SDI值为 4.0。如果因为淤塞而使 SDI 试验只进行了 5 或 10 分钟,说明给水对 RO 系统的污染将是十分严重的。略加处理或全无预处理情况下,深井水的 SDI 值等于或低于 3,浊度小于 1。对地表水而言,欲达到 SDI 与浊度的要求,必须采用预处理工艺以去除悬浮物与胶体颗粒。

  COD(化学耗氧量)

  COD 是以氧的 ppm 值为单位的非精确测试参数,用以测定生物可降解与生物不可降解有机物的含量,即计量重铬酸钾溶液氧化有机物的能力。

  BOD (生物耗氧量)

  BOD 是以氧的 ppm 值为单位的非精确测试参数,用以测定生物可降解有机物的含量。BOD 测量的是 20℃下 5 天培养期内分解全部有机物质时所消耗的氧量。

  TOC(总有机碳)

  TOC 是总有机碳(Total Organic Carbon)或总可氧化碳(Total OxidizableCarbon)的英文缩写,是一个非精确测试参数。它以碳的 ppm 值为单位检测与有机物结合的碳的总量。由于 TOC 仅反映有机物中碳的数量,地表水中有机物的实际重量是该值的 3 倍。有机物是不包括二氧化碳、碳酸氢盐与碳酸盐在内的含碳的化合物。在水处理范畴内有机物可分为人造的与自然存在的两类。自然存在的典型有机物包括带负电荷的胶体、悬浮物、鞣酸、木质素、腐烂植物生成的水溶性腐殖酸混合物、腐烂植物生成的棕黄酸等。自然存在的有机物可以污染 RO 膜,特别是对带负电荷的聚酰胺复合膜。电中性的 RO 膜即电中性聚酰胺复合膜与醋酸纤维膜具有较强的抗有机物污染能力。RO 系统可以有效的去除有机物,分子量大于 200 的有机物可去除 99%以上,小于 200 的依分子量、形状、带电的不同,其去除率也不同。自然水源在 RO 系统中产生有机物污染的警戒水平:TOC 为 3ppm、BOD 为 5 ppm、COD 为 8 ppm。

  阳离子与阴离子

  阳离子是正价离子,可吸收电子;阴离子是负价离子,有剩余电子;正负离子可以相互作用。他们对电子的共享形成电中性。例如,钙是二价阳离子可以结合两个单价氯离子形成电中性的氯化钙。不论计量单位是 ppm、碳酸钙或 meg/l,水中的正负离子浓度均相等。极性弱的阴离子硅虽计入 TDS,但不参与阴阳离子平衡。

  离子强度

  给水中TDS增加时难溶盐的溶解度随之增加。为在计算硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶或SDSI的溶解度时计及上述现象的影响,需要计算水中的离子强度:单价离子的强度是其以碳酸钙计ppm浓度乘以 1×10-5,二价离子的强度是其以碳酸钙计ppm-5离子强度。

  钠离子(Na)

  钠是单价阳离子,钠盐的溶解度很高,不会在 RO 系统中造成结垢。海水中钠是主要的阳离子。作为阳离子的钠,在 RO 给水分析中自动与其它阴离子相平衡。饮食中钠的摄取浓度范围是从低钠的 2000 mg/L 到平均的 3500 mg/L。美国 EPA已设立了饮用水水质标准(DWEL),规定饮用水中钠为 20mg/L。每天饮用 2 升100 mg/L 钠含量的饮用水只有 200 mg 钠。每加仑 10 打兰(171.2 mg/l)硬度的相对硬水经软化后只含钠 79 mg/L。

  钾离子(K)

  钾是单价正离子,在水中钾的含量较钠低得多,且有很高的溶解度,不会造成RO 结垢。

  镁离子(Mg)

  镁是二价阳离子。镁在苦咸水硬度中约占三分之一,但在海水中可比钙的含量高出五倍。镁盐的溶解度较高,在 RO 系统中通常不会造成结垢问题。

  钙离子(Ca)

  钙是二价阳离子,钙于镁同为苦咸水中硬度的组成部分。在使用阻垢剂时,硫酸钙(CaSO4)(石膏)的溶解度可达 230%。碳酸钙的溶解度LSI(朗格里尔指数)值可达+1.8-+2.5。

  锶离子(Sr)

  锶是二价阳离子。硫酸锶的溶解度很低,可能在 RO 系统的后端造成沉淀。当硫酸根浓度增加或温度降低时,硫酸锶的溶解度将降低。通常,铅矿附近的井水中含有小于 15 ppm 浓度的锶。硫酸锶的饱和浓度为 100%,而使用阻垢剂时,饱和浓度可达 800%。

  钡离子(Ba)

  钡是二价阳离子。硫酸钡(BaSO4)的溶解度很低,能够在RO系统的浓水出口侧造成沉淀。温度降低与硫酸盐浓度增高均使硫酸钡的溶解度进一步下降。钡一般出现在井水中,浓度一般小于 0.05-0.2 ppm。钡的检测必须在精度为 0.01 ppm(10 ppb)水平的仪器上进行。饱和度为 100%,使用阻垢剂时可达 6000%。

  锰离子(Mn)

  锰是井水与地表水中的污染物,其含量可达 3 ppm。如铁一样,地表水的有机物中存在锰。在无氧气的水中锰呈溶解状态,氧化后呈不溶的黑色二氧化锰沉淀。暴露于空气中的反渗透给水中锰的警戒水平是 0.05 ppm。由于会产生黑锈,在饮用水标准中规定了锰含量限值为 0.05 ppm。用于控制铁污染的分散剂也可以用于控制锰污染。

  铁离子(Fe)

  铁是以两种形式存在的污染物。溶于水的形式为二价铁。不暴露于空气的井水中,二价铁类似于钙、镁,可通过软水器去除,或在 RO 原水中加入分散剂以控制 RO系统尾部的沉淀。不溶于水的形式为三价铁。膜生产商建议 RO 给水中的全部铁含量低于 0.05 ppm。如果全部的铁均为可溶的二价状态且 pH 值低于 7.0,可以允许 0.5 ppm 含铁浓度(尽管此时建议使用分散剂)。空气与可溶二价铁的接触可将其氧化为不溶的三价铁。井水之中一般存在可溶的铁,当井水被置于容器或水泵密封不严时,即可使二价铁变为的不溶的三价铁。可溶铁可以用分散剂处理,或用铁过滤器、软水器、软化法加以去除。而不溶的三价铁氧化物或以胶体形式存在的氢氧化铁,将污染 RO 系统的前端。不溶铁的来源是暴露于空气中的井水、地表水、无衬里管路与容器的铁锈。不溶铁的去除可采用铁过滤器、石灰软化法、软化器(部分去除)、超滤器(部分去除)及在给水中加有聚电解质的多介质过滤器(部分去除)。在锰砂过滤器中使用高锰酸钾须十分注意,因该氧化剂可损伤任何聚酰胺膜。使用阳离子聚电解质同样需要注意,它能够永久污染带负电荷的聚酰胺膜。建议 RO 系统、预处理系统及 RO 的供水配水系统中的容器或管道使用耐腐蚀材料(如:FRP、PVC 或不锈钢)。作为污染物的铁含量的增加,会造成给水压力及淡水 TDS 增加。有时铁还会造成生物污染问题,因为它会成为食铁还原菌的食品。食铁还原菌能够生成粘性的生物膜,造成 RO 给水通道的阻塞。

  铝离子(Al)

  由于铝的可溶性很差,在井水或地表水中不会有很高的浓度。在 RO 给水中的铝是以胶体形式而不是以离子形式出现,它是市政给水系统或现场处理时澄清池、石灰软化器产生的明矾残留物造成的。明矾(硫酸铝)是常用的絮凝剂,对地表水中带负电荷的胶体(淤泥与黏土)起吸附与沉淀作用。明矾溶入水中变成三价铝与硫酸根。铝离子的水合物与水发生反映形成大量的氢氧化铝水合物,进行聚合并开始吸引水中的负电荷胶体,并会发生铝质胶体在系统中的污堵。因此,在RO 给水中 0.1-1.0 ppm 的铝已达到报警水平。由于铝是中性的,性质较为复杂,在低 pH 值条件下,铝以带正电荷的三价阳离子或氢氧化铝形式存在;在高 pH值条件下,铝以带负电荷的阴离子复合物形式出现。铝合物最小溶解度的范围内,pH 值为5.5-7.5。

  铵离子(NH4)

  铵为单价阳离子,铵盐极易溶解不会造成RO系统的结垢问题。铵离子是溶于高pH值水中的氨气(NH3)形成的,高pH值水中氨的离解生成了铵离子与氢氧离子;低pH值水中氨为气态,象二氧化碳一样,不会被RO系统脱除。井水中一般不存在铵离子,泥土中细菌的作用已使铵转化为暂态的亚硝酸盐(NO2)进而氧化成常见的硝酸盐离子。铵离子以不超过 1 ppm的低浓度存在于地表水中,是破坏有机氮化合物与生物活动的结果。施氨肥农田、畜牧场与发酵场所的排水可以造成地表水的铵污染。由于生物活动与大量有机氮的作用,铵离子在市政污水中可达20 ppm,另外一个铵污染源是氨气与氯气生成的氯氨杀虫剂。

  碳酸氢根离子(HCO3)

  碳酸氢根是单价阴离子。碳酸氢钙的溶解度很低,能够在 RO 系统的浓水出口侧形成沉淀。碳酸氢钙的溶解度测量单位,对苦咸水应该用 LSI(朗格里尔饱和指数),对海水应该用史蒂夫戴维斯指数。温度升高与 pH 值增加均使碳酸氢钙的溶解度进一步下降。碳酸氢根是碱性物,pH 值在 4.4-8.2 之间时它与二氧化碳相平衡,pH 值在 8.2-9.6 之间时它于碳酸盐相平衡。

  碳酸根离子(CO3)

  碳酸根是二价阴离子,碳酸钙的溶解度很低,可在 RO 系统尾侧结垢。其溶解度对苦咸水用 LSI(朗格里尔饱和指数),对海水用 SDSI(史蒂夫戴维斯指数)表示。温度上升或 pH 值增高均使其溶解度下降。碳酸根是碱性成分,pH 值在 8.2-9.6 之间时,其浓度与碳酸氢根平衡。pH 值大于 9.6 时,不存在二氧化碳与碳酸氢根,全部碱性物均为碳酸根。

  硝酸根离子(NO3)

  硝酸根是单价负离子,硝酸盐具有高溶解度,不会造成 RO 系统结垢问题。硝酸根与氨气、铵均为氮基离子,它是自然界中氮循环中的一个环节。RO 原水中的氮源自动植物分解、发酵、畜牧及施氮肥农田等排出的水。井水中不存在氨与铵,他们已经被土壤中的细菌转化为亚硝酸盐,进而氧化为更加常见的硝酸根离子。在水质分析中,通常将硝酸根含量表示为氮的 ppm 值,而不是 RO 系统所关注的硝酸根的 ppm 值。欲将前者转化为后者,需将氮的 ppm 值乘以 4.43。美国 EPA已公布了饮用水中硝酸根含量极限为:氮的 4.43 ppm 即硝酸根的 44.3 ppm。当硝酸根占据了氧在血红蛋白中的位置时是十分有害的,含氧量的下降将导致Blue-Baby 综合症,因此孕妇与婴儿受硝酸根的作用是更加危险的。

  氯离子(Cl)

  氯根为单价阴离子。氯盐的溶解度很高,在 RO 系统中不会造成结垢。在海水中氯的比重很大。在 RO 给水分析中氯根被用来自动平衡水中正离子浓度。从味觉方面考虑,美国 EPA 与 WHO 标准中指出,饮水中氯根高限为 250 ppm。

  氟离子(F)

  氟为单价负离子,一般它在井水中的含量较低。为了防止牙病,在市政自来水中需加入氟离子并保持其残留量达 2.5ppm,因此氟离子在 RO 给水中是常见离子。在饮用水中氟含量高于 5 ppm 即可造成牙斑与骨脆。RO 系统中氟的去除率决定于给水的 pH 值。pH 值显碱性时,由于氟以盐的形式存在,用聚酰胺膜脱除氟可达 99%以上;pH 值显酸性时,由于氟以酸的形式存在,氟的脱除率可降至 50%。

  硼 (B)

  硼一般存在于海水中,其含量可达 5 ppm,内陆咸水湖中含量更低。硼不是污染源,但由于在某些使用环境中会造成不利影响,因此在电子工业中必须去除。硼的化学性质类似于硅,pH值高于 10 状态下,它以单价硼酸根阴离子形式存在,pH值低于 10 状态下,它以非离子化的硼酸B(OH)3形式存在,硼酸盐的去除率与pH值有关,pH值高时,取除率也高。

  二氧化硅(SiO2)

  硅在某种情况下是一个阴离子。它的化学性质很复杂,甚至是不可预测的。TOC(以碳计)表示有机物总量而未指明有机物的构成,同样,硅浓度仅表示了硅的总浓度(以碳计),但没有指明硅的各种构成的浓度。水中的硅总量中包括活性硅与惰性硅。活性硅是可溶硅,它被弱电离且未聚合成长链。活性硅是 RO 与离子交换工艺中希望的形式,也是 Rodesign 软件所使用的二氧化硅的形式。虽然活性二氧化硅有阴离子特性,但在水质分析中它未以阴离子方式计入阴阳离子平衡,却以盐的形式计入 TDS。惰性硅是聚合硅,或胶体硅,就其性质而言与其说是个离解离子毋宁说是个溶解固体。胶体形式的硅可以被 RO 系统去除,但可能在 RO 前端造成胶体污染。胶体硅的直径可小到 0.008 微米,但只有大于或等于0.45 微米的部分才能用 SDI 来测量。粘土、淤泥、沙石等微粒状的硅混合物一般有 1 微米或更大的直径,可用 SDI 值测量。以二氧化硅做基本粒子的聚合硅在自然界以水晶或玛瑙形式存在,它也是活性硅超饱和的结果。在使用硅分散剂条件下,活性硅的溶解度限值为 200-300%。温度的升高、pH 值在 7.0 以下或 7.8以上均会使硅的溶解度上升,对硅聚合起催化作用的铁离子存在时,活性硅溶解度下降。在 RO 系统中,硅的脱除率与原水 pH 值密切相关,随 pH 值的增加,该脱除率也增加,这是因为活性硅更多的是以盐的形式存在,而不是酸的形式。

  二氧化碳(CO2)

  二氧化碳为气体,当溶于水时与水反应生成弱碳酸(H2CO3)。如纯水中二氧化碳处于饱和状态,其浓度约为 1600 ppm,pH值约为 4.0。自然界水体中二氧化碳的来源是基于pH值的碳酸氢根平衡。水体中的二氧化碳浓度间接的决定于pH值与碳酸氢根浓度的对应关系。二氧化碳与碳酸氢根离子在pH值的 4.4-8.2 区间保持平衡。pH值为 4.4 时碱性物均为二氧化碳,pH值为 8.2 时碱性物均为碳酸氢根。【Rodesign】程序运用碳酸氢根浓度与pH值计算水中二氧化碳浓度。由于二氧化碳为气体,RO膜对其不具有脱除或浓缩作用,其浓度在给水、淡水与浓水中相同。在给水中加酸将碳酸氢根化为二氧化碳,故而pH值下降。

  硫化氢(H2S)

  硫化氢呈气态,使给水中有臭蛋气味。其 0.1 ppm 浓度是异味的临界值,在 3-5 ppm 浓度时,具有强烈的异味。硫化氢易于被空气、氯及高锰酸钾等氧化剂氧化成硫。硫的作用类似于胶体污染,用传统的介质过滤器不能去除。在系统设计中,建议将硫化氢保留为气态,使其穿过 RO 系统进入淡水,再对淡水进行处理并去除。

  mg/L

  表示给定水体中离子或物质重量的方法之一是毫克/升(mg/L)。对稀溶液而言。毫克/升和 ppm 是等同的。例如,1000 mg/L(ppm)的氯化钠溶液意味着:一升该溶液蒸发之后,应生成 1000 mg 氯化钠(NaCl)固体。RO 工程师们经常用 mg/L单位计算 TDS 的数值。

  Meq/L

  表示给定水体中离子或物质的当量重量或浓度的方法之一是毫克当量/升(Meq/L),该值计算方法是用相应离子或物质的毫克/升(mg/L)数值除以其当量重量。在 RO 水质分析时 meq/L 是常用单位,特别用于判断正、负离子总毫克当量值是否平衡。

  打兰/加仑

  离子交换与锅炉给水处理常以打兰/加仑(以碳酸钙计)为量纲计量水的硬度。每打兰/加仑(以碳酸钙计)等于 17.1 ppm(以碳酸钙计)。

  ppb(1/1,000,000,000)

  ppb 是表示水中某种物质或离子浓度的单位,下列转换关系适用于比重为 1 的低含盐量的淡水。1 ppb 等于 1 微克每升(mg/L),1 ppm 等于 1000 ppb。

  ppm(1/1,000,000)ppm 是表示水中某种物质或离子浓度的单位,下列转换关系适用于比重为 1 的低含盐量的淡水。 1 ppm 等于 1 毫克每升(mg/L);1 打兰每加仑等于 17.1 ppm;1 磅每 1,000 加仑等于 120 ppm;百分之一的溶液等于 10,000 ppm;1 ppm 等于1000 ppb。

  ppm(以CaCO3计)

  ppm(以碳酸钙计)是表示水中的物质或离子当量浓度的单位。以碳酸钙计的离子 ppm 浓度。在离子交换工艺中经常使用,用以计算阴阳树脂的离子载荷,水质分析时判断水中正负离子总量是否平衡。由于自然界中正负离子间的平衡是以其化合价与剩余电子计算,而不是以各自的重量计算,因此在水质分析时应采用当量来衡量正负离子的电中性水平。用碳酸钙做标准仅仅由于其分子量为 100,其化学价为 2,其克当量重为 50。将以 mg/L 为单位的离子浓度值变为以碳酸钙计的 ppm 浓度值的方法如下:以某离子 mg/L 浓度值乘以碳酸钙离子克重与某离子克重值比。

  例如,以碳酸钙计的 100 ppm 钠与以碳酸钙计的 100 ppm 氯是平衡的。因为每一个钠离子均对应着一个氯离子。但此时的钠为 47 mg/L(钠的克当量重为 23),氯为 71 mg/L(氯的克当量重为 35.5),且氯化钠溶液的 TDS 值为 118 mg/L。

  苦咸水

  在一定意义上,苦咸水可定义为由于海水的入侵使其 TDS 值大量增加的低 TDS水源。在 RO 范畴中,可将苦咸水定义为:含盐量 TDE 值处于中低水平(高达 10,000-15,000 ppm),且可以用最大给水压力 600psi 的苦咸水 RO 膜进行处理的反渗透给水。

  河水

  由于下雨而落在地表的水,通过地表或者经由地下汇入河流。通过地表的水多含有悬浮物,而地下经由的水则含有较多的流经地层的溶解性无机盐类。在流经地表的雨水汇入河流时,悬浮物浓度会急剧增加,因此河水的特征就是河水中悬浮物的变化幅度大。而且河水的季节性的明显,比如水温变化,水生生物的繁殖,以及来自于生物的沉渣和来自于有机物的胶体物质的含有量等。另外流经森林地带和泥媒地带的河流中腐殖质和有机物含量也会很高。河流还会被城市废水处理水,工厂排放污水,或者含农药的灌溉用水污染。所以要求我们对水质进行足够的调查,把握其变化幅度,要对预处理装置或者运行条件做必要的考虑。

  湖泊

  河川水在湖泊或者水库中发生长时间的滞留后悬浮物因为沉降其含量会变少,但另一方面又容易受微生物的影响。湖泊或者水库水容易造成富营养化,致使比重较轻的藻类会过度繁殖,造成湖泊的沉淀凝集功能不良,有时可能会造成过滤池的堵塞。还会因为碳酸同化作用,消耗溶解在水里的二氧化碳,造成湖水的 pH增高。湖泊内部形成水的分层时,水的底层由于处于缺氧的状态会有利于厌氧细菌的生长,还有硫化氢的生成、包括引起铁、锰的再溶解等等。因此,在采用湖泊或者水库水作为原水的时候,必须深入研究对其的处理方式的同时,有必要的话,在取水上尽量考虑不用湖底变质的水。

  地下水

  地下水在地层的流速极为缓慢,由于自然的滤过作用,几乎不含有悬浮物,但受到流过的地层的影响十分明显。比如,流经石灰盐带的水中钙的浓度就非常高,通过火山地带的地下水中硅的浓度也会变高。通常地下水中由于氧气的不足,显还原性,可能水中含有还原状态的铁或锰,也可能因为地层的不同,含有硫化氢或者钡、锶的情况也会出现。地下水的悬浮物较少,全年的水温变化也显得比较稳定,作为 RO 系统的原水来考虑,必须考虑在前处理中需要除去的硬度成分、硅以及含量较多的金属离子。

  市政用水

  RO 系统使用自来水作为原水时,要确认自来水处理工艺,管道状况,注意余氯。

  海水

  标准海水中 NaCl 的含量在 3.5%以上,还有镁、钙、钾、硫酸根、碳酸根、溴、硼和氟等 10 多种溶解性成份。由于入海口,降水、潮汐或者水温影响,海水中的盐份浓度有一定差异,悬浮物和有机物含量受到江河和人类活动等的影响,会有地域差异。因此海水淡化系统的取水点及取水方式至关重要,直接影响到原水的水质和预处理方式。

  废水

  近年来在越来越多的市政污水及工业污水的深度处理中开始采用反渗透工艺,用于反渗透处理的污水一般为工业冷循环排污水和达到杂用水回用标准的三级处理水,COD小于 50mg/L,含油量、浊度经过进一步处理后必须达到RO进水要求。要特别注意原水中是否含有表面活性剂等回造成反渗透膜严重污染的有机物,以及与膜材料不相容的有机溶剂等。由于污水水质的复杂性和波动性,水质资料的收集和调查工作显得尤为重要。废水处理反渗透系统要求极为严格的预处理,采用非常保守的低通量设计,使用性能优异的低污染膜元件(比如LFC3-LD)。

  4.2 水质分析

  1 原水分析

  一个水样表现了具体水源在特定时间的水质。所以通过一个水样并不能全面了解在整个运行时间内发生的、能够影响系统运作的趋势或变化。收集多个水样除了可以获得对一个水源特性的更好了解外,还能分析水质变化的原因。了解一个现有的或潜在的水源组成的正确分布轮廓是一个反渗透系统有效设计和运作的必需的要素。

  取样

  取样是整个水分析方案的组成部分。在样品的采集中要满足两个基本要求。首先,样品应该准确代表所要评价的水。这可能需要采集在 24h 或更长时间的整个期间内的混合样品。其次,样品必须有足够的量以保证完成所有应该分桥的项目。根据 ASTM-D 4195—88 关于反渗透应用的水分析标准指南中的分析要求,对大多数情况 10 升样品量应是足够的。

  在取样之前,应仔细考虑以下几个问题:

  ◆ 由水样必须获得什么信息?

  ◆ 将要采用哪些分析方法?

  ◆ 取样点能足以保证取得代表性的样品吗?

  ◆ 哪些分析最好在现场完成?

  ◆ 在样品转移至实验室过程中会发生什么贻误,需要什么样的保护方法?

  ◆ 样品体积需要多少?

  ◆ 什么样的容器对完成分析最适宜?

  通过对这些问题的仔细考虑,可以设计出一个有效的取样方案。对所要求资料的全面了解将使人们能获得恰如其分的资料,而不致做过多的分析项目,或是遗漏有价值的数据。通过对要完成的特定分析步骤的了解,便能够收取恰当体积的样品,并能对水样采取适当的及有效的保护。通过对方案全貌的了解,样品能协调地转移至一个合格的实验室。合适的样品收集容器是保证准确的水分析的关键。必须考虑由于容器引起的污染。常使用塑料或玻璃样品容器。样品容器在使用前必须清洗,以免污染样品。玻璃瓶用硫酸和重铬酸盐溶液清洗,这些溶液对避免瓶子的有机物污染特别有效。塑料容器可用实验室洗涤剂擦洗,或用浓盐酸漂洗.然后用去离子水彻底清洗。用于取样的容器需要进行消毒处理。系统内取样点的选样是一重要的问题。新的系统应具有位于可容易取得有代表件样品位旨的诸多取样孔,并且这些取样孔应避免位于系统内的死区。若不考虑这些,这些取样点常可能成为污染源。最好的取样点是位于促进水均匀混合的位置。在样品收集之前,应彻底冲洗取样孔。除非容器中的保护剂必须随样品保留,否则样品容器也应该用被取样的水漂洗数次。样品收集历,需要记录的资料包括如下:

  a) 样品名称;

  b) 取样点;

  c) 收集时间及日期;

  d) 保护(若有任何保护措施);

  e) 收集时的水温;

  f) 现场所做的任何分析,如溶解氧或二氧化碳的浓度。

  和样品一起记录的其他数据可能是有用的,例如,在取样时有关 RO 预处理操作的资料。

  水质报告

  分析水质指标具体项目可参照海德能系统设计软件 IMSdesign 的水质分析界面(见下图)。

水化学1.jpg

  2 系统分析

  通过系统分析获得正在运行的 RO 系统的综合性能数据。进行系统分析时要对进水、产水和浓水进行全面分析。系统分析不仅综合了进水、产水及浓水中各组分的浓度,而且在准确地进行系统分析时,它也可计算能用于预测 RO 性能下降原因的某些参数,如各种饱和指数。一个完整的系统分析包括了水中各组分的裁留率与回收率,并可以计算浓水的结垢趋势。

  3 污染密度指数 SDI 的测定方法

  污染密度指数 SDI 值是表征反渗透系统进水水质的重要指标。测定 SDI 值的的基本原理是测量在 2.1bar(30psi)给水压力下用 0.45μm 微滤膜过滤一定量的原水所需要的时间。

  A.测试仪器的组装

  1) 按图-2 组装测试装置。

  2) 将测试装置连接到 RO 系统进水管路取样点上。

  3) 在装入滤膜后将进水压力调节至 30psi。在实际测试时,应使用新的滤膜。为获取准确测试结果,应特别注意下列事项:在安装滤膜时,应使用扁平镊子以防刺破滤膜;

水化学2.jpg

  确保 O 型密封圈清洗完好并安装正确;

  避免用手触摸滤膜;

  事先冲洗测试装置,去除系统中的污染物。

  B.测试步骤

  记录测试温度。在试验开始至结束的测试时间内,系统温度变化不应超过 1℃;排除过滤池中的空气压力。根据滤池的种类,在给水球阀开启的情况下,或打开滤池上方的排气阀,或拧松滤池夹套螺纹,充分排气后关闭排气阀或拧紧滤池夹套螺纹;用带有刻度的 500ml 量筒接取滤过水以测量透过滤膜的水量;全开球阀,测量从球阀全开到接满 100ml和 500ml1水样的所需时间并记录;

  5 分钟后,再次测量收集 100ml 和 500ml 水样的所需时间,10 分钟及 15 分钟后再分别进行同样测量;如果接取 100ml 水样所需的时间超过 60 秒,则意味着约 90%的滤膜面积被堵塞,此时已无需再进行实验;实验结束并打开滤池后,最好将实验后的滤膜保存好,以备以后参考。

  C.计算公式

  SDI = P30 / Tt = 100 × ( 1 - Ti / Tf ) / Tt

  式中:

  SDI——污染密度指数

  P30 ——在 30psi给水压力下的滤膜堵塞百分数

  Tt ——总测试时间,单位为分钟。通常Tt为 15 分钟,但如果在 15 分钟内即有

  75%的滤膜面积被堵塞2,测试时间就需缩短

  Tf ——15 分钟(或更短时间)以后取样所需时间

  Ti ——第一次取样所需时间

  1. 接取 500ml 水样所需时间大约为接取 100ml 水所需时间的 5 倍。如果接取500ml 所需时间远大于 5 倍,则在计算 SDI 时,应采用接取 100ml 所用的时间。

  2. 为了精确测量SDI值,P30应不超过 75%,如果P30超过 75%应重新试验并在较短时间内获取Tf值。

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