電子廠配套工業超純水制備工程案例
一、 項目背景
某電子廠配套純水制備工程。
二、設計水量
本系統要求產品水量為50m3/h，因此設計產水量確定為50 m3/h。系統采用兩級反滲透裝置的系統回收率為75%，故系統的設計進水水量為66.7 m3/h。
三、設計進水水質
本純水系統的進水為當地深井水，其水質經當地環保部門進行了全水質分析，主要檢測分析結果見水質報告。
四、目標水質
根據產品水的用途與要求，確定產品水的目標水質為： 電阻率≥10MΩ•cm
五、處理工藝選擇
電子用純水不同于一般的純水制備，它對水質具有更為嚴格的規定，屬于高純水范疇。一般來說，高純水制備主要包括預脫鹽與精處理脫鹽兩大部分，如何進行工藝的選擇和組合成為高純水制備的關鍵。
典型工藝流程
(水質符合美國ASTM標準，電子部超純水水質標準（18MΩ*cm，15MΩ*cm，2MΩ*cm和0.5MΩ*cm四級）
預處理－反滲透－ 水箱－陽床－陰床－混合床－純化水箱－純水泵－紫外線殺菌器－精制混床－精密過濾器－用水對象
預處理－一級反滲透－加藥機（PH調節）－中間水箱－第二級反滲透（正電荷反滲膜）－純化水箱－純水泵－紫外線殺菌器－0.2或0.5µm精密過濾器－用水對象
預處理－反滲透－中間水箱－水泵－EDI裝置－純化水箱－純水泵－紫外線殺菌器－0.2或0.5µm精密過濾器－用水對象
預處理－反滲透－中間水箱－水泵－EDI裝置－純化水箱－純水泵－紫外線殺菌器－精制混床－0.2或0.5µm精密過濾器－用水對象
目前，預脫鹽處理常常采用的主要是離子交換工藝和反滲透工藝。離子交換已被廣泛使用許多年，我國八、九十年代初的純水制備工藝基本上都采用離子交換法，該工藝技術成熟，工藝可靠，而且可根據目標水質的要求進行多種離子交換方式的組合。隨著科技和自動化技術的發展，離子交換再生頻繁、操作復雜、維護麻煩、運行費用高等缺陷就越來越突出，九十年代逐漸被新的反滲透技術代替，特別是預脫鹽目前基本上都采用反滲透技術。和離子交換相比，反滲透具有運行穩定、占地少、操作維護簡單、可實現高度自控，處理水量越大，其優勢就越明顯。
預脫鹽后續的精脫鹽處理工藝則根據目標水質的要求而有所不同，對超高純水（電阻率大于16 MΩ•cm），目前一般采用更先進的EDI技術；對電阻率低于16MΩ•cm的純水,目前仍采用經濟可靠的混合床技術。因為對純水的精脫鹽，混床又顯示出其獨有的優勢：脫鹽穩定，效率高，再生周期長，操作維護少。
鑒于以上的分析，結合項目的現實情況，在綜合技術因素、經濟因素的前提下，確定本純水工程采用以反滲透為主體工藝，混床作為精處理工藝。具體工藝流程簡圖如下：
本系統原水采用深井水，水溫在15℃左右，對于反滲透系統不是最佳溫度。反滲透系統的最理想的溫度為20℃左右，如果要保證20℃的溫度，必須對原水采用加溫措施，加溫的方式可以選用電加熱或蒸汽換熱，對于小水量系統比較可行，但是對于較大水量系統，能耗偏高。其付出與升溫帶來的益處相比，反而不具有經濟性。溫度的升高雖然有利于提高反滲透系統的回收率，但是在本系統設計中對于反滲透系統的回收率具有一定的余度，因此無需加溫仍完全可以滿足系統要求。同時，升溫過程的控制和操作也比較復雜。因此，本系統不考慮采用原水升溫措施，只在反滲透系統中考慮水溫影響，進行修正。
原水經泵提升依次經過組合過濾器、投加阻垢劑和保安過濾器等預處理工段，用以去除原中水的懸浮固體、膠體、有機物，并降低原水的濁度、色度等，保證RO進水SDI＜3，以提供合格的反滲透進水。
保安過濾器出水經高壓泵提升進入反滲透裝置，反滲透出水進入中間水箱，反滲透部分設有在線PH調節裝置。為保證反滲透裝置長期穩定運行，設置反滲透清洗裝置，視需要對反滲透膜進行清洗。
中間水箱出水經純水泵提升至混床除鹽系統，利用離子交換原理進一步脫鹽，處理后產出的合格水流經微孔過濾器至純水箱處，再經供水泵提升，經過紫外線消毒裝置殺滅細菌后進入用水點。值得注意的是，本系統一次性按照產品水量為50m3/h進行設計，考慮到實際生產中可能會在初期生產的1-2年內不需要如此大的水量，需水量可能在60%左右，因此在系統配置中控制泵的選型匹配，在不同產水量的要求下，啟動不同臺數的水泵，達到系統對產水量的需求。
六、主要工藝說明
1. 預處理
反滲透系統長期穩定運行的關鍵在于預處理，預處理的好壞不僅決定著反滲透裝置的清洗次數，而且決定著反滲透膜元件的使用壽命。預處理部分主要解決以下問題：
防止膠體物質及懸浮物固體顆粒、泥沙等產生污堵；
防止大分子有機物質、微生物產生污堵；
防止反滲透膜元件表面結垢（包括因濃縮而出現鐵鋁化物等的結晶）；
保持反滲透系統長期穩定運行和裝置產水量穩定。
本系統預處理部分主要包括：原水箱、提升泵、組合過濾器、保安過濾器、阻垢劑投加裝置、調pH裝置。 原水箱及提升泵 原水箱的作用是儲存一定量的原水，以提供穩定的供水。
原水箱的有效容積V=30m3，尺寸：Φ3100×4200mm，材質：PE，箱內配置浮球閥1個，到達預定液位時自動停止進水。為盡量避免細菌污染，水箱采用封閉形式，并在通空氣處設有呼吸器，過濾凈化空氣。
原水箱的出水經泵提升至后續處理單元—組合過濾器。設計提升泵3臺（2用1備），單臺能力為Q=40m3/h，H=24.5m，N=5.5kw。 組合過濾器 組合過濾作為預處理的第一步，主要用以去除膠體物質、懸浮物固體顆粒、泥沙、部分大分子有機物質及微生物。
本系統組合過濾器采用石英砂與顆；钚蕴抗餐旌献鳛闉V料，通過過濾截留與吸附作用不僅可以達到上述目的，對于鐵、錳等也具有較好的去除效果；钚蕴康氖褂，可以有效預防地下水受到污染后水質變化的影響，同時可以改善處理水的水質條件，對反滲透和離子交換系統的穩定運行非常有利。其主要特點有：
過濾精度高：水中懸浮物的去除率接近100%；
截污容量大：一般為5-10kg/m3，是傳統過濾器的3-5倍；
可調性強：過濾阻力、截污容量等參數可根據需要隨意自由調節；
可以去除部分硅膠和鐵膠體，抑制硅、鐵等的結垢；
操作管理簡單方便。
設計選用組合過濾器2臺，規格為Ф2400×3000， 互為備用，罐體采用碳鋼材質，內襯膠，濾料為精選石英砂與顆；钚蕴俊７礇_洗利用原水直接進行，采用水反沖洗，配備水泵1臺，單臺能力為Q=139m3/h，H=24m，N=15kw。 阻垢劑投加裝置 為防止RO膜元件在選擇透過淡化水的同時，其濃水側溶解固形物濃縮出現因濃度極大與溶解度平衡常數而結晶析出，在RO膜表面結垢，影響RO膜的脫鹽率、水通量、運行壓力等性能參數。如果出現細小晶粒而不能及時處理的話，溶解固形物會以其為結晶核心，使結晶粒增大，從而其結晶棱角會刺破膜表面，損壞反滲透裝置，因而在反滲透裝置前設置PTP-2000阻垢劑加藥裝置。
PTP-2000阻垢劑是KINGLEE公司開發的主要產品之一，能夠有效地控制無機鹽類結垢并特別針對硅酸鹽的結構，完全將硅的溶解度降在安全現以下（64%），可以有效控制LSI指數控制在2.5以內，使膜的壽命延長而降低成本。從量的角度來看，可以控制240ppm的濃水硅含量，從功能上看，具有以下幾個功能：
有效控制無機鹽類結垢并特別針對硅酸鹽在濃縮液中高大240ppm還不致結垢；
碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸、鍶等可高達+2.5LSI還不會結垢；
所有主要反滲透膜元件都能使用；
籍由分散阻塞微利來維持更干凈的膜表面；
液態產品，可稀釋或直接使用；
適用于硅含量高以及具有鐵和鋁的水型。
通過阻垢劑投加計算，阻垢劑的投加量為2.9ppm，考慮到設計的安全余量，設計投加量確定為3.5ppm，具體投加量由現場調試決定。
為了增加加藥的混合效果，在加藥點設置靜態混合器一臺，以使阻垢劑和原水充分混合，滿足阻垢機阻垢機理以及充分發揮所加藥劑的性能。 設計采用阻垢劑投加裝置一套，藥箱的容積為0.15m3，計量泵采用進口計量泵，最大加藥量為0.9L/h。 調pH裝置 投加鹽酸調整pH值在6.8左右，有利于膜的使用，防止結垢。
根據計算，36%鹽酸最大投加量為25ppm，配套在線pH計，控制pH的調節。設計采用調pH裝置一套，藥箱的容積為0.15m3，計量泵采用進口計量泵，最大加藥量為1.2L/h。 保安過濾器 為進一步改善反滲透進水的物化指標，確保反滲透工藝穩定運行，在組合過濾器之后，設計采用保安過濾作為最終的預處理手段，使RO進入濁度低于1的水平，SDI＜3。
本工程設計采用保安過濾器1臺，處理能力Q=60-80m3/h，規格為Ф600×2111mm，濾芯材質：聚丙烯，過濾精度：5μm，濾芯數量：51根。
在正常工作情況下，濾芯可以維持7-8個月以上，當進出口壓力差達到1kg/cm2時進行更換，以便能在清洗濾芯時達到滿意的恢復效果，減低運行成本，濾器的結構滿足快速更換濾芯的要求。
2. 反滲透系統
反滲透是系統預脫鹽的核心部分，設計的成熟、合理與否不僅直接決定系統能否達到設計要求，而且關系到反滲透裝置的使用壽命。本系統設計反滲透產水量為50m3/h。
高壓泵。
反滲透膜元件對水中的離子具有選擇透過性，因而在反滲透濃水側和產水側存在著滲透壓差，這樣就必須要有外界的壓力來克服滲透壓差才能夠使反滲透裝置正常工作并達到設計要求，外界的壓力通過高壓泵來提供。根據設計計算，采用丹麥格蘭富立式多級離心高壓泵2臺（2用0備），具有運行壓力穩定，噪音小，使用壽命長等特點。高壓泵單臺能力Q=40 m3/h，H=15bar，N=30kw。
反滲透裝置
膜組件選用美國陶氏公司的產品？紤]到微生物污染的有效防治，RO的膜元件選用抗污染型低壓復合膜。該種復合膜與傳統復合膜相比，具有以下優點：
膜流量高，可以在較低的水壓和較高的流速下，獲得相等的脫鹽率，也就是說，在保持高脫鹽率的狀態下時，其淡水流速幾乎達到其他復合聚酰胺膜的兩倍，在產水量相同的條件下，可以減少占地面積，降低膜組的投資；
機械強度好，運行壽命長，在設計工況下，使用壽命一般可以達到3~5年；
對水質的適應能力強，尤其是水溫和pH。進水pH值在2~11均可，在進水的常規水溫度下不影響其處理效果。
整套反滲透系統共用48支8″膜，膜組件采用一級兩段形式，每根壓力容器中安裝6根膜元件，按照5：3的排列，即第一段的5根反滲透膜管的濃水作為第二段3根反滲透膜管的進水。這樣的設置可以保證RO膜元件的設計通量和回收率小于膜元件制造的最大通量和回收率，降低單只膜元件的產水回收率，從而延長膜元件的使用壽命，降低膜元件的產水年衰減率。選用的膜元件的型號為BW30-400，單根膜元件的最大回收率為15%，脫鹽率超過98%，可以達到99.5%，連續運行的pH范圍廣，在2-11之間。系統總回收率為75%，可以保證三年以上仍保證穩定的系統回收率。
反滲透裝置配有相關的流量計、壓力表、溫度計、集中取樣裝置和相關的控制元件。在產水側設不合格排放閥，能夠將剛開機、停機維護、調試時短時間內產生的不合格產水排放，不使其進入后續工段。反滲透濃水側設置電動排放閥，在反滲透裝置開啟前進行低壓沖洗和停用時置換膜元件內的濃水，防止停用后無機鹽在膜元件內沉淀，沖洗壓力為1.5kg/cm2，一般用預處理設備的給水就足夠了。 化學清洗裝置 反滲透裝置的預處理設計越趨于完善，膜元件清洗的次數就可以減少，但是完全保證膜元件不被污染是不可能的，當系統出現壓力升高，產水量降低，脫鹽率下降等特征時，就必須考慮對反滲透膜的化學清洗，首先應判斷發生污染的性質和位置，然后采用相應配套的化學藥劑溶液通過每段反滲透組件留有的清洗接口進行清洗。
清洗裝置由清洗泵、清洗箱以及相關的流量計、壓力表、閥門、管路系統等。一般當系統壓力上升15%以上時，需要進行化學清洗，一般4-6個月清洗一次；瘜W清洗裝置溶藥箱容積為2m3，清洗泵1臺，能力為40m3/h，H=34m，N=5.5kw，配套精密過濾器1臺，處理能力Q=40m3/h，規格為Ф500×1757mm，濾芯材質：聚丙烯，過濾精度：5μm，濾芯數量：36根。
3. 精處理系統
精處理脫鹽系統是保證產品水達到目標水質的保障手段。本精處理系統包括：中間水箱、純水泵、混床、微孔過濾器、純水箱、供水泵和紫外線消毒器。 中間水箱與純水泵 為便于收集反滲透出水，并利于泵的穩定連續提升，設置中間水箱1個，有效容積V=10m3，尺寸：Φ2390×2800mm，材質：PE，箱內配置液位控制，可根據液位的高低自動控制純水泵的啟停，并具有報警功能。為盡量避免細菌污染，水箱采用封閉形式，并在通空氣處設有無菌空氣呼吸器，過濾凈化空氣。
RO出水流至中間水箱，中間水箱出水經純水泵提升至混床。選用純水泵2臺（1用1備），單臺能力為Q=50m3/h ，H=18 m。 混床 混床是離子交換除鹽系統中應用非常廣泛和有效的一種方式，它將陰、陽樹脂按一定比例混合填裝在一個交換器內，可以同時去除水中的陰、陽離子，在混床中經陰陽樹脂交換生成的氫氧根離子立即得到中和生成水，不存在反離子的干擾，因此離子交換反應進行的十分徹底，出水純度很高，同時出現間斷運行時對產水水質影響較小，交換終點明顯，容易判斷交換器是否失效。本設計采用一級混床進一步脫鹽，確保產品水水質穩定可靠。
設計混床3臺（2用1備），混床設有人孔、手孔和視鏡孔等，便于觀察和操作，單臺處理能力Q=25m3 /h，規格為Ф1200×3700mm。
離子交換運行到一定時期，必須進行樹脂的再生，保證樹脂再生交換容量，再生的方式具有體外再生和體內再生兩種方法。一般而言，體外再生的再生效果優于體內再生，但是操作復雜，工作量大。對于本系統，混床是作為精處理工段使用，再生周期很長，約半年再生一次，如果采用體外再生樹脂重新裝填將非常麻煩，而采用簡單易于操作的體內再生即可以滿足系統使用的要求。因此，設計采用體內再生方式，配置堿酸再生裝置1套，包括酸堿貯槽、酸堿計量箱、酸堿計量泵等配套設備。 微孔過濾器 作用是有效濾除細菌尸體和混床樹脂碎屑。 設計微孔過濾器1臺，設備處理能力Q=50m3/h，規格為Ф500×1500，濾芯材質：聚丙烯，過濾精度：0.45 mm，濾芯數量：51根。 純水箱與供水泵 微孔過濾的出水進入純水箱，通過供水泵輸送至用水點。
設計純水箱1座,有效容積V=63 m3，尺寸：Φ4500×4400mm，材質：PE，箱內配置液位控制，可根據液位的高低自動控制純水泵的啟停，并具有報警功能。為盡量避免細菌污染，水箱采用封閉形式，并在通空氣處設有無菌空氣呼吸器，過濾凈化空氣。
配套供水泵2臺（1用1備），單臺泵能力為Q=50 m3/h，H=16 m。
紫外線殺菌器
紫外線殺菌是目前純水制備普遍采用的殺菌方式，重要的是不產后任何消毒副產品，對產品水水質量沒有影響。而且設備簡單、操作簡便，運行費用低。
本工程設計采用美國紫外線消毒設備1臺，型號為Q480IL，處理能力50m3 /h。
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