论文部分内容阅读
【摘 要】介绍全膜法水处理工艺，与传统水处理工艺相比的各种优势，阐述了目前在高新企业水处理系统中制备超纯水的工艺流程。
【关键词】全膜法；水处理；超滤；反渗透；EDI；抛光床
当前我国工業生产发展迅速，而水资源却不能满足生产发展的需要，水污染状况日益严重。我国每万元产值耗水量为90吨，是发达国家的3～7倍。国家要把工业耗水量年增长率控制在1.1%以内，计划投资44亿元用于节水项目。循环水处理，工业污水、市政污水回用处理，零排放等都是大量减少耗水量的有效方式，随着脱盐工艺中酸碱的使用及排污问题的日益突出，水处理需要效率更高、效果更好、更经济的新技术，”全膜法”水处理工艺就可以解决以上问题。
一、传统水处理工艺及新型“全膜法”工艺
在中国90年代以前，传统的水处理工艺系统流程是：原水预处理→阴阳离子交换器→混合离子交换器→除盐水。这种水处理方式的缺点非常明显：运行人员操作频繁，劳动强度大；对环境的污染大，制水成本高；设备运行小时数多，检修频繁，特别是酸、碱系统；这种水处理方式已经逐渐被淘汰，新建项目已经很少使用（我们也称之为第一代水处理）。
1.1传统预处理工艺
根据原水水质不同，可以分为地下水、地表水或污水，地下水水质较稳定，通常微生物、有机污染物含量很少，浊度和污染指数低，比较洁净，可能含有较高的硬度及硅等元素。地表水往往含有较高的有机物、微生物和藻类，浊度和污染指数较低。但水质在丰水期和枯水期变化较大，受其他污染排放源影响较大，特别是工业污染物和生活污染物。污水则包括生活污水、工业污水及被污染的雨水，在污水中往往含有特定的专项污染物。
传统预处理方法往往可以应对地下水或地表水，但是对于污水的解决方法不多。传统预处理一般都采用多介质+活性碳吸附组成，那么多介质过滤器对有机物去除主要依靠絮凝作用加以捕获，只对呈颗粒状或者胶体状的大分子物质有效。对于呈溶解状态的天然有机物和许多工业有机污染物无效。活性碳吸附可以通过吸附作用，部分去除小分子的有机物。
1.2新型“全膜法”工艺
近几年，新型的水处理技术开始应用，那就是“全膜法”（IMS）的水处理技术，（我们称之为第三代水处理）。它的系统流程为：原水预处理（超滤或微滤）→反渗透→电渗析除盐（简称EDI）→高纯水。
在全膜法工艺中，以超滤、微滤代替砂滤、活性碳过滤，去除水中的悬浮物胶体和有机物，降低浊度、SDI（污染指数）、COD（化学耗氧量）等，可以实现反渗透装置对污水回用的安全、高效运行；以反渗透代替离子交换脱盐，去除水中的溶解盐，进一步去除有机物、胶体、细菌等杂质；以EDI代替混床深度脱盐，利用电而不是酸碱对树脂进行再生，可以彻底避免酸碱，真正实现关键性突破。
1.2.1膜法预处理
膜法预处理为下游的脱盐系统提供可靠的进水水质保证。过滤精度在0.005μm～0.01μm 范围内，可以有效去除水中的微粒、胶体、细菌及高分子有机物等。超滤过程无相转化，具有良好的耐温、耐酸碱和耐氧化性能。超滤膜采用不同的孔径、不同截留分子量的膜材料及工艺设计，可以适应各种不同水质条件及分离功能。
1.2.2反渗透
反渗透简称RO，主要由高压泵和反渗透膜组成。在高压的情况下，除了水分子以外，水中的其它物质，矿物质，有机物，微生物等都被拒于膜外，并被高压水流冲击；渗透到另一面的水，即是安全，卫生，纯净的水。利用反渗透的分离特性可以有效的去除水中的溶解盐，胶体，有机物，细菌等杂质，具有能耗低，无污染，工艺先进，操作简单等优点。同时还可以保证反渗透出水水质满足EDI设备的进水要求；
1.2.3EDI技术
EDI是Electrodeionization的缩写，意思是”电去离子”。其特征是：巧妙地将电渗析技术和离子交换技术相融合，无需酸碱而连续制取高品质纯水，利用电而不是酸碱对树脂进行再生。简单地说，EDI就是一种不耗酸碱而制取纯水的新技术，俗称“电混床”、“填充床电渗析”。EDI具有可连续生产，连续再生，产水品质稳定，运行费用低，操作管理方便，占地面积小等优点，同时无废水和化学污染物排放，有利于节水和环保，也节省了污水处理的投资和运行费用。
EDI的工作原理是通过填充在模堆中的树脂吸附源水中的离子达到脱盐的目的，因为在纯水范围内，盐离子在树脂中的迁移速率比水中高2～3个数量级。通过给模堆两端的电极加直流电使模堆内部产生电位差，使源水中的阳离子向阴极方向的阳离子交换膜移动，阴离子向阳极方向的阴离子交换膜移动，阴、阳离子最终进入浓缩室，树脂的存在加速了离子迁移，改善了膜面的极化现象。随着盐室水的电阻率的升高，电离分解生成H+和OH-，以经常保持脱盐室内的树脂处于再生状态，实现高度、连续脱盐，使得离子迁移，水电解，树脂再生同时发生，这样EDI就能够连续获得高纯水。
正常运行的情况下，EDI系统的出水电导率可以做到在0.057us/cm---0.062us/cm之间，非常接近于纯水电导率的理论值0.055us/cm，它的出水水质要明显好与传统工艺混床的出水水质。并且以EDI设备代替混床深度脱盐，利用电对树脂进行再生，可以彻底避免使用酸碱，真正实现“全膜法”关键性的突破。
二、“全膜法”的优点及应用
2.1“全膜法”的优点
与传统水处理技术相比，“全膜法”水处理技术运用到工程项目上具有以下多种优势，越来越多的高新企业选用了“全膜法”技术制备超纯水：
1）不需要酸碱再生，适应环保的要求；占地面积小（为第二代水处理的1/2～2/3），基建投资省，现场安装工作量小，设备一次费用低；
2）自动化程度高，系统设有高压、低压保护，运行的安全性大大提高；运行人员减少，有利于减人增效；设备的故障率低，设备的维护费用低；运行时水的回收率高，二级反渗透和EDI的浓水可以全部回收利用，一级反渗透的浓水，视情况可以全部或部分回收；出水水质好且稳定； 3）设备调试过程简单，无需繁琐的程序，只要预处理出水SDI<5.0即可开始后续设备的调试；设备从系统调试到出合格的水，所需的时间短；设备调试所需的材料费用极低，不需要大量的酸、碱，更加符合现今的环保要求。
2.2“全膜法”的应用
在我国沿海的江苏、上海以及西南地区的成都，华北地区的北京等地，一些液晶面板，LED，半导体生产企业等的新建厂房开始逐步使用“全膜法”技术来制备超纯水。其中江苏苏州的达亮电子、上海浦东的威宇科技、四川成都的汉能光伏、北京的华延芯光、江苏泰州的纬创电子等等，这些水处理系统出力都可以稳定达到18MΩ（25℃下）
在目前这些高新企业中，超纯水的制备流程一般为：超滤→双极反渗透→EDI→抛光床→超纯水，在超滤前通过添加杀菌剂NACLO来杀灭水中的细菌，并且通过加入NAHSO3，安装ORP在线仪表，时刻防止膜被氧化；在水中添加阻垢剂，防止钙、镁等难溶盐在反渗透浓水侧结垢。针对进水水质较差的条件，我们可以选用抗污染的、高脱盐率的低压复合膜，這种膜的五年脱盐率在97%以上是完全可以保证的。假设一级反渗透进水浊度为5000us/cm，按照97%的脱盐率计算，其出水的浊度=5000*（1-0.97）=150us/cm，二级反渗透的脱盐率也按照97%计算，其出水的浊度=150*（1-0.97）=4.5us/cm〈5.0us/cm，符合EDI对进水的水质的基本要求。所以，当原水的浊度<4000us/cm时（考虑到保险系数），“全膜法”完全可以适合。
抛光床设备可以去除上一级处理产生的中间产物，并且将水中浓度极低的残留离子去除，保证出水的电阻率大于18.2MΩ（25℃下）。抛光床也是混床的一种，也被称为是精炼混床。不同之处在于抛光床是无需再生，定期更换（一般为一年更换一次），且抛光床树脂经过特殊的设计和制造，使其TOC和微粒的释放量比普通树脂大大降低，从而保证了超纯水的水质。
三、结论
利用超滤，反渗透，EDI等膜组件集成的”全膜法”工艺，构成了无需酸碱的除盐系统，其专为中水回用，污水废水处理超滤膜作为预处理，以实现反渗透装置对污水回用的高效、安全运行，使用高脱盐率的反渗透膜处理，以实现反渗透产水满足EDI的进水标准。EDI膜组件的模块化设计，可以方便的组合成任意产水规模，彻底避免使用酸碱，缩小占地空间，适用于各种用途的除盐系统。虽然设备初期投入较多，但是综合考虑到后续运行期间节约的各种费用来看，“全膜法”作为全新的水处理技术有着广泛的应用领域，能够取得良好的经济效益和环境效益，应用“全膜法”技术是水处理行业中不可避免的发展趋势。
【关键词】全膜法；水处理；超滤；反渗透；EDI；抛光床
当前我国工業生产发展迅速，而水资源却不能满足生产发展的需要，水污染状况日益严重。我国每万元产值耗水量为90吨，是发达国家的3～7倍。国家要把工业耗水量年增长率控制在1.1%以内，计划投资44亿元用于节水项目。循环水处理，工业污水、市政污水回用处理，零排放等都是大量减少耗水量的有效方式，随着脱盐工艺中酸碱的使用及排污问题的日益突出，水处理需要效率更高、效果更好、更经济的新技术，”全膜法”水处理工艺就可以解决以上问题。
一、传统水处理工艺及新型“全膜法”工艺
在中国90年代以前，传统的水处理工艺系统流程是：原水预处理→阴阳离子交换器→混合离子交换器→除盐水。这种水处理方式的缺点非常明显：运行人员操作频繁，劳动强度大；对环境的污染大，制水成本高；设备运行小时数多，检修频繁，特别是酸、碱系统；这种水处理方式已经逐渐被淘汰，新建项目已经很少使用（我们也称之为第一代水处理）。
1.1传统预处理工艺
根据原水水质不同，可以分为地下水、地表水或污水，地下水水质较稳定，通常微生物、有机污染物含量很少，浊度和污染指数低，比较洁净，可能含有较高的硬度及硅等元素。地表水往往含有较高的有机物、微生物和藻类，浊度和污染指数较低。但水质在丰水期和枯水期变化较大，受其他污染排放源影响较大，特别是工业污染物和生活污染物。污水则包括生活污水、工业污水及被污染的雨水，在污水中往往含有特定的专项污染物。
传统预处理方法往往可以应对地下水或地表水，但是对于污水的解决方法不多。传统预处理一般都采用多介质+活性碳吸附组成，那么多介质过滤器对有机物去除主要依靠絮凝作用加以捕获，只对呈颗粒状或者胶体状的大分子物质有效。对于呈溶解状态的天然有机物和许多工业有机污染物无效。活性碳吸附可以通过吸附作用，部分去除小分子的有机物。
1.2新型“全膜法”工艺
近几年，新型的水处理技术开始应用，那就是“全膜法”（IMS）的水处理技术，（我们称之为第三代水处理）。它的系统流程为：原水预处理（超滤或微滤）→反渗透→电渗析除盐（简称EDI）→高纯水。
在全膜法工艺中，以超滤、微滤代替砂滤、活性碳过滤，去除水中的悬浮物胶体和有机物，降低浊度、SDI（污染指数）、COD（化学耗氧量）等，可以实现反渗透装置对污水回用的安全、高效运行；以反渗透代替离子交换脱盐，去除水中的溶解盐，进一步去除有机物、胶体、细菌等杂质；以EDI代替混床深度脱盐，利用电而不是酸碱对树脂进行再生，可以彻底避免酸碱，真正实现关键性突破。
1.2.1膜法预处理
膜法预处理为下游的脱盐系统提供可靠的进水水质保证。过滤精度在0.005μm～0.01μm 范围内，可以有效去除水中的微粒、胶体、细菌及高分子有机物等。超滤过程无相转化，具有良好的耐温、耐酸碱和耐氧化性能。超滤膜采用不同的孔径、不同截留分子量的膜材料及工艺设计，可以适应各种不同水质条件及分离功能。
1.2.2反渗透
反渗透简称RO，主要由高压泵和反渗透膜组成。在高压的情况下，除了水分子以外，水中的其它物质，矿物质，有机物，微生物等都被拒于膜外，并被高压水流冲击；渗透到另一面的水，即是安全，卫生，纯净的水。利用反渗透的分离特性可以有效的去除水中的溶解盐，胶体，有机物，细菌等杂质，具有能耗低，无污染，工艺先进，操作简单等优点。同时还可以保证反渗透出水水质满足EDI设备的进水要求；
1.2.3EDI技术
EDI是Electrodeionization的缩写，意思是”电去离子”。其特征是：巧妙地将电渗析技术和离子交换技术相融合，无需酸碱而连续制取高品质纯水，利用电而不是酸碱对树脂进行再生。简单地说，EDI就是一种不耗酸碱而制取纯水的新技术，俗称“电混床”、“填充床电渗析”。EDI具有可连续生产，连续再生，产水品质稳定，运行费用低，操作管理方便，占地面积小等优点，同时无废水和化学污染物排放，有利于节水和环保，也节省了污水处理的投资和运行费用。
EDI的工作原理是通过填充在模堆中的树脂吸附源水中的离子达到脱盐的目的，因为在纯水范围内，盐离子在树脂中的迁移速率比水中高2～3个数量级。通过给模堆两端的电极加直流电使模堆内部产生电位差，使源水中的阳离子向阴极方向的阳离子交换膜移动，阴离子向阳极方向的阴离子交换膜移动，阴、阳离子最终进入浓缩室，树脂的存在加速了离子迁移，改善了膜面的极化现象。随着盐室水的电阻率的升高，电离分解生成H+和OH-，以经常保持脱盐室内的树脂处于再生状态，实现高度、连续脱盐，使得离子迁移，水电解，树脂再生同时发生，这样EDI就能够连续获得高纯水。
正常运行的情况下，EDI系统的出水电导率可以做到在0.057us/cm---0.062us/cm之间，非常接近于纯水电导率的理论值0.055us/cm，它的出水水质要明显好与传统工艺混床的出水水质。并且以EDI设备代替混床深度脱盐，利用电对树脂进行再生，可以彻底避免使用酸碱，真正实现“全膜法”关键性的突破。
二、“全膜法”的优点及应用
2.1“全膜法”的优点
与传统水处理技术相比，“全膜法”水处理技术运用到工程项目上具有以下多种优势，越来越多的高新企业选用了“全膜法”技术制备超纯水：
1）不需要酸碱再生，适应环保的要求；占地面积小（为第二代水处理的1/2～2/3），基建投资省，现场安装工作量小，设备一次费用低；
2）自动化程度高，系统设有高压、低压保护，运行的安全性大大提高；运行人员减少，有利于减人增效；设备的故障率低，设备的维护费用低；运行时水的回收率高，二级反渗透和EDI的浓水可以全部回收利用，一级反渗透的浓水，视情况可以全部或部分回收；出水水质好且稳定； 3）设备调试过程简单，无需繁琐的程序，只要预处理出水SDI<5.0即可开始后续设备的调试；设备从系统调试到出合格的水，所需的时间短；设备调试所需的材料费用极低，不需要大量的酸、碱，更加符合现今的环保要求。
2.2“全膜法”的应用
在我国沿海的江苏、上海以及西南地区的成都，华北地区的北京等地，一些液晶面板，LED，半导体生产企业等的新建厂房开始逐步使用“全膜法”技术来制备超纯水。其中江苏苏州的达亮电子、上海浦东的威宇科技、四川成都的汉能光伏、北京的华延芯光、江苏泰州的纬创电子等等，这些水处理系统出力都可以稳定达到18MΩ（25℃下）
在目前这些高新企业中，超纯水的制备流程一般为：超滤→双极反渗透→EDI→抛光床→超纯水，在超滤前通过添加杀菌剂NACLO来杀灭水中的细菌，并且通过加入NAHSO3，安装ORP在线仪表，时刻防止膜被氧化；在水中添加阻垢剂，防止钙、镁等难溶盐在反渗透浓水侧结垢。针对进水水质较差的条件，我们可以选用抗污染的、高脱盐率的低压复合膜，這种膜的五年脱盐率在97%以上是完全可以保证的。假设一级反渗透进水浊度为5000us/cm，按照97%的脱盐率计算，其出水的浊度=5000*（1-0.97）=150us/cm，二级反渗透的脱盐率也按照97%计算，其出水的浊度=150*（1-0.97）=4.5us/cm〈5.0us/cm，符合EDI对进水的水质的基本要求。所以，当原水的浊度<4000us/cm时（考虑到保险系数），“全膜法”完全可以适合。
抛光床设备可以去除上一级处理产生的中间产物，并且将水中浓度极低的残留离子去除，保证出水的电阻率大于18.2MΩ（25℃下）。抛光床也是混床的一种，也被称为是精炼混床。不同之处在于抛光床是无需再生，定期更换（一般为一年更换一次），且抛光床树脂经过特殊的设计和制造，使其TOC和微粒的释放量比普通树脂大大降低，从而保证了超纯水的水质。
三、结论
利用超滤，反渗透，EDI等膜组件集成的”全膜法”工艺，构成了无需酸碱的除盐系统，其专为中水回用，污水废水处理超滤膜作为预处理，以实现反渗透装置对污水回用的高效、安全运行，使用高脱盐率的反渗透膜处理，以实现反渗透产水满足EDI的进水标准。EDI膜组件的模块化设计，可以方便的组合成任意产水规模，彻底避免使用酸碱，缩小占地空间，适用于各种用途的除盐系统。虽然设备初期投入较多，但是综合考虑到后续运行期间节约的各种费用来看，“全膜法”作为全新的水处理技术有着广泛的应用领域，能够取得良好的经济效益和环境效益，应用“全膜法”技术是水处理行业中不可避免的发展趋势。