工業純水設備各單元分析介紹
【濟南純水設備 http://www.hizoe.cn】預處理是最后（最終）水處理工序前的全部工序或單元操作。預處理是一系列單元操作，旨在改善供水質量，以便用最佳質量的水輸給最終處理工序。最終工序可以采用反滲透、超濾法、多或混合床去離子法或蒸餾法。第五和第六章將分別討論最終工序。
反滲透法因為可能是最終處理工序外的預處理工序，所以是唯一的方法。本章和本指南附錄探討在預處理中的反滲透法應用，但第五和第六章討論作為一種技術的反滲透法。
本章的頭幾節討論預處理方案，包括預處理進水和出水質量的處理方案（編程序問題）。然后本章再討論四組雜質的處理方案（即：單元操作）選擇：
? 污垢控制－混濁和微粒清除
? 銹垢控制－硬物和金屬清除
? 有機物和微生物雜質清除
? 微生物控制劑清除
本章末尾圖4－1概述預處理方案。
本章的最后幾節討論陰離子成分/濃度、PH、建造材料和預處理系統控制的重要性。
本討論是根據本指南附錄介紹的技術說明進行的。
4?2 預處理工藝設計
純水設備預處理系統的工藝設計是單元操作說明或處理進水的工序。標準資料包括各種蒸汽的流量、溫度、壓力和成分。給定單元操作的設備詳細機械設計或工序不屬本指南范圍。
預處理系統的工藝設計（編程序問題）可包括下列內容：
a） 最終處理過程所需的用水量和質量
b） 制藥工藝和微生物控制方法中使用的有關水的溫度制約
c） 選擇最終處理方案，因為該方案規定經過預處理所需的水質量
d） 進水質量是預處理系統的輸入質量（每年驗證水質量）
e） 進水質量與期望的出水質量間的差別。進/出水差別決定必須由預處理系統清除雜質。采用物料平衡方法，即可確定進/出水差別。另外，應注意雜質和微量組分
f） 預處理方案要為期望去除雜質創造條件，同時要考慮勞力、經濟、廢物處置、環境問題、驗證和可用場地以及公用設施的可能性
除了確定雜質清除方案外，微生物控制所采取的措施是預處理系統過程設計不可分割的一部分。考慮的問題包括：
a） 如果進入預處理系統的飲用優質水來向美國的市區，那么，水中一般包含當作微生物控制劑的氯或氯胺。在歐洲，臭氧是更普通的微生物控制劑。控制劑濃度應足以保護預處理的初始工序。
b） 若微生物控制劑數量不足，可另外添加微生物控制劑或采取措施定期消毒預處理系統的起始設備。這種方法適于水來自水源而不是市區。這可保證增加監測供水和初始工序。
c） 在預處理過程的某些點位，必須先清除微生物控制劑后再輸入最終處理工序。此時，在消除微生物控制劑后，純水設備必須給處理工序選擇連續或定期消毒措施。
制藥用水應包含“無添加物質”的USP要求，該要求消除給“純化水”或“注射用水”添加化學制劑。不過，預處理不禁止添加化學制劑。預處理經常添加化學制劑，然后在預處理或最后處理中予以清除。例舉的一些實例為：
? 氯（控制微生物生長，并在預處理后面階段清除）
? 鈉離子（多價離子交換軟化劑，并在去除離子過程中清除）
? 酸（去除二氧化碳、平衡離子脫氣作用，并在隨后的離子去除過程中清除）
? 亞硫酸鹽（減少氧化物的氯氣或氯胺，減少在形成硫酸鹽時的銨和氯化物的氯氣，并在軟化或去除離子過程中去除）
? 多價螯合劑（防止最后處理過程中水銹，并在最后處理中用RO清除）
? PH控制劑（在去除離子過程中清除）
添加劑是導致加快微生物生長或內毒素的一個問題。
最后要考慮的一個問題是預處理投資與運行費和最后處理過程的效能與費用的關系。
? 若預處理系統不可靠運行，則最后處理系統將不長期可靠運行。
? 若預處理系統（微粒、硬物或氯氣滲漏）操作不恰當，不可能立即影響最后處理的水質量，但對長期維修和運行可靠性以及對水質量可能有影響。
? 預處理能力和可靠性投資能回收許多倍最后處理維修費投資。
? 盼望制藥用水系統能生產出符合成品藥水標準的制藥用水。設計的制藥用水系統能控制進水質量的雜質測試信號或合理的雜質外形變化。健全的預處理系統設計處理對最后處理有害的雜質測試信號。
預處理系統的過程設計沒有一個“正確”答案。純水設備預處理系統過程設計有一系列抉擇和選擇，而每種設計都有優點和缺點。
4?3 預處理供水質量：試驗和文件
制藥用水系統都要求使用符合“飲用水”標準的供水。
大部分制藥廠都使用城市自來水。城市自來水一般都符合“飲用水”質量標準，并且用微生物控制劑處理。在美國歷史上，微生物控制劑采用氯，但現在一般采用氯胺。供水成分或微生物控制劑濃度可能取決于臨時的和季節變化。變化可能對水質會產生不利影響，并且只能用廣泛抽樣法測取。此外，車間現場水的質量，由于配水系統污染潛在問題或者微生物控制劑損失，不可能等于城市處理設施的水質量。采用車間試驗補充的城市用水試驗（如適用的話）法或者廣泛試驗供水質量，即可獲得建議的供水質量文件。
供水一般污染物包括：
? 粒狀物：淤泥、灰塵、花粉、管銹、鐵和硅、不溶解礦物和有機物
? 無機物：鈣/鎂鹽、含有陰離子的重金屬（鐵、鋁和硅）
? 有機物：植物腐爛自然產生的副產品，即：腐殖和雷酸以及諸如殺蟲劑和汽車污染（油）“人造”有機物。
? 細菌：細菌污染和副產品、內毒素以及致熱質
試驗建議包括：
? 供水符合飲用水質量的文件。這可根據當地可能補充的由市政當局所作的試驗或中間試驗的結果。中間試驗的頻次將受市政當局可靠性、監控可變物重要性和公司宗旨的影響。
? 預處理系統起動時對微生物控制劑含量監測。氯含量受PH影響。一般認為氯含量為0.2至1.0ppm，這足以控制微生物生長，并且一般對預處理設備或性能影響微不足道。
? 供水中對已知的或懷疑的現有污物進行專門試驗。這將決定從市政當局取得的資料是否充分；例如：農業地區從農場逸流的表面水源供殺蟲劑的供水可以是季節性的。
4?4 預處理出水：進入最后處理的進水質量
預處理目的是保證盡量減少最后處理設備運行/維修問題的水質量，并使最后處理工序生產出符合最后處理期望技術規范的水。
必須在預處理過程中清除使最后處理工序可靠運行的雜質，這取決于所選的最后處理工序和最后處理工序對雜質的公差。若預處理不充分，那么，造成的問題在等級方面變化很大，詳見下面的表4－1：
表4－1
最后處理由雜質類型造成的問題等級 雜質
污垢：由粒狀物造成 銹垢： 由硬物和礦物質造成 腐蝕：由氯化物造成 剝蝕： 由氯氣造成
反滲透法 大 大 無 大☆
其他（離子交換）膜法 大/中 大/中 無 大☆
單效蒸餾法 中 中 中/大 大
多效蒸餾法 大/中 大/中 中/大 大
汽壓蒸餾法 中 中 小 大
☆ 視膜而定
最后處理過程供水預處理要求通常包括：
關于膜
關心的問題是懸浮固體（微粒）污垢和因為去除水而銹垢（沉淀固體）。預處理控制的標準目的可能是現場分析泥沙密度指數（SDI）3～5和硬物小于1粒/加侖。膜允許用氯化物，但是，只有某些膜允許用氯氣。
關于蒸餾
關心的問題是因硬物形成銹垢和因氯化物而造成腐蝕。標準的水質量可能為1莫姆/cm，這常常需要預處理以外進行另外處理，即：RO法或超濾法。蒸餾法因腐蝕對氯氣無公差，并對產品無蒸汽夾帶水。蒸餾法對粒狀物有些公差。
預處理一般對表示水質量，諸如陰離子、微生物含量、導電性、總有機碳（TOC）和揮發物等其他參數影響極小。
可靠地給最后處理提供所需的供水質量選擇預處理，不管供給的飲用水質量測試信號，都將減少最后處理的運行和維修費用。
4?5 污垢控制：泥沙和粒狀物清除
清除粒狀物的減少泥沙的主要方法有：
? 澄清并同時作業凝聚、凝結物和沉積物
? 深度或介質濾清，包括單/多介質濾清（由介質保持的微粒）
污垢定義、濾清機構和標準清除過程在本指南所附的附錄中概述。
因為供水水源是飲用水質量或更好質量水源，所以不使用澄清法。
深度或介質濾清用于制藥用水系統，并且常常是預處理系統的頭道工序。多尺寸沙是最普通的介質，但其他介質可給有些供水提供更好的性能。可清除10微米的粒狀物，并取決于介質的選擇。除非供水含有微生物控制劑，否則，微生物生長是介質濾清器的一個關鍵問題。換句話說，在深度濾清器中需要微生物控制（例如：采用加熱或化學消毒劑進行定期消毒）。
4?6 水銹控制：硬物和金屬清除
水在最后處理過程中與雜質分離時，低溶性化合物集中沉積的地方。沉積，即水銹是二價和三價陽離子，通常為少量可溶性鹽，諸如碳酸鹽或硫酸鹽超溶解性造成的。對此的控制方法為：
? 離子交換清除法。主要是鈣和鎂，并可包括二價/三價離子，諸如鐵、鋁和二氧化硅。預處理通常是水軟化（交換離子使鈉離子硬化和水銹）。
? 酸化清除碳酸鹽。酸化作用是將碳酸鹽轉成二氧化碳，接著脫氣清除碳酸鹽。
? 阻擋濾清法，例如毫微濾清法清除化合物。水流過膜，化合物被膜擋住，然后當作排出蒸汽清除。
上述清除方法詳見本指南所附的附錄。
去除二價/三價離子并用鈉替換的水軟化離子交換，是制藥用水預處理使用的最普通方法。該方法適于各種流量和各種硬度級的水，并且易熟悉易操作。水軟化離子交換法只涉及處理鹽，并產生無害廢蒸汽。不過，廢蒸汽里的高總溶解固體（TDS）可限制處置選擇。水軟化采用手動或PLC都易于控制。
關于大流量（>50gpm或0.18m3/min）和高硬度（>50ppm）水，脫氣法（酸化后）可是選擇的方法。脫氣法經常在RO兩階段之間使用，并涉及兩次PH調整處理酸和堿：
? RO第一階段前減少PH
? RO第一階段前增加PH
脫氣法的主要優點為：生成的二氧化碳釋放到大氣中，而不是需要處置的液態廢蒸汽。
毫微濾清法是某些供水和特殊情況可采用的膜法。濾清一般為交叉流動，并涉及值得關注的排出蒸汽。RO排出蒸汽很多，膜的孔大小與離子去除的對應效果有差別。二價離子去除可超過98%。
化學制劑注射是控制造成水銹離子或化合物的另一種方法。該方法是給最后處理供水注射化合劑（通常是專利有機化合劑）。該化合劑稱多價螯合劑，并且使損壞的離子或化合劑生成在最后處理過程中更能溶解、不沉積的一種復合劑，即化合劑。“復合的離子和多價螯合劑”有大分子量，并在最后處理過程中當作排出蒸汽去除。多價螯合劑幾乎都是專利化合劑，所以要求試驗，以便驗證專用供水的適用范圍和劑量，并在最后處理過程中分析驗證去除情況。
預處理系統過程設計的關鍵選擇是軟化器的位置。在清除供水中的微生物控制劑（通常使用氯氣）前或后有兩種選擇，若要控制微生物生長，給供水增加微生物控制劑。
清除微生物控制劑前設置的軟化器：主要優點是用供水中的微生物控制劑保護軟化器，以防微生物生長。若微生物控制劑為氯氣，則對城市氯氣供水中的標準氯氣含量樹脂壽命和效率只有很小的影響（<1ppm）。
清除微生物控制劑后設置的軟化器：其優點是樹脂壽命和能力更好（由于沒有微生物控制劑的氯氣）。不過，這必須保護防止微生物生長和內毒素含量的軟化器進行平衡（即：采用定期消毒法以及有關加熱或化學制品、勞力、停機時間和廢汽處置等費用）。
4?7 有機物清除
水系統中一般存在的有機物和微生物雜質種類和清除方法在本指南提供的附錄中探討。有機物清除法為：
? 臭氧清除法
? 強堿離子交換法
? 阻擋濾清法（精濾、超濾或反滲透法）
? 聚合物絮凝法
? 碳法
臭氧是控制微生物生長的強氧化劑，并減小因氧化而生成有機物的濃度，但需相容結構材料。
強堿離子交換清除有機物，從而導致因樹脂再生而含有高濃度鹽水和有機物排出蒸汽。
孔眼合適的阻擋濾清把有機物和微生物生長捕獲在阻擋層上，并能添加聚合物絮凝劑予以幫助。阻擋濾清的潛在問題是微生物生長“經阻擋層生長”，從而在阻擋層順流側上造成微生物污垢。
碳法也許是減少有機物最普通的方法。使用該方法是因功能多，包括清除有機物和清除或減少氯氣/氯胺用量（若有這種氣和正確地設計碳濾清器）。使用碳的優點是：它是一種常用技術，具有多功能和有效“清潔供水”，并且只要定期消毒，就能控制微生物生長。而缺點是：它既是一種微生物生長源又是一種營養素源。
4?8 控制微生物生長的系統設計
控制微生物生長的方法在指南提供的附錄中概述。預處理中控制微生物生長使用的方法有：
? 微生物控制劑，諸如氯氣或氯胺
? 定期消毒（加熱或化學制劑）
? 紫外線
? 避免死支管和避免水滯流
在預處理系統設計中，一般對策是在盡可能經很多預處理工序的供水中，保留由市政當局提供的微生物控制劑，以便保護預處理工序免遭微生物生長。
不過在有些地方，因為微生物控制劑與最后處理方法不相容，所以，必須清除這些控制劑（氯氣或氯胺）。此時，唯一的選擇是定期消毒，或者采用加熱法或者采用化學消毒劑。這必須包括在經抽樣和試驗，驗證和監測效果所采取的措施一并提供的預處理系統設計書中。若用化學消毒劑，則還需提供清除消毒劑和監測清除效果的措施。
抑制微生物生長采用紫外線是有效的手段，但是，只有使用紫外線時有效。系統操作前常常使用紫外線，旨在控制供水中的微生物數量，盡量減少系統操作微生物生長。使用紫外線最常用的地方是反滲透裝置和有些濾清器前面的地方。
4?9 微生物控制劑的清除
在預處理的有些地方，因為微生物控制劑對最后處理設備和設備性能有有害影響，所以必須清除。氯氣會造成反滲透絕大多數膜變質，并且腐蝕蒸餾液。氯胺能通過預處理系統，并且在蒸餾過程中分解，從而使水質量產生有害影響。
消除氯氣和氯胺的方法大同小異，詳情見本指南提供的附錄。
關于氯氣清除，活性碳是吸收氯氣的一個簡單方法。碳將一些氯氣變為氯離子，然后用最后處理離子清除法清除。亞硫酸鹽還原法也是簡單的方法，即將亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽，然后氯氣還原成氯離子。
氯胺清除比較復雜。即使流動速度比氯氣慢得多，在碳上也會發生氯胺吸收，所以需要較長的接觸時間和較慢的流速。把吸收的氯胺分解成銨離子和氨的潛力是一個問題。銨用反滲透法清除，但用蒸餾法分解成氨。氨在最后處理中通過反滲透和蒸餾流程。
氯胺亞硫酸鹽還原導致銨和氯離子。這可用反滲透法清除。銨離子在較高溫度蒸餾過程中部分分解成氨，從而導致汽夾水，并影響水質量。
氨（來自氯胺）和二氧化碳清除需要正確控制PH值，以保持RO中清除離子樣的物質。如有保持離子物質所需的堿性條件，則碳酸鹽、碳酸氫鹽和二氧化碳平衡依賴PH值。銨和氨之間的平衡取決于PH值和溫度，其酸性條件需保持離子物質。不是在一個PH地方，這些物質都是碳酸鹽和銨離子。因此，需要采用合適清除工藝執行兩個PH調整步驟來清除氯胺和二氧化碳。
4?10 陰離子成分/濃度變化
預處理系統一般清除非離子雜質和陰離子。因此，離子成分或濃度變化通常是次要的。不過，在最后處理工序前，可用RO法清除氯化物，這對最后處理中的一些蒸餾工序會有影響。
影響陰離子成分的預處理方法有：
? 脫離子
? 脫氣
? 清除氯氣和氯胺和碳床濾清
? 清除氯氣和氯胺的還原
? 阻擋濾清（超微濾、超濾和反滲透）
離子交換樹脂用于清除陽離子或陰離子。用于清除陰離子（陰離子樹脂）的離子交換樹脂一般交換羥基離子的陰離子（氯化物、硫酸鹽、亞硝酸鹽和碳酸鹽以及碳酸氫鹽，如PH值合適）。離子交換可在單床、混合床或雙床進行，并且若有陰離子樹脂的話，則將影響陰離子成分。第五章探討專門清除陰離子的去離子法和離子交換。
去除硬物的脫氣和伴隨的酸化法改變陰離子成分。水用非揮發性酸（通常用基于成本和容易清除最后所得陰離子的酸鹽，即硫酸鹽）酸化，旨在將碳酸鹽和碳酸氫鹽轉成采用脫氣法即能清除的溶解CO2。凈效應用硫酸鹽替換碳酸氫鹽和碳酸鹽（參見本指南提供的附錄）。
如上所述，碳床濾清吸收供水中的氯和氯胺。不過，有些氯還原成氯化物，并在隨后的離子去除過程中，通常在最后處理時去除。
因為硫酸氫鹽氧化成硫酸鹽和氯，即氯胺還原成氯化物和銨，所以常用硫酸氫鹽還原法去除氯和氯胺，就能改變離子成分和濃度。
有些阻擋濾清（尤其是超微濾清）能去除一些較大的陰離子。可采用反滲法去除蒸餾作業前的氯化物離子。
4?11 預處理中PH值的重要性
關于碳酸鹽、碳酸氫鹽和二氧化碳間平衡的PH效應，在本指南附錄中探討。
EPA飲用水標準所需的PH值范圍為6.5～8.5。由于酸水的腐蝕性和堿水的銹垢潛力，絕大部分飲用供水的PH值范圍實際上都較小。
因為供水的PH值和季節變化都對預處理和最后處理過程設計有影響，所以需要知道PH值和季節變化。PH值決定二氧化碳形成、銹垢潛力和清除二氧化碳（碳酸鹽）的地方（參見本指南附錄）。
由于供水中有氯胺，所以預處理設計中的一個復雜因素是氨的潛在存在。氨是二氧化碳為離子（碳酸鹽）PH值條件下的一種溶解氣體，并且在二氧化碳為溶解氣體PH值條件有離子（銨）。因此，無法在一個PH值條件下去除二氧化碳和氨。如果同時存在二氧化碳和氨，則需用如下兩個PH值調整工序：
? 在去除二氧化碳或氨后進行PH調整
? PH值變化，以便去除其他化合物
上述工序可以是預處理或最后處理的一部分。
4?12 建造材料和建造法
預處理系統中的管道可以是銅、鍍鋅鋼或適用的熱塑塑料管。預處理系統中不承受高溫地的管子，一般為價廉物美、耐蝕的塑料管（PVC、CPVC、聚丙烯或其他材料管）。有些塑料，諸如PVC和CPVC的滲漏使這些材料不受用戶歡迎。容器材質可以是玻璃纖維、襯里碳鋼或不銹鋼。
預處理系統部分的管道和設備可能要承受高溫（定期加熱消毒）或高壓（RO加脫氣）。在這樣的部位，管子材質一般為不銹鋼或能加熱消毒的，諸如PVDF塑料管。高壓設備可以是碳鋼、襯里碳鋼或不銹鋼。上述材料可采用精軋工藝，無需電拋光。
在預處理系統中，對消毒建造法，諸如軌道焊和消毒管接頭的費用可不予以保證。溶劑膠粘或加熱熔合的塑料管、焊接或精軋法蘭連接不銹鋼管或設有壓縮管接頭管的用途為一般用途。球閥或隔膜閥控制流動轉換，而球閥和針閥控制流量。選用不降低水質量的成本最低的管件是主要節約的地方。
每個設備的上、下游，都應提供監測和查尋/排除故障的取樣點。現場測取壓力/溫度點亦用于查尋/排除故障。
4?13 預處理結語
預處理選擇的控制原理可能對投資和連續運行費影響很大。預處理可靠運行和控制能大大減少最后處理的運行和維修費。預處理的主要工序有：
? 清除混濁和微粒，盡量減小膜和設備污垢
? 清除硬物和金屬，防止最后處理銹垢
? 清除有機物和微生物雜質
? 控制微生物生長，并清除微生物控制劑，以防最后處理惡化
上述工序因為對最后處理水的質量有直接影響或者對最后處理設備的性能有長期影響以及對最后處理的水質量有間接影響而十分重要。
預處理與水處理系統的其他零件一樣，應符合GEP。預處理作為水處理系統的一個部分，必須作為整個水處理系統驗證的一部分進行驗證，并且應包括微生物監測。
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