基本知识

超纯水设备方案设计指南 第二章 工艺及技术（一）砂滤、炭滤

目录

2.1：工艺及技术概要

2.2：预处理工艺介绍

2.2.1 混凝沉淀及气浮工艺

2.2.2 机械过滤工艺（石英砂、活性炭、多介质、除铁锰过滤）

2.1：工艺及技术概要

纯水制备技术的发展是现代水处理技术发展中最浓墨重彩的一笔，其主要归功于20世纪30年代以来现代离子交换（树脂）和膜分离技术等核心处理技术和工艺的不断发展。正所谓一个好汉三个帮，只有核心处理工艺的发展是不足以满足当下纯水，特别是超纯水应用领域的广泛要求。

其工艺主要由预处理+核心处理+辅助处理三部分工艺组成，随着当下水处理技术的不断发展，正发生着以下现象，

预处理方面：以超滤/微滤为代表的新型预处理工艺与传统的砂滤、碳滤之间正发生着互相竞争，互相合作的现象。

核心处理方面：随着EDI技术及设备的广泛应用，传统离子交换阴阳床工艺的应用范围越来越少。软化树脂和抛光树脂工艺的应用则依旧坚挺，特种树脂的开发也越来越多样。

辅助处理方面：随着半导体行业对超纯水水质要求的越发严格，脱气膜系统，终端超滤过滤等技术快速发展，逐渐由寡头垄断变为巨头之间的互相竞争（国内技术也有突破）。

2.2：预处理工艺介绍

预处理，顾名思义就是核心处理之前的前置处理，其主要目的就是保证核心处理设备的稳定运行。

预处理的工艺选择通常取决于进水水质及核心处理的进水要求。如果满足了此两项，也就基本达到预处理的目的，再通盘考虑能耗，操作性即可，切忌为了预处理而预处理。

前文简单介绍过预处理的工艺主要由混凝沉淀，气浮，氧化加药，还原加药，阻垢加药，pH调节，温度调节，石英砂过滤，活性炭过滤，多介质过滤，除铁锰过滤，树脂吸附（软化），脱气，精密过滤，超滤等组成。下面我们开始更详细介绍相关工艺及原理，

2.2.1混凝沉淀及气浮工艺

混凝沉淀：原理跟污水处理的物化工艺中混凝沉淀原理是一样的，主要是使用铝盐、铁盐或者聚合铝、聚合铁，以及其他有机高分子混凝剂。通过混凝和絮凝的反应可以使水中的悬浮物及胶体物质形成沉淀或者较大的矾花方便后段工艺拦截，吸附。其具体选用种类及效果还跟原水的各项水质情况相关（温度，pH，离子浓度等）。

备注：混凝沉淀一般针对以江河湖水等悬浮物较多的水质，一旦投加比例过量，会增加铝铁等离子浓度，额外增加后段工序的压力。目前超纯水的制备常采用自来水作为原水，混凝沉淀工艺使用场景较少。

气浮：利用高度分散发的微小气泡黏附悬浮物，上浮至液体表面，方便刮渣等进一步处理，可以实现固液分离或者液液分离。常用在悬浮物较多，或者有微量油脂等情况下。气浮跟混凝沉淀工艺类似，当下使用的情况并不多见。

2.2.2 机械过滤工艺（石英砂、活性炭、多介质、除铁锰过滤）

狭义上的机械过滤器特指多介质过滤器，广义上的机械过滤器包含以筛网，滤料，滤芯等以阻止固体颗粒通过的容器。也就是说我们常见的石英砂、活性炭、多介质、除铁锰、精密过滤（PP熔喷滤芯、袋式筛网）等如果以设备而言都属于机械过滤器。

为了方便表述，我们把精密过滤器单独阐述，再次强调机械过滤只是为了表述方便，并没用非常明确的定义。

石英砂过滤

截留，吸附泥沙，胶体，金属离子以及有机物，使出水浊度<1NTU，SDI≤5。

石英砂过滤器：选用滤料为精制石英砂，在过滤层上部放置较轻粒径较小的石英砂，下部为粒径较大的石英砂，这样可以充分发挥整个滤层的效率、提高截污能力。可通过控制阀进行正反洗，以冲洗掉其表面的污物，防止其堵塞，恢复其过滤能力。

工作原理：通过石英砂的物理过滤作用,将水中的杂质和污染物截留在石英砂层中,使水流经过石英砂层后变得清澈透明，其作用类似于一道过滤网,能够过滤掉水中的大部分杂质和污染物。

运行状态

过滤状态：当系统处于过滤状态时，未经过滤的水通过布水器，以接近平流的状态到达过滤器内的填料层。当水流过填料层时，杂质被截留在填料层内。过滤器底部有过滤集水器，将过滤后的水均匀地收集并流出。平流过滤，决定过滤器可以在高的流速下过滤，仍可达到较好的过滤效果。

反洗状态：随着杂质在填料层中的不断聚积，压头损失将不断增大。当压头损失到达一定的设定限度时（当过滤器进出水压差比刚开始运行时增加了0.07MPa），将系统转换至反洗状态，以清洗聚积起来的杂质，避免石英砂长时间运行而板结成块。反洗时可通入压缩空气，以加强反洗效果。

滤料更换：当出水浊度＞1NTU时，需查找原因，看是否需要更换填料。视情况，在连续运行的条件下，填料一般1-2年左右更换一次。

活性炭过滤

吸附电解质、有机物、微生物，可以去除水中余氯，异色，异味，使出水余氯＜0.1ppm，SDI<5，TOC<2.0ppm。

活性炭过滤器：底部可装填0.15~0.4米高的石英砂吸，作为支持层，石英砂的颗粒可采用20-40毫米，石英砂上可装填1.0-1.5米颗粒状的活性炭作为过滤层。装填厚度一般为1000－2000mm。

工作原理

吸附原理：在活性炭颗粒表面形成一层平衡的表面浓度，再把有机物质杂质吸附到活性炭颗粒内，使用初期的吸附效果很高。但时间一长，活性炭的吸附能力会不同程度地减弱，吸附效果也随之下降。所以，活性炭应定期清洗、再生或更换。

去除余氯原理：活性炭多孔部分的含氧官能团，与水中带有氧化性的次氯酸根发生快速的氧化、还原反应，去除带有氧化性的次氯酸根。

运行状态

过滤状态：当系统处于过滤状态时，未经过滤的水通过布水器，以接近平流的状态到达过滤器内的填料层。当水流过填料层时，杂质被截留在填料层内。过滤器底部有过滤集水器，将过滤后的水均匀地收集并流出。平流过滤，决定过滤器可以在高的流速下过滤，仍可达到较好的过滤效果。

反洗状态：随着杂质在填料层中的不断聚积，压头损失将不断增大。当压头损失到达一定的设定限度时，将系统转换至反洗状态，以清洗聚积起来的杂质。

滤料更换：由于活性炭过滤器的反洗仅能洗掉活性炭表面的污染物，而不可能洗掉吸附在炭粒内孔中的大量污染物。所以当活性炭内孔吸附饱和时，出水游离性余氯≥0.1ppm时，应考虑更换活性炭，建议活性炭更换周期为一年。

多介质过滤

利用两种及以上过滤介质，在一定的压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料，从而有效的除去悬浮杂质使水澄清的过程，常用的滤料有石英砂，无烟煤，锰砂等，主要用于水处理除浊，软化水，纯水的前级预处理等。

多介质过滤器：顶层由最轻和最粗品级的材料组成，而最重和最细品级的材料放在底部。其原理为按深度过滤--水中较大的颗粒在顶层被去除，较小的颗粒在过滤器介质的较深处被去除。从而使水质达到粗过滤后的标准。达到对固体颗粒物，悬浮物，有机物，胶体等进行去除，降低COD和BOD的效果。

工作原理：当原水自上而下通过滤料时，水中悬浮物由于吸附和机械阻流作用被滤层表面截留下来；当水流进滤层中间时，由于滤料层中的砂粒排列的更紧密，使水中微粒有更多的机会与砂粒碰撞，于是水中凝絮物、悬浮物和砂粒表面相互粘附，水中杂质截留在滤料层中，从而得到澄清的水质。

运行状态及填料更换：根据滤料选择的不同，参考或略优于同等材质更换标准即可。一般更换周期也为1-2年。

除铁锰过滤

主要适用于高铁高锰地区的地下水除铁除锰，工业软化水、除盐水设备的预处理。采用了曝气氧化，锰砂催化、吸附、过滤的除铁除锰原理。

除铁锰过滤器：主要由滤料层、氧化还原层、集水管等组成。滤料层主要是由不同的过滤介质组成，如石英砂、活性炭、磁铁矿等。氧化还原层则由复合催化剂和催化剂扩散器组成，用于对铁和锰进行氧化还原反应。集水管则用于收集净化后的水流。是一种通过物理吸附和氧化还原反应对水中铁和锰等杂质物质进行处理的设备，可以快速、高效地完成净化任务。一般单独配备独立曝气氧化装置，俗称曝气塔或者氧化器。

工作原理：利用曝气装置将空气中的氧气溶于水中，进而将水中 Fe2+和 Mn2+氧化成不溶于水的 Fe3+和 MnO2，再结合天然锰砂的催化、吸附、过滤将水中铁锰离子去除。

填料更换：一般更换周期为2-4年。

机械过滤器选型：纯水设备的机械过滤过程属于中速过滤，建议过滤速度为8-20m/h，且尽量保持前后段设备产水量平衡及设备整体性完整。

产水量Q（m3/h）=滤层截面积S（m2）*滤速V（m/h）

当我们采用V=15m/h的标准时，底面积S=Q/15，一般过滤器直径D=2√（Q/15π）

我们就可以根据直径选择相应的过滤器型号，过滤器型号分两种

国标如φ600*2100mm或者对应的美标24*83英寸，1英寸=25.3mm简单换算即可。

滤料填充量计算：中速过滤时，我们一般建议装填0.7-1.0m左右的滤料高度，大概就是罐体高度的1/2-2/3。相应的我们可以计算出大概滤料的使用数量，以单介质装填举例，

填充数量（包）=S*2/3*H*X/G*1000

S：截面积 2/3：填充比例 H：容器高度 X:致密性（砂=1，碳=0.6，树脂=0.8）

以φ600*2100mm罐体举例：

石英砂：S*2/3*H/50*1000=3.14*0.3*0.3*（2/3）*2.1*1/50*1000=7.9≈8（包）

活性炭：S*2/3*H/50*1000=3.14*0.3*0.3*（2/3）*2.1*0.6/25*1000=9.5≈10（包）

同理，如果软化器装填树脂，其使用量计算如下，

软化树脂：S*2/3*H/50*1000=3.14*0.3*0.3*（2/3）*2.1*0.8/20*1000=15.8≈16（包）

市场上的树脂有时候单独以体积L出售，此时只要计算容器需求体积即可，25L树脂重量约等于20KG。