水软化方法综述

1.2.1石灰-纯碱软化法

水的药剂软化法是根据容度积原理，根据需要向水中投加适当药剂，使之与钙、镁离子反应生成CaCO3和Mg (OH)2不溶性沉淀物。药剂软化法包括石灰纯碱软化法，石灰软化法，苛性钠软化法等，其中用石灰软化最为常用。药剂软化法中最常用的药剂是石灰，它的技术成熟，来源广泛，而且价格低廉。石灰经消化后，生成石灰乳投加到原水中，在较高pH值条件下与重碳酸盐发生反应，生成Mg(OH)2和CaCO3等沉淀物，在下沉过程中钙镁二价离子形成的沉淀物起到混凝剂的作用，进而使各种沉淀物在反应池中絮凝，在滤池和沉淀池中去除。适量的投加助凝剂，可增加混凝效果。加入石灰后，出厂水的pH值会比较高，在出厂水中利用酸进行中和，调节水的pH值符合饮用水水质标准。许多地区的水源里，不但硬度超标，而且铁、锰和溶解性总固体也往往超标，石灰药剂法和强化混凝也能去除一定的铁、锰和溶解性总固体。石灰软化法适用于原水非碳酸盐硬度较低、碳酸盐硬度较高的情况。

石灰纯碱软化法已在水源水质硬度大的循环冷却水补充水的预处理广泛应用。石灰纯碱软化法在除硬的同时也可以有效地减少总溶解固体，并且适合于原水中非碳酸盐硬度较高时的水处理。虽然石灰纯碱软化法经济成本也很低，除硬率也高，但是这种方法也有很多缺点，由于所用剂量很高，不可避免对会产生大量的淤泥，而且还需要大面积的厂房来准备和储存这些原料;由于原料吸收了空气中的CO2，至使硬度的去除率很不稳定;因受湿度的影响需要重复加药等。

当原水水质变化时，虽然苛性钠软化法在准确控制碱度方面要优于石灰纯碱软化法，但是也会增加水中总溶解固体和Na+。相比之下，苛性钠软化法比石灰纯碱软化法所产生的淤泥少;在自然条件下，苛性钠(NaOH)储存过程中要稳定且不容易变质，这使得操作过程稳定.而且清洁。

总体来看，常规药剂软化法出水水质不好，运行管理繁琐，产生大量的废弃物，处理性差，且对环境造成很大的污染。

1.2.2离子交换软化法

离子交换法就是将水连续通过阳离子交换体，使离子交换剂中的钠离子或氢离子与组成水质硬度的钙镁离子进行交换，钠或氢离子被钙镁离子所取代，从而使得水质软化的效果。常用离子交换剂有磺化煤和阳离子交换树脂等。钠离子交换软化工艺虽然能去除水的硬度，但不能降低水的碱度和含盐量，所有它只适用于含盐量和碱度不高的原水。当原水碱度较高时，可采用的软化工艺用氢离子交换，原水碱度可于氢离子交换器出水中的强酸同发生中和反应，生成的二氧化碳用除碳器除掉，可达到水质脱碱和水质软化的效果。

离子交换系统在运行过程中，经常需要对离子交换树脂进行反洗和再生，来恢复树脂的吸附能力，因此需要用大量的盐和软化水，反洗水中由于含有高浓度的盐，无法利用而随意排放，会造成很大的二次浪费，也会带来水体污染的问题。离子交换法软化硬水虽然解决了Ca、Mg等离子带来的硬度问题，但是得不到理想的饮用水，由于水中Na+离子浓度升高，因而患高血压病的人群特别不适于饮用。在水中离子交换法也会产生一定的腐蚀性，包括产生金属腐蚀其副产物会改变水的化学性质等。所有离子交换法只适用于硬度小于500 mg/L 的水处理，对于高含盐水来说，如果采用离子交换法除硬，由于含盐量高，再生频繁，酸碱消耗量大，运行周期短，运行费用很高。

1.2.3膜软化法

膜软化是一种日益兴起的新技术，随着人们对水质要求的逐渐提高和水污染的日益严重，膜软化技术也就越来越受到重视。半个世纪以来，膜分离法完成了从实验室的研究到大规模工业应用的转变，已成为工业上水处理、气体分离、生化产品的分离与纯化和水处理化学的重要过程。常用于水处理的膜分离技术有五种:微滤(MF)、纳滤(NF)、超滤(UF)、电渗析(ED)和反渗透(RO)，其分离过程的推动力、分离机理、主要功能和被截留物质见表,

微滤(MF)是利用静压差为推动力，膜分离是利用膜的“筛分，，作用进行分离的过程。微滤膜具有比较均匀、整齐的多孔结构，在静压差作用下，大于膜孔径的粒子则被阻拦在滤膜表面，粒径小于膜孔径的粒子通过滤膜，从而使大小不同的组分得以分离。MF同NF, RO, OF 一样，均属于压力驱动型膜分离过程，被分离粒子的直径范围在0.08~0.1μm之间。微滤膜在过滤时介质不会脱落、无毒、没有杂质溶出、使用寿命较长、使用和更换方便，并且，膜孔分布均匀，可将大于孔径的细菌、微粒、污染物截留在滤膜表面，还有滤液质量高，也可称为绝对过滤。

超滤是筛孔分离过程在压差推动力作用下进行的，它介于纳滤和微滤之间，超滤膜的膜孔径范围在0.001~0.05μm之间，分离粒子的直径为0.002~0.1μm的胶体物质和大分子物质，是一种从溶液中分离大粒子溶质的膜分离过程。

反渗透是一种以压差为动力、借助于选择性透过膜的功能的膜分离技术，当系统所加压力大于溶液的渗透压时，水分子透过膜、经过产水流道进入中心管，在一端流出。水中原来含有的杂质，如胶体、阴阳根离子、细菌、有机物等被截留，从膜的浓水侧排出，从而达到净化分离的目的。在采用反渗透软化时，一部分进行膜处理，另一部分水绕过反渗透装置，然后将两部分进行混合，混合率就是两者的比值。通过调节混合率，使出水硬度到达要求的标准。与其它水处理方法相比具有以下优点，常温操作、相态变化、效益高、设备简单、操作方便、占地少、适应范围广、能量消耗少，自动化程度高和出水质量好等。但与纳滤相比，反渗透的产水量较低，能耗较高，但其有价格优势。另外，反渗透在进行软化时，能将水中的全部钙镁离子基本去除，但完全软化的水饮用会对人体健康不利。

电渗析法是在直流电场作用下，以电位差作推动力，通过水中阴阳离子的定向迁移，从而实现除盐的目的，它是一种成熟的水处理技术，利用离子交换膜对离子的选择透过性。电渗析有重要地位在膜分离领域，电渗析也是一些地方饮用水的主要生产方法。在用电渗析除硬度时，应加碱性药剂去先除水中的部分非碳酸盐硬度，使水的硬度基本达到饮用水的标准，同时还要降低水的色度和浊度，满足电渗析的进水水质要求，延长膜的寿命，减少膜污染。完全软化的水并不适合饮用，因此电渗析时，不要去除水中全部的钙镁离子，通常硬度在170mg/1的饮用水对人体是最好的。电渗析不但能降低硬度的同时，也能降低水中的溶解性总固体。它在中等含盐量(300~1500mg/L)范围内除盐时，选用电渗析技术从运行和投资费用上都有较大的竞争力，但电渗析运行成本较高，耗电量大，且一次性投资较大。

纳滤是一种新型分离膜在20世纪80年代后期为水软化过程开发的，是介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术。纳滤膜属于有机高分子纳米技术，其膜孔处于纳米级范围，具有松散的表面层结构，最适合饮用水的软化处理。其分离机理为溶解-扩散和筛分并存，然而，它可以有效去除分子量大于200的和二价及多价离子各类物质，而对小分子物质和低价盐的截留率较低。纳滤可在较低的压力((0.5~1Mpa)下实现较高的产水量。纳滤膜的总盐类去除率在50~70%，对SO42-和Ca、Mg的去除率特别高，在净水处理中适用高SO42含量的水的软化，纳滤又保留了人体所需的无害的钾纳等盐分。

纳滤软化在美国己很普遍，很多软化水厂都采用纳滤软化，代替常规的离子交换和石灰软化。国内首套工业化纳滤系统-144t/d纳滤制备饮用水示范工程于1997年在山东长岛南陛城建成投产，至今良好运行。目前，纳滤技术己涉及的应用领域包括医药、食品、环保、化工和水资源等。在软化水(包括饮用水)方面应用最大。特别是用于地下水处理方面，主要目的是降低硬度、去除特定污染物和有机物，减小溶液中离子强度等。NF用于地下水的软化已被众多学者研究，Schaep等研究了使用不同类型的NF膜用于水中硬度的脱除，发现对低价离子的脱除率达60-70%，而对高价离子的截留率超过90%。Sombekke等将各NF膜与粒状活性炭、药物软化用于水的软化进行了比较，发现它们都有较好的处理效果，从低投资费用和健康方面来说，故而NF膜是令人满意的处理方式。此外，NF膜还用于消毒副产物

(DBP )和天然有机物的去除，Escobar等发现TFC-S NF膜在pH 5.5时也高于75%，在pH 7.5时对可同化有机碳的脱除率达90%。B.V Bruggen等发现，NF 70膜对杀虫剂西码津、如荞去津等的去除率也达90%。不同类型的NF膜也能实现对水中四氯乙烯和三氯乙烯的去除。Kettunen等探讨了纳滤膜用于芬兰地下水中铝和氟化物的去除。Urase等详细研究了截留过程pH对砷去除的影响，发现As3十的脱除率随着pH由3增加到10，脱除率由50%增加到89，而对AsS+的影响不太明显，仅由pH 3时的87%增加到pH 10时的93%。纳滤膜还可用于天然水体中铀的去除。

纳滤软化在去除硬度的同时，还可以去除水中的色度、浊度和有机物，并且出水水质明显优于其它软化工艺;纳滤软化具有产水量大，耗能也较低，无须再生、浓缩水排放少、自动化程度高、操作简单、占地面积省等优点，是一种环境友好型的分离方式，其应用具有明显的经济效益和社会效益，这是其他膜技术无法替代的。随着纳滤膜组件价格的不断下降和纳滤技术的发展，纳滤软化法的投资己优于或接近于常规法。

各种软化处理方法各有特点，软化处理受多种因素影响，药剂软化法预处理简单，但出水水质不如膜软化好且管理较繁杂，离子交换软化法对预处理要求严格，费用也较高，而与石灰软化相比，膜软化工艺的建造费和运行费比较高，但膜软化能按照人们的要求生产各种优质饮用水，即使未来的水质标准进一步提高，膜法仍能满足要求。从长远考虑，在建造水厂时，应选择膜技术，特别是随着膜价格降低，膜软化将得到更加广泛的应用。因此，在美国、欧州和日本等发达国家都将膜技术作为有效的水质改善计划中水净化的手段，特别是纳滤，在不远的未来定将成为水净化技术的首选。