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一般水處理方法及原理
發布時2014-08-05 13:0225
一般水處理方法及原理
常用的水處理方法有:(一)沉淀物過濾法、(二)硬水軟化法、(三)活性炭吸附法、(四)去離子法、(五)逆滲透法、(六)超過濾法、(七)蒸餾法、(八)紫外線消毒法、(九)生物化學法等,現在將這些處理法之原理及功能在此一一說明。
沉淀物過濾法
  沉淀物過濾法的目的是將水源內之懸浮顆粒物質或膠體物質清除乾凈。這些顆粒物質如果沒有清除,會對透析用水其它精密的過濾膜造成破壞或甚至水路的阻塞。這是最古老且最簡單的凈水法,所以這個步驟常用在水純化的初步處理,或有必要時,在管路中也會多加入幾個濾器(filter)以清除體積較大的雜質。濾過懸浮的顆粒物質所使用的濾器種類很多,例如網狀濾器,沙狀濾器(如石英沙等)或膜狀濾器等。只要顆粒大小大於這些孔洞之大小,就會被阻擋下來。對於溶解于水中的離子,就無法阻攔下來。如果濾器太久沒有更換或清洗,堆積在濾器上的顆粒物質會愈來愈多,則水流量及水壓會逐漸減少。人們就是利用入水壓與出水壓差來判斷濾器被阻塞的程度。因此濾器要定時逆沖以排除堆積其上的雜質,同時也要在固定時間內更換濾器。
  沉淀物過濾法還有一個問題值得注意,因為顆粒物質不斷被阻攔而堆積下來,這些物質 面或許有細菌在此繁殖,并釋放毒性物質通過濾器,造成熱原反應,所以要經常更換濾器,原則上進水與出水的壓力落差升高達到原先的五倍時,就需要換掉濾器。
硬水軟化法
  硬水的軟化需使用離子交換法,它的目的是利用陽離子交換樹脂以鈉離子來交換硬水中的鈣與鎂離子,*此來降低水源內之鈣鎂離子的濃度。其軟化的反應式如下:
  Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+1
  Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+1
  式中的EX表示離子交換樹脂,這些離子交換樹脂結合了Ca2+及Mg2+之後,將原本含在其內的Na+離子釋放出來。
  現在市面上出售的離子交換樹脂為球狀的合成有機物高分子電解質。樹脂基質(resin matrix)內藏氯化鈉,在硬水軟化的過程中,鈉離子會逐漸被使用耗盡,則交換樹脂的軟化效果也會逐漸降低,這時需要作還原(regeneration)的工作,也就是每隔固定時間加入特定濃度的鹽水,一般是10%,其反應方式如下:
  Ca-EX2+2Na+ (濃鹽水)→ 2Na-EX+Ca2+
  Mg-EX2+2Na+ (濃鹽水)→ 2Na-EX+Mg2+
  如果水處理的過程中沒有陽離子的軟化,不只是逆滲透膜上會有鈣鎂體的沉積以致降低功效甚至破壞逆滲透膜,同時病人也容易得到硬水癥候群。硬水軟化器也會引起細菌繁殖的問題,所以設備上需要有逆沖的功能,一段時間後就要逆沖一次以防止太多雜質吸附其上。另一個值得注意問題的是高血鈉癥,因為透析用水的軟化與再還原過程是*計時器來控制,正常情況還原作用大多發生在半夜,這是*閥門在控制,如果發生故障,大量鹽水就會涌進水源,進而造成病人的高血鈉癥。
活性炭
  活性炭是由木頭,殘木屑,水果核,椰子殼,煤炭或石油底渣等物質在高溫下乾餾炭化而成,制成後還需以熱空氣或水蒸氣加以活化。它的主要作用是清除氯與氯氨以及其它分子量在60到300道爾頓的溶解性有機物質。活性炭的表面呈顆粒狀,內部是多孔的,孔內有許多約1Onm~lA大小的毛細管,1g的活性炭內部表面積高達700-1400m2,而這些毛細管內表面及顆粒表面就是吸附作用之所在。影響活性炭清除有機物能力的因素有活性炭本身的面積,孔洞大小以及被清除有機物的分子量及其極性(Polarity),它主要*物理的吸附能力來排除雜物,當吸附能力達飽合之後,吸附過多的雜質就會掉落下來污染下游的水質,所以必須定時利用逆沖的方式來清除吸附其上的雜質。
  這種活性炭濾器如果吸附能力明顯下降,必須更新。測定進水及出水的TOC濃度差(或細菌數量差)是考量更換活性炭的依據之一。有些逆滲透膜對氯的耐受性不佳,所以在逆滲透之前要有活性碳的處理,使氯能夠有效的被活性炭吸附,但是活性碳上的孔洞吸附的細菌容易繁殖滋長,同時對於分子較大有機物的清除,活性炭的功效有限,所以必須*逆滲透膜在後面補強。
去離子法
  去離子法的目的是將溶解於水中的無機離子排除,與硬水軟化器一樣,也是利用離子交換樹脂的原理。在這 使用兩種樹脂-陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂利用氫離子(H+)來交換陽離子;而陰離子交換樹脂則利用氫氧根離子(OH-)來交換陰離子,氫離子與氫氧根離子互相結合成中性水,其反應方程式如下:
  M+x+xH-Re→M-M-Rex+xH+1
  A-z+zOH-Re→A-Rez+zOH-1
  上式中的的M+x表陽離子,x表電價數,M+x陽離子與陽離子樹脂上H-Re的氫離子交換,A-z則表陰離子,z表電價數,A-z與陰離子交換樹脂結合後,釋放出OH-離子。H+離子與OH-離子結合後即成中性的水。
  這些樹脂之吸附能力耗盡之後也需要再還原,陽離子交換樹脂需要強酸來還原;相反的,陰離子則需要強鹼來還原。陽離子交換樹脂對各種陽離子的吸附力有所差異,它們的強弱程度及相對關系如下:
  Ba2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>CU2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ag1+>Cs1+>K1+>NH41+>Na1+>H1+
  陰離子交換樹脂與各陰離子的親合力強度如下:
  S02-4+>I->NO3->NO2->Cl->HCO3->OH->F-
  如果陰離子交換樹脂消耗殆盡而沒有還原,則吸附力最弱的氟就會逐漸出現在透析用水中,造成軟骨病,骨質疏松癥及其它骨病變;如果陽離子交換樹脂消耗盡了,氫離子也會出現在透析用水之中,造成水質酸性的增加,所以去離子功能是否有效,需要時常監視。一般是*水質的電阻系數(resistivity)或傳導度(conductivity)來判斷。去離子法所使用的離子交換樹脂同樣也會造成細菌的繁殖引起菌血癥,這是值得注意的一點。
逆滲透法
  逆滲透法可以有效的清除溶解於水中的無機物,有機物,細菌,熱原及其它顆粒等,是透析用水之處理中最重要的一環。要了解"逆滲透"原理之前,要先解釋"滲透(osmosis)的觀念。所謂滲透是指以半透膜隔開兩種不同濃度的溶液,其水中溶質不能透過半透膜,則濃度較低的一方水分子會通過半透膜到達濃度較高的另一方,直到兩側的濃度相等為止。在還沒達到平衡之前,可以在濃度較高的一方逐漸施加壓力,則前述之水分子移動狀態會暫時停止,此時所需的壓力叫作 "滲透壓 (osmotic pressure)",如果施加的力量大於滲透壓時,則水份的移動會反方向而行,也就是從高濃度的一例流向低濃度的一方,這種現象就叫作"逆滲透"。逆滲透的純化效果可以達到離子的層面,對於單價離于(monovalent ions)的排除率(rejection rate)可達90%-98%,而雙價離子(divalent ions)可達95%-99%左右(可以防止分子量大於200道爾敦的物質通過)。
  逆滲透水處理常用的半透膜材質有纖維質膜(cellulosic),芳香族聚醞胺類(aromatic polyamides),polyimide或polyfuranes等,至於它的結構形狀有螺旋型(spiral wound),空心纖維型(hollow fiber)及管狀型(tubular)等。至於這些材質中纖維素膜的優點是耐氯性高,但在鹼性的條件下(pH ≥8.0)或細菌存在的狀況下,使用壽命會縮短。polyamide的缺點是對氯及氯氨之耐受性差。至於采用那一種材質較好,則目前還沒有定論。
  如果逆滲透前沒有作好前置處理則滲透膜上容易有污物堆積,例如鈣,鎂,鐵等離子,造成逆滲透功能的下降;有些膜(如polyamide)容易被氯與氯氨所破壞,因此在逆滲透膜之前要有活性碳及軟化器等前置處理。逆滲透雖然價錢較高,因為一般逆滲透膜的孔徑約在l0A以下,它可以排除細菌,病毒及熱原甚至各種溶解性離子等,所以在準備血液透析析釋用水最好準備這一道步驟。
超過濾法
  超過濾法與逆滲透法類似,也是使用半透膜,但它無法控制離子的清除,因為膜之孔徑較大,約10-200A之間。只能排除細菌,病毒,熱原及顆粒狀物等,對水溶性離子則無法濾過。超過濾法主要的作用是充當逆滲透法的前置處理以防止逆滲透膜被細菌污染。它也可用在水處理的最後步驟以防止上游的水在管路中被細菌污染。一般是利用進水壓與出水壓差來判斷超過濾膜是否有效,與活性碳類似,平時是以逆沖法來清除附著其上的雜質。
蒸餾法
  蒸餾法是古老卻也是有效的水處理法,它可以清除任何不可揮發性的雜質,但是無法排除可揮發性的污染物,它需要很大的儲水槽來存放,這個儲水槽與輸送管卻是造成污染的重要原因,目前血液透析用水不用這種方式來處理。
紫外線消毒法
  紫外線消毒法是目前常使用的方法之一,它的殺菌機理是破壞細菌核酸的生命遺傳物質,使其無法繁殖,其中最重大的反應是核酸分子內的pyrimidine鹽基變成雙合體(dimer)。一般是使用低壓水銀放電燈(殺菌燈)的人工253.7nm波長的紫外線能量。紫外線殺菌燈的原理與日光燈相同,只是燈管內部不涂螢光物質,燈管的材質是采用紫外線穿透率高的石英玻璃。一般紫外線裝置依用途分照射型,浸泡型及流水型。
水處理紫外線殺菌燈
在血液透析稀釋用水所使用的紫外線是安放在儲水槽到透析機器之間的管路上,也就是所有的透析用水在使用之前都要接受一次紫外線的照射,以達到徹底殺菌的效果。對紫外線的感受性最大的是綠膿菌、大腸菌;相反的,耐受性較大的則是枯草菌芽胞體。因為紫外線消毒法安全,經濟,對菌種的選擇性少,水質也不會改變,所以近年已廣泛使用這種方法,例如船上的飲用水就常使用這種消毒法。水中的依哥拉菌、巴斯拉菌、沙門氏菌等等全殺光,能潛入水中心360度殺菌,功效等于水面殺菌燈的三倍。能消除水中祿藻,效果顯著,使用方便,紫外線殺菌燈適用于:各種大小漁場過濾,水處理,大小型水池,游泳場、溫泉。殺菌效率可達99%-99.99%。
  紫外線水處理技術--殺菌
  紫外線殺菌主要是利用254納米波長的紫外線光。此波長的紫外線光,即使是在微量的紫外線投射劑量下,也可以破壞一個細胞的生命核心——DNA,因此阻止細胞再生,喪失再生能力使細菌變得無害,從而達到滅菌的效果。象所有其它紫外線應用技術一樣,這種系統的規模取決于紫外線的強度(照射器的強度和功率)和接觸時間(水、液體、或空氣暴露在紫外線下的時間長短)。
  紫外線水處理技術--消除臭氧
  在工業生產中,臭氧常被用于消毒和凈化水體。但是,由于臭氧有極強的氧化能力,水中剩余的臭氧如果不被去除會有可能對下一流程有所影響,因此,通常臭氧處理過的水在進入主要的工藝流程之前必須將水中剩余臭氧去除掉。254納米波長的紫外線對于破壞剩余臭氧非常有效,它可以把臭氧分解成氧氣。盡管不同的系統所需要的規模不同,但通常來講,一個典型的臭氧消除系統所需的紫外線放射量是一個傳統的滅菌消毒系統的三倍左右。
  紫外線水處理技術--降低總有機碳量
  在很多高技術和實驗室裝置中,有機物會妨礙高純度水的生產。有很多方法可以把有機物從水中清除掉,較常用的方法包括使用活性炭和反滲透。波長較短的紫外線(185納米)也可以有效地降低總有機碳量。波長較短的紫外線具有更多的能量,因此能夠分解有機物。紫外線氧化有機的反應過程雖然非常復雜,紫外線水處理技術其主要原理是通過產生氧化能力很強的自由氫氧,將有機物氧化成水和二氧化碳。和臭氧清除系統一樣,這種降解有機碳的紫外線系統的紫外線放射量是傳統消毒系統的三到四倍。
  紫外線水處理技術--降解余氯
  
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在市政水處理和供水系統, 加氯消毒是非常必要的。但在工業生產過程中,為了避免對產品產生不良影響,去除水中的余氯卻經常是必要的前處理。消除余氯的基本方法有活性炭床和化學處理。活性碳水處理的缺點在于它需要不斷再生,而且經常遇到細菌滋生的問題。185納米和254納米波長的紫外線都被證實可以有效地破壞余氯和氯氨的化學鍵。雖然需要巨大的紫外線能量才能發揮作用,但紫外線水處理技術的優點在于此方法不需向水中添加任何藥物,不需要儲存化學物質,容易維修,而且同時還有殺菌和去除有機物的作用。
生物化學法
  生物化學水處理方法利用自然界存生的各種細菌微生物,將廢水中有機物分解轉化成無害物質,使廢水得以凈化。生物化學水處理方法可以分活性污泥法、生物膜法、生物氧化塔、土地處理系統、厭氧生物水處理方法。
  生物化學水處理法的流程:
  原水→格柵→調節池→接觸氧化池→沉淀地→過濾→消毒→出水。
  1、活性污泥水處理方法
  (1)鼓風曝氣:即排流式曝氣,使用曝氣風機將壓縮空氣不斷地鼓入廢水中,保證水中有一定的溶解氧,以維持微生物的生命活動,分解水中有機物,以達到水處理的凈化效果。
  (2)機械曝氣:即表面曝氣,利用裝在曝氣池內的機械葉輪轉動,劇烈攪動水面,使空氣中的氧溶于水中,供微生物生命活動,進行生化作用以達到水處理的凈化效果。
  (3)純氧曝氣:它是按鼓風曝氣方法向水中吹入純氧,以提高充氧效率,從而加快水處理的凈化速度。
  2、生物膜水處理方法
  (1)生物濾池:使廢水流過生長在濾料表面的生物膜,通過兩面間的物質交換及生化作用,使廢水中有機物降解,達到水處理的凈化目的。
  (2)生物轉盤:由固定在一橫軸上的若干間距很近的圓盤組成,不斷旋轉的圓盤面上生長一層生物膜,以達到水處理凈化效果。
  (3) 生物接觸氧化:供微生物棲附的填料全部浸于廢水中,并采用機械設備向廢水中充入空氣,使廢水中有機物降解,以凈化廢水。 
  3、土地處理系統 (1)土地滲濾:利用土壤膜中的微生物和植物根系對污染物的凈化能力來進行生活污水處理,同時利用污水中的水、肥來促進農作物、牧草、樹木生長。
  (2)污水灌溉:這種水處理方法主要目的為灌溉,以充分利用凈化后的污水。
  4、厭氧生物水處理方法:利用厭氧微生物分解污水中有機物,達到水處理凈化目的,同時產生甲烷氣、CO2等氣體。
 

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