当前世界环境

介绍

由于膜技术的最新发展，海水淡化行业的趋势是使用反渗透(RO)来淡化海水。随着地下水盐度的增加，利用膜技术淡化咸水(BW)的规模也在扩大。选择合适的工艺以满足特定地点的特定需求是至关重要的，但由于该地区海水和微咸水的特性，最大的挑战仍然是这些工厂一旦安装后能否成功运行。¹特别是膜过滤和反渗透（RO）特别适用于各种领域，例如化学，医疗，纺织品，石化，电化学，水处理，生物技术和环境行业。²

膜污染和结垢是膜工艺中最严重的问题。在海水/微咸水应用中，反渗透进水的预处理是避免膜污染和结垢的装置设计的关键步骤。¹目前，预处理技术分为常规预处理和非常规预处理。常规反渗透预处理已广泛应用于海水和地下水反渗透装置，以达到反渗透膜的给水质量预期。但随着原料水的恶化和对效率较低的传统系统的考虑，越来越多的工厂业主开始考虑使用膜基预处理。^3.

在不同浓度水平的表面和地面中发现铁，通常高达3-4 mg / L，在某些情况下高达15mg / L.⁴Sharma;等al。，发现，当存在时，即使在低浓度下，也可以与美学和操作问题相连，例如味道和颜色，染色，在水分配系统中沉积，导致高浊度的发生率。⁵此外，铁还会促进供水系统中某些耐氯微生物的生长，从而导致除异味和口感问题外，清洗和消毒系统的成本增加。饮用水铁浓度的最高允许限值为0.2 mg/l。⁶

膜的化学清洗是指用化学试剂去除膜中的杂质。化学清洗的第一步是寻找合适的材料作为清洗剂。这取决于饲料成分和膜表面的沉淀层，在大多数情况下采用试错法。⁷清洁剂必须能够溶解大部分沉淀的材料并从膜表面中除去没有表面损伤。⁸

Filltec公司成立于1977年，推出了Filmtec FT30反渗透膜，其是第一款用于薄脆水处理的商业上可行的薄膜复合聚酰胺膜。Filltec公司于1985年由Dow Chemical Company购买，这一举措是陶氏销售和营销实力和具有Filmtec膜研究，制造和技术服务资源的聚合物和膜研究的专业知识。⁹本文对常规介质过滤在运行过程中的性能结果和运行成本进行评价比较，是选择可行的预处理方法的重要决策依据之一。

原水特征

来自两口井的原水总溶解固体约为2克/升，主要是氯化物和钠离子。盐度的增加仅代表溶解的盐。铁和锰经常同时存在于地下水中，但锰的浓度通常比铁低得多。铁和锰在饮用水供应中都很明显。饮用水铁浓度的最高允许限值为0.2 mg/l。⁶给水温度几乎在所有季节都在20 - 42°C之间变化。表1给出了用Perkine Elmer火焰AAS 3110原子吸收光谱仪分析原水的方法。

ro植物特征

给水泵采用两种规格:不锈钢304,20米^3./h - 5 bar max, kw 5.5, IP 55, f级给水泵之后是双介质过滤容器。该容器由玻璃纤维增强聚酯树脂构建，用于特定尺寸(直径13英寸(330毫米)和高度54英寸(1372毫米)的标准水处理使用，最大操作压力150psi (10.34 bar)，最大操作温度120^oF (48^oC)，以升为单位的床容量是105，这个容器的顶部开口是2½英寸。双介质过滤容器有两层过滤介质-典型的设计包括无烟煤，¹⁰具有有效粒径:0.6-0.8 mm，砂质¹¹，0.45-0.55毫米，和/或砾石，2.0-3.0 mm，表2。

作为介质过滤器的容器由一个简单的机械设计的自动头部调节控制器控制，两个阀体设计，一个用于下流再生，一个用于上流再生。头控制器可选择7或12天时间时钟或要求再生与机械或电子表。持续流速高达20gpm，再生时间可达120分钟，安装底座2½英寸。

具有规格的高压泵：不锈钢304,20米^3./ H-17 Bar Max，K W15，IP 55，HP 20和F类，将预处理的水供应到RO植物的三个膜压力容器（外壳）。每个壳体含有一个螺旋缠绕聚酰胺膜（FilmTec BW30-4040），表3.膜标称活性表面积为7.6米²;其渗透流量为9.1米^3./d，最低排盐率为99.5%。采用两台流量计测量反渗透装置的进出水量。最后，通过电气控制面板对RO装置进行控制。

预处理的方法

细粒度的媒体过滤

直接过滤，使用单体，双培养基或混合介质过滤是最常见的技术，用于在RO系统之前过滤海水。过滤主要取决于复杂物理和化学机制的组合，最重要的是吸附。随着水通过过滤床，悬浮颗粒接触并吸附到各个介质颗粒的表面上或以前沉积的材料。¹³为了达到滤液的预期质量，悬浮固体和过滤介质的尺寸，表面电荷和几何形状是最重要的参数，需要精心设计。

美国陆军海水淡化技术手册(WDTM)¹⁴给出了单一，双和混合媒体过滤的以下设计参数：

1.单一媒体过滤。单介质过滤由一种介质组成。这种介质通常是小颗粒的硅砂;然而，在石灰和石灰苏打软化后，可以使用无烟煤。一些海水淡化预处理系统使用替代介质如绿砂来去除铁和锰化合物。硅藻土介质由于水头损失大、运行时间短的特点，不推荐用于一次过滤。
2.双重介质过滤。双介质过滤由两种比重不同的介质组成。这种差异创造了两层分离效果:一层使用硅石砂或绿砂;或者在另一层使用无烟煤。使用双介质可以过滤大量的物料，减少操作过程中的水头损失。使用两种介质类型将为脱盐设施提供一个良好的从粗到细的过滤过程。
3.混合介质过滤。当在过滤器中使用三个介质时，可以获得更好的粗到细过滤图案。高密度硅砂，石榴石和无烟煤通常用于提供过滤床。不同的媒体不会完全分层。相反，不同层之间存在少量混合。介质尺寸的这种逐渐变化提供从粗糙到精细的梯度，并产生实现非常低的淤泥密度指数所必需的介质流动模式。

在这种情况下，双介质过滤器有两层过滤介质-典型的设计包括无烟煤，砂和/或砾石，表3。过滤层的深度通常是介质大小的函数，它遵循一般的经验法则，即过滤层的深度(l -以毫米为单位)与过滤层的有效大小(d_e-单位毫米)，l/d_e，应该高于1500.例如，如果无烟煤介质的有效尺寸选择为0.6至0.8mm，则无烟煤床的深度应至少（0.6mm×1500 = 900 mm至0.8mm×1500= 1200 mm, i.e., 0.9-1.2 m).¹⁵

与单砂过滤介质相比，具有烟火上的双过滤介质施加悬浮物在悬浮物中的渗透到过滤床中，从而导致更有效的过滤和更长的清洁之间的延长。周期性地，当压力滤光器的入口和出口之间的差压增加是0.3-0.6巴，并且重力过滤器的约1.4m时，过滤器被重新洗涤并冲洗以携带沉积物质。反洗时间通常约为10-120分钟。在被反洗过滤器送回使用之前，必须冲洗到排水，直到滤液符合规格。¹⁶

最后，为了保护Ro膜免受介质过滤的突破颗粒，通常在预处理序列的最后一步中建议盒过滤器。孔径为1至20μm，可基于介质过滤的不同产生的水质。¹⁴在这种情况下，我们使用孔径5μm和长度为20英寸的盒式滤筒过滤器。过滤通过这些过滤器后，浊度从3.87 NTU减少到0.24 NTU。

规模的抑制

尺度抑制剂（抗央气剂）可用于预防或控制缩放。通常存在三种不同类型的抑制剂：六磷酸钠（SHMP），有机膦酸盐和聚丙烯酸盐。根据Filmtec反渗透膜技术手册，¹⁷与聚合物有机尺度抑制剂相比，SHMP价格便宜但不稳定。SHMP的水解不仅会降低规模抑制效率，还会产生磷酸钙缩放风险。因此，通常不建议SHMP。有机膦酸盐比SHMP更有效且稳定。它们充当不溶性铁的反污垢，将它们保持在解决方案中。通常已知聚丙烯酸酯（高分子量）通过分散机构降低二氧化硅垢。所有防担剂的剂量率应基于防担保人制造商。应避免过量，以确保在添加阴离子抑制剂时没有显着量的阳离子聚合物。¹⁸

在这种情况下，通过化学计量泵（5升/ 7bars）来注入防耐载。通过纯化510抗沉降剂的效果，饲料水pH从6.78降至6.52，这是聚合物和膦酸盐的混合物。该抗耐受者专门为具有高二氧化硅的地下水开发的，并且对于钙盐（碳酸盐，硫酸盐和氟化物）的沉淀也是有效的，铁（铁从3.8mg / L降低至3.12 mg /）。l）。

pH值调整

酸度(pH)调节是控制结垢的有效方法。通过添加H⁺作为酸，平衡可以被改变以保持盐的溶解。调节pH值的化学物质包括二氧化碳、硫酸和盐酸。二氧化碳不应用于调节石灰添加系统的pH值，因为与石灰预处理相关的结垢问题。硫酸比盐酸更容易处理，在许多国家更容易获得;然而，额外的硫酸盐被添加到进料流中，可能会导致硫酸盐结垢。¹³

在这种情况下，应该知道pH值总是发生显著变化，最终产出水的pH值必须恢复到中性状态。在研究开始时，使用硫酸。然而，存在膜污染。为了防止这种污染，在接下来的研究中，这种酸被转换成盐酸。从硫酸转换为盐酸后，装置运行良好，未按标准渗透流量(27.3 m)观察污垢^3./ d）和TDS（50 mg / L）。

铁去除策略

铁，通常在地下水中作为二价离子（Fe^２＋)，被认为是膜结垢的来源。本案例研究的主要目标是在通过反渗透膜作为预处理技术前去除地下水中的铁，以避免膜污染。考虑到在膜前投喂防垢剂对沉淀是有效的。它将铁浓度从3.8 mg/l降低到3.12 mg/l，但这一铁水平仍然是膜问题的主要来源。

在这种情况下，已经采用各种处理方法来通过去除铁来提高水质。

氧化过程

已经提出了替代方法，以便于操作并允许在存在或不存在的溶解有机物中除去大量的铁。在这两种情况下，需要pH调节以维持在溶解状态下的铁，以避免膜污垢。根据以下反应，在空气中在空气中氧化铁料：

菲^２＋+ (1/4) o2 + h⁺”!菲^3＋+（1/2）H2 O ...（1）

高锰酸钾和深度过滤

传统的地下水除铁方法包括氧化法和深度过滤法。氧或较强的氧化剂，如高锰酸钾(KMnO₄)，一般用于铁^２＋氧化。氧化的固体产物(FeOOH.H .₂O)，然后通过颗粒层过滤，通常是绿色的沙子。¹⁹使用的高锰酸钾剂量必须仔细控制，以尽量减少任何过量进入供应，从而使水呈粉红色。高锰酸钾氧化倾向于形成胶体沉淀物，这可能不会被过滤器很好地保留。

氯和深度过滤

将讨论耐铁以及适当剂量的氯的熨斗。特别是由氧化颗粒引起的膜污染，深入评估膜表面的可视化。如图1所示，溶解铁的去除效率非常迅速增加，并在20分钟内达到几乎100％，具有适当剂量的氯，2.75mg / L.氯氯2.75mg / L的剂量较高，除去金属离子没有显着增加，但发生了更严重的膜污垢。由于在含有消毒副产物（DBPS）形成的可能性，氯气的使用可以是不可取的。

锰砂

另一种过滤介质是锰绿砂，^20.绿砂(海绿石)是一种钠沸石，用硫酸锰和高锰酸钾处理后形成。锰绿砂通过离子交换过程去除可溶铁，经常释放氢离子。因此，这一过程是依赖于pH值的，在pH值低于6.0时几乎无效，而在pH值高于7.5时非常迅速。当锰绿砂饱和时，用弱高锰酸钾溶液浸泡滤床再生锰绿砂。这个过程氧化锰绿砂表面的铁，从而重新激活交换位点。据报道，交换容量为1.45 g Fe /l的锰绿砂和2.9 g高锰酸钾(作为1%的w/v溶液)每升锰绿砂21。另外，高锰酸钾是通过在过滤器入口投加而连续地投加到床上，从而保持锰绿砂的活性并催化氧化反应。锰绿砂除了催化氧化任何残留的可溶性锰外，还充当过滤介质，通常用一层无烟煤盖住，以实现更长的过滤运行。在氧化能力耗尽后操作床体，会降低床体的使用寿命，并可能造成污渍。

氧化和微滤

除深度过滤被微滤(MF)取代外，该处理方法与传统处理方法相似。这种处理的预期优势是有一个紧凑的分离装置，从广泛的原水质量产生高质量的水。在本研究中，氧化铁悬浮液的MF被去除。^22、23

表1:地下水组成 点击此处查看表格

表2:预处理介质规格 点击此处查看表格

表3:Filmtec BW30-4040规格。 点击此处查看表格

表4:Amberlite IR120Na数据表 点击此处查看表格

图1：熨烫效率60分钟。 在不同的氯剂量。 点击此处查看表格

最后，在某些条件下，在氧化过程中，在氧化过程中存在游离氯和其他氧化剂将导致过早膜衰竭。由于保修不涵盖氧化损坏，因此Filmtec建议在膜暴露之前通过另一种合适的预处理除去残留的自由氯和其他氧化剂。²⁴

离子交换树脂

离子交换树脂可以去除地下水中的许多无机金属离子，包括铁离子。本例中使用了琥珀石IR120Na，强酸性阳离子交换剂，见表4。

离子交换器在由特定尺寸（直径13英寸和54英寸）的标准水去电使用的玻璃纤维增​​强乙烯酯树脂构成的容器中进行，最大工作压力150Psi（10.34杆），最大工作温度150^oF (66^oC)，以升为单位的床容量是105，这个容器的顶部开口是2½英寸。将硬度平均为528 mg/L的总硬度通过带钠离子的强酸阳离子交换树脂，使硬度降至5 mg/L以下。琥珀色IR120Na也能与铁等其他金属离子进行处理，因此总交换容量变小。然后用市售的超粗水软化盐(NaCl)再生树脂。这个过程重复了几次，以证明树脂没有发生不可逆的污垢。

颗粒活性炭

活性炭²⁶由甲状腺，椰子和核桃船体，其他树林和煤等炭状材料制成。活性炭具有最强的物理吸附力或人类已知的任何材料的吸附孔隙率最高。它是一种高度多孔的材料;因此，它具有极高的表面积，用于污染物吸附。²⁷本课题的目的是确定颗粒活性炭(GAC)在去除地下水中的铁的有效性。鉴于颗粒活性炭的这些优点，在本案例研究中，我们使用了单介质过滤器，见表3。GAC介质的深度是根据在该介质中的平均接触时间估计的，建议为10至12分钟。例如，如果过滤器设计为表面负载速率为4 m^3./ m²H，GAC介质的深度应至少0.66米（4米^3./ m²H ×10 min/60 min/ H =0.66 m ~ 4 m^3./ m²H ×12 min/60 min/ H =0.8 m，即0.66 0.8 m)。¹⁵由于以下原因，²⁸采用颗粒活性炭对亚铁进行吸附。

由于环境温度高，吸附质克服了形成多层吸附的范德华力。²⁹室温约为30^o当吸附过程发生时，化学吸附比物理吸附更占优势。相对较高的室温导致金属离子之间形成化学键。此外，在高温条件下，吸附质与活性炭之间也会发生解吸作用。物理吸附在活性炭上的吸附剂从这样的高温中获得足够的能量来克服范德华力。

活性炭对Fe(II)有较强的吸附能力。这可能与吸附质的电负性有关。Fe(II)的电负性为1.8。事实上，电负性是元素吸引电子的强度的量度。在这种情况下，它将测量Fe(II)附着在活性炭表面负电荷的强度。根据以前的文献，^30.更高的电气致病性与GAC上的较高的吸附水平相对应。

有助于金属离子的不同GAC吸附容量的另一个因素是离子半径。Fe（II）的离子半径比其他Fe（II）在电子轨道上具有较高的核心的吸引力。²⁹Fe(II)离子半径越小，越容易渗透到GAC的微孔中。

在活性炭表面上有四个主要官能团，其是羧基，羰基，羟基和膀胱化羧基。³¹促进了所有这四种官能团以吸引阳离子，并发生离子交换。因此，具有阳性电荷的Fe（II）将反应并用化学键合在GAC表面的官能团上反应。然而，在活性炭表面上的金属离子和官能团之间的实际化学反应复杂，难以理解。

在铁的情况下，氧化之后是沉淀和过滤或单独过滤，这取决于水中的铁浓度。在存在浊度(和颜色)以及当Fe(II)浓度大于5 mg/ l时，混凝剂和/或助凝剂将有助于沉降或浮选。当铁浓度小于5 mg/l时，采用直接过滤。³²

治疗策略

后处理¹仅限于注射石灰以增加6.52至8.0至8.0的pH和氯用于消毒。

石灰后治疗

已加入石灰来中和最终产出的水。对于过量的石灰注入，必须将pH提高到大约8。高pH值会产生良好的消毒副产物，因此在注射后可能不需要加氯，只需要小剂量的氯来提供分配系统中的剩余氯。碳化是必要的，以去除多余的石灰和降低处理后的pH值。

消毒

地下水可能含有微生物，例如细菌，藻类，真菌和病毒，这可能导致严重的生物污垢。有各种方法来预防和控制生物污垢，例如添加化学氧化剂（氯，溴，碘或臭氧），紫外线辐射，生物滤光以除去营养物，并加入杀生物剂。由于膜氧化的风险，必须小心地监测氧化剂以使氯良好低于0.1mg / L的游离氯残留物。通过亚硫酸盐复合添加或通过颗粒活化碳，需要在膜上游上游的有时脱氯。¹⁸

世卫组织³³考虑：'已经证明，如果满足以下氯消毒条件，可以从粪便污染的源水域获得无病毒水。

水的浊度为1浊度浊度单位（(NTU)或以下，pH值低于8.0，接触时间至少30分钟;以及，在整个接触期间，所使用的氯剂量足以达到至少0.5 mg/l的游离余氯。

在我们的案例研究中使用次氯酸钠（NaOCl），并通过用剂量1mg / L的化学计量泵（5升/ 7bar）进行次氯酸盐的注射。通常铁应小于0.2mg /升。如果在氯申请点，它们的水平太低，无法证明消毒，剂量必须考虑到他们的需求。

膜清洗

随着长期运行，反渗透元件的结垢是不可避免的。它们可能被生物物质、胶体颗粒、矿物垢和不溶性有机成分污染。在操作过程中，膜表面会积聚沉积物，直到造成标准化渗透流损失(产品流量)和/或标准化盐截除损失[总溶解盐(TDS)]。当标准化渗透液流量下降≥10%，或标准化盐通道增加≥10%，或标准化压差(进料压力减去浓缩压力)较操作前48小时建立的参考条件增加≥15%时，应对元件进行清洗。清洗程序通常由膜制造商给出。¹⁷

在这种情况下，要求的最大工作压力为15.5 bar，最大压降为1 bar，分别增加到16.5和1.5bar，而不增加标准渗透液(流速27.3 m)^3./ d和tds 50 mg / l）。由于膜污垢，观察到常急关闭植物（渗透流量为18.7米^3./d, TDS为580 mg/l)。

在这种情况下，可以使用酸性和碱性清洁剂。酸清洗以除去矿物刻度在pH 2或低于0.2％（w）盐酸中进行。柠檬酸也可以以相同的浓度使用。除去有机污垢的碱性清洁在pH12中完成，通常用0.1％（w）氢氧化钠24,34进行。在解决污垢问题之后，用制造商给出每六个月的第一个选项清洁膜，并且每三个月都更换盒式滤筒。

结论

在我们的案例研究中，地下水中的铁在通过反渗透膜前被去除作为预处理技术，以避免膜污染。采用不同的预处理技术来除铁和保存膜。

本案例研究中应用了许多影响地下水除铁的过程。通过对常规预处理方法与特定预处理方法的性能比较，得出每种应用方法在应用中都有优缺点。颗粒活性炭(GAC)是除铁(浓度小于5 mg/l)最适宜的预处理技术，它具有较高的吸附能力，导致低铁
操作成本。

致谢

作者感谢埃及石油研究所(EPRI) Naglaa Ali教授和Yasser Moustafa教授对本文的帮助和修改。此外，作者希望感谢英国对这项研究的帮助和支持。Mohamed Amer，水工程技术公司(WETCO)总经理，该公司代理雅可比碳素(Jacobi Carbon)、克拉克(Clack)、陶氏(DOW)等各产品。

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