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超纯水设备方案设计指南 第二章 工艺及技术（四）加药、精滤工艺

目录

2.2.6：加药工艺（氧化剂/灭菌剂、还原剂、阻垢剂、pH调节）

2.2.7：精密过滤器/保安过滤器

2.2.6：加药工艺

在纯水制备过程当中，为了确保系统的稳定运行，我们经常需要通过额外添加化学药剂的方法来减少系统稳定运行的风险。其中比较常见添加药剂有氧化剂/灭菌剂、还原剂、阻垢剂、酸/碱（pH调节）等，其一般通过相应的加药装置跟主系统联通，按照一定比例跟原水混合反应以达到相应的处理效果。

加药装置：一般由溶液箱和加药计量泵（气动隔膜泵）及相关管道配件组成。选择合适大小的溶液箱然后预配置好相应浓度的溶液，设定好相应的投加速率即可。

氧化剂/灭菌剂

氧化剂属于作用原理分类，灭菌剂属于作用结果分类，两者在水处理过程中存在大量交叉，但是又不完全等同。大部分氧化剂都作为灭菌剂使用，大部分的灭菌剂都是采用氧化灭菌原理。

氧化剂

水处理过程中的氧化剂主要有以下三类，

①在接受电子后还原变成带负电荷离子的中性原子，如O2、Cl2、O3等。

②带正电荷的原子，接受电子后还原成带负电荷的离子，比如在碱性条件下，漂白粉、次氯酸钠等药剂中的次氯酸根ClO-中的Cl+和二氧化氯中的Cl4+接受电子还原成CI-。

③带高价正电荷的原子在接受电子后还原成带低价正电荷的原子，例如三氯化铁中的Fe3+和高锰酸钾中的Mn7+在接受电子后还原成Fe2+和Mn2+。

其中①和②多用于系统杀菌，主要针对系统有机微生物。③则一般用在预处理阶段的化学离子氧化，例如将Fe2+和Mn2+氧化成难溶性Fe3+和MnO2，以达到去除的目的。

备注：当①和②类物质的主要目的为氧化杀菌时，需要同时考虑上述Fe2+等还原性物质的存在，此类还原性物质也会消耗相应的药剂使用量，导致达不到预期的杀菌效果。

灭菌剂

水处理过程中的灭菌剂可分为氧化型和非氧化型两类，

①氧化型灭菌剂

主要由过氧化物、含氯化合物、含溴化合物等具有氧化性的化合物组成。这些化合物普遍具有杀菌灭藻速度快、杀生效果的广谱性高、处理费用低、对环境污染相对影响较小、微生物不易产生抗药性的优点。不足之处是受到水中的有机物和具有还原性物质的影响较大，药剂时间短，受水中的pH值影响也较大。

卤族元素氯、溴和碘都是性能良好的氧化性杀菌剂。氯来源广，价格低廉，使用方便，杀菌效果良好，可以和许多水质处理药剂一起使用而互不干扰或干扰很小，对环境污染小，广泛地用作工业和民用用水的微生物的杀菌剂。

氯的杀菌作用是氯在水中生成分子状态的次氯酸，次氯酸分子能穿透微生物的细胞膜与蛋白质生成稳定的N-Cl键，使呼吸作用所必需的还原酶减弱或失去活性，较高浓度时会破坏细胞壁。添加到水中的氯以次氯酸的形式存在的比例越高，杀菌效果越好。

备注：氧化型杀菌剂的投加点应在系统进水处，连续投加，加药量需加以控制，在膜系统中使用氧化型杀菌剂需要在进入RO前进行还原处理，防止RO膜氧化失效。

②非氧化型杀菌剂

非氧化型杀菌剂根据其种类不同，杀菌机理也有所不同，但均是以致毒剂的方式作用于微生物某一特殊部位，从而破坏微生物的细胞或者生命部位达到杀菌目的。因而，它不受水中还原物质的影响。非氧化性杀菌灭藻剂的杀生作用有一定的持久性，对沉积物或黏泥有渗透、剥离作用，受硫化氢、氨等还原物质的影响较小，受水中pH值影响较小。

非氧化性杀菌剂加药方式多样，可进行连续在线投加，也可进行在线冲击投加或系统清洗时使用。

还原剂

水处理过程中的还原剂也主要分为三类，

①在给出电子后被氧化成带正电荷的中性原子，例如铁屑、锌粉等。

②带负电荷的原子在给出电子后被氧化成带正电荷的原子，例如硼氢化钠中的硼元素为负5价，在碱性条件下可以将汞离子还原成金属汞，同时自身被氧化成正三价。

③金属或非金属的带正电的原子，在给出电子后被氧化成带有更高正电荷的原子。例如硫酸亚铁、氯化亚铁中的二价铁离子Fe2+在给出一个电子后被氧化成三价铁离子Fe3+；二氧化硫SO2和亚硫酸盐SO3（2-）中的四价硫在给出两个电子后，被氧化成六价硫，形成SO4（2-）。

在纯水制备过程中，氧化性物质存在对反渗透RO膜损害的潜在风险，常见聚酰胺复合膜对进水的余氯要求为＜0.05/0.1ppm。如果进水水质状况较好，我们一般通过活性炭吸附即可达到相应效果，当水质状况较差（氧化性物质较多）时，则需要增加还原剂加药装置以达到更好的氧化物质去除的目的。

较常见的余氯还原剂就是亚硫酸钠（SBS），其基本的作用原理如下，

2NaHSO3 + 2HClO→H2SO4 + 2HCl + Na2SO4

简单计算，大约1.47ppmSBS（或0.70ppm偏亚硫酸钠）能够还原1.0ppm余氯，实际操作中一般适当增加比例为1.8-3.0ppm。实际的投加量根据原水的余氯浓度乘相应的质量比，计算好即可。

SBS对臭氧的作用原理类似，相应质量比约2.2/1.0。

备注：纯水制备过程中的药剂添加切忌过量，然后过量添加都可能成为新的污染源，导致系统风险。过量添加SBS可能成为微生物营养源，增加微生物污染风险。

阻垢剂（分散剂）

阻垢剂不仅能能阻止难溶盐结晶、结垢、沉淀形成，还能分散难溶盐、金属氧化物、氢氧化物、硅酸聚合物、胶体物质、生物污染物的化学物质。大多数阻垢剂是一些专用有机合成聚合物（比如聚丙烯酸、羧酸、聚马来酸、有机金属磷酸盐、聚膦酸盐、膦酸盐、阴离子聚合物）等，这些聚合物的分子量在2000－10000道尔顿不等。

阻垢原理

无机垢的形成过程可分为下面3个步骤：

①形成过饱和溶液；

②生成晶核；

③晶核成长，形成晶体；

这3个步骤中有一个遭到破坏，结垢过程即被减缓或抑制。阻垢剂的作用就是有效阻止这些步骤中的一个或几个，以达到阻垢目的。阻垢剂千扰晶体生长的机理有如下几种说法

1、螯合增溶作用

螯合增溶作用是指阻垢剂与水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等高价金属离子络合成稳定的水溶性螯合物，使水中游离态钙、镁离子的浓度相应降低，这样就好像使CaCO3等物质的溶解度增大了，本来会析出溶液的CaCO3等物质实际上没有形成沉淀。

阈限效应阻垢是指只需向溶液中加入少量的阻垢剂，就能稳定溶液中大量的结垢离子，它们之间不存在严格的化学计量关系，当阻垢剂的量增至过大时，其稳定阻垢作用并无明显改进。

2、晶格畸变作用

晶体正常形成的过程是微粒子（离子、原子或分子）根据特定的晶格方式进行十分有规则的排列，从而形成外形规则、熔点固定、致密坚固的物质结构。所谓晶体畸变是指在晶体生长的过程中，常常会由于晶体外界的一些原因，而使得晶体存在空位、错位等缺陷或形成镶嵌构造等畸变，其结果使同一晶体的各个晶面发育不等。晶体中这种局部组分的差异会导致晶体内部的应力，晶体本身与镶嵌物质脱胀系数的不同也会导致应力。这些应力使晶体不稳定。当环境发生某些变化时，大晶体便会碎裂成小晶体。

阻垢剂分子由于吸附在位于晶体活性生长点的晶格点阵上，使晶体不能按照晶格排列正常生长，使晶体发生畸变，使晶体的内部应力增大导致晶体破裂，从而防止微晶沉积成垢，达到阻垢目的。

3、吸附与分散作用

阻垢分散剂属于阴离子有机化合物，可因物理化学吸附作用而吸附于胶体颗粒及微晶粒子上，在颗粒表面形成新的双电层，改变颗粒表面原来的电荷状况。于是，因同性电荷相排斥而使它们稳定地分散在水体中。

阻垢剂的合理添加阻止了反渗透RO系统中进水和浓水的难溶盐结垢生长，提高了系统的极限回收率上限，降低了系统稳定运行结垢风险。

阻垢剂/分散剂注入系统的设计应该保证在进入RO系统之前得到充分混合。大多数系统的加药点设在RO进水保安过滤器之前，通过在过滤器中的缓冲时间及RO高压泵的搅拌作用来促进混合。如果系统采用加酸调节pH，推荐加酸点要在上游足够远的地方，在到达阻垢剂/分散剂注入点之前已经完全混合均匀。

阻垢剂/分散剂的加药泵要调到较高的运行频率，建议的频率是最少5秒钟一次。阻垢剂/分散剂的典型添加量为2－6ppm，一般采用3ppm投加量。可以根据现场实际情况，对药剂进行稀释。稀释了的阻垢剂/分散剂在储槽中会被生物污染，所以稀释液的保留时间应在7－10天左右。正常情况下，未经稀释的阻垢剂/分散剂不会受到生物污染。

pH调节（酸碱调节）

纯水制备过程中的pH调节概念非常宽泛，如果有需要就需要添加。其一般的使用点有以下这些，

①原水进水酸碱偏差，需要pH调节方便混凝沉淀，除碳塔脱气等工艺更好运行。

②原水整体水质维持在中性-弱碱性状态，有利于一级反渗透良好运行，提高回收率。

③多级反渗透装置中，前段出水在进入后段装置前，需要调节pH至弱碱性。RO膜在pH值7.5-7.8时脱盐率最高。当一级RO装置的产水（pH≈6）直接进入二级RO装置时，脱盐率降低，产水量降低。所以需要二级RO进水之前调节pH到弱碱性。

一个简单的计算案例：

现有系统二级进水（一级出水）， pH=5.54，进水量为24.9t/h。

配有相应的加药溶液箱，pH=11，药剂为氢氧化钠。

计算出相应的药剂投加量，以达到pH=7.3的目标。

计算过程：根据各部分pH值，计算除相应的H+/OH-离子浓度，计算出需要的投加量即可。

pH=5.54，H离子浓度=2.884*10-6 OH离子浓度=3.467*10-9mol/L

pH=7.3，H离子浓度=5.01*10-8 OH离子浓度=1.996*10-6

pH=11，H离子浓度=1.0*10-11 OH离子浓度=1.0*10-3

3.467*10-9*24.9+1.0*10-3*X=1.996*10-6*（X+24.9）

所以X≈4.97*10（-2）T/H≈49.7KG/H≈13.81g/s，相应浓度的氢氧化钠溶液投加速率约为13.81ml/s。

④适当提高pH还有利于系统对TOC的去除，提高二氧化硅的溶解度和脱除率。可参考难溶盐结垢文章。

混凝加药：略

2.2.7：精密过滤器/保安过滤器

精密过滤器常作为纯水设备预处理部分最后一道装置（超滤作预处理除外），起保护系统核心处理设备稳定运行作用时，俗称保安过滤器。过滤精度在0.1-50μm级别的过滤器都可以称为精密过滤器，保安过滤器常采用5μm级别过滤精度。保安过滤器滤芯常选用pp熔喷滤芯、袋式过滤袋、微孔膜滤芯等。

袋式过滤器：过滤机内部由金属网篮支撑滤袋。袋式过滤器较一般的精密过滤器最大的特点就是有效过滤面积大，适合大流量系统。工作原理:物料从袋式过滤器进口流入滤袋，大于滤袋过滤孔径的被拦截在滤袋内表面或者中间。净化的液体从内向外透过滤袋在袋式过滤器出口流出。

袋式过滤器有以下几类：单袋过滤器、多袋过滤器，摇臂袋式过滤器、高精度袋式过滤器等，精度范围为0.5-200μm，精度可以通过滤袋孔径调节，可以作为精滤或者粗滤，纯水制备预处理时一般选择精度为5μm。

PP熔喷滤芯过滤器：PP滤芯也叫做PP熔喷滤芯，熔喷过滤芯由聚丙烯超细纤维热熔缠结制成，纤维在空间随机形成三维微孔结构，维孔孔径沿滤液流向呈梯度分布，集表面、深层、精精过滤于一体，可截留不同粒径的杂质。滤芯精度范围0.5－100μm，作为预处理常选用5μm精度。

备注：还有一款常用的滤芯过滤器为折叠式滤芯过滤器，常用在EDI装置的保护和作为超纯水的终端出水过滤。折叠式滤芯采用聚丙烯(Polypropylene)热喷纤维膜，尼龙(Nylonb)聚四氟乙烯(PTEE)微孔滤膜等为过滤介质制作成的精密过滤器件，具有体积小，过滤面积大，精度高等优点。过滤精度范围可从0.1μm至60μm。作为EDI装置的保护和超纯水终端出水过滤多采用0.45/1.0μm和0.1/0.22μm。