礦區(qū)監(jiān)測站試驗用水處理與制備工藝
王玉明
（山西省大同煤礦集團公司環(huán)境保護處，大同 037003）
摘要：針對小型監(jiān)測站實驗室用水，研究采用預(yù)處理-反滲透-混合樹脂柱處理工藝凈化自來水，滿足實驗室一級用水技術(shù)指標(biāo)要求，實現(xiàn)分質(zhì)取水目標(biāo)，投入運行后取得良好效果。該工藝對于自來水水質(zhì)硬度高的原水處理效果良好，并具有易于管理、運行費用低和不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 監(jiān)測站 實驗用水 制備工藝 可行途徑
1 監(jiān)測站概況
大同煤礦集團公司環(huán)境監(jiān)測站成立于1984年，實驗室面積約400m2，擁有分析儀器、設(shè)備40臺(套)，開展計量認(rèn)證項目32項。監(jiān)測站擔(dān)負(fù)著區(qū)域內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和重點污染源例行監(jiān)測任務(wù)，是公司實施環(huán)保監(jiān)督管理的重要數(shù)據(jù)依據(jù)。08年監(jiān)測站購置了原子吸收儀等精密儀器，這些設(shè)備用水要求達(dá)實驗室用水技術(shù)要求（GB6682-2008）一級指標(biāo)，通過詳細(xì)測算實驗室各級用水水量，結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)要求，我們研究確定了分級取水、科學(xué)合理、技術(shù)先進、運行費用低、易于管理的實驗室用水制備工藝，并要求廠家按改造后工藝加工成制水機并以２萬元購置，投入運轉(zhuǎn)后效果良好，達(dá)到了改造設(shè)計目標(biāo)要求，滿足了監(jiān)測站正常運轉(zhuǎn)需求。
2 實驗室用水技術(shù)指標(biāo)
2．1 實驗室用水標(biāo)準(zhǔn)
在開展分析監(jiān)測任務(wù)之前，制備合乎分析要求的純水是必不可少的條件之一。對于一般性實驗任務(wù)，采用蒸餾水或去離子水可滿足實驗要求，但對痕量元素的分析，則需要用純度較高的“高純水”。目前，實驗室用水執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB6682-2008。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了實驗室用水的技術(shù)指標(biāo)、制備方法及檢驗方法，詳見表1。
表1 實驗室用水的級別及重要指標(biāo)（GB6682-2008）
指標(biāo)名稱 一級水 二級水 三級水
pH值范圍(25℃) - - 5.0-7.5
電導(dǎo)率(25℃),mS/m ≤ 0.01 0.10 0.50
比電阻（MΩ.cm.25℃） ≥ 10 1 0.2
吸光度(254nm，1cm光程) ＜ 0.001 0.01 -
可氧化物質(zhì)[以(0)計],mg/L ≤ - 0.08 0.40
蒸發(fā)殘渣(105℃±2℃),mg/L ≤ - 1.0 2.0
可溶性硅[以(SiO2)計],mg/L < 0.01 0.02 -
2．2 實驗室用水級別
實驗室用水分為三個級別，一般要保持純凈、防止污染，使用時根據(jù)不同情況選用不同級別的純水。
三級水：常以飲用水或無污染較純凈的天然水為原料經(jīng)過蒸餾、離子交換或電滲析等方法制備。三級水適用于一般的定量分析及日常實驗工作，如沖洗玻璃器皿等。
二級水：二級水可含有微量的無機、有機或膠態(tài)雜質(zhì)。采用雙級復(fù)合床或混合床離子交換柱制備，也可用三級水進行蒸餾制備。適用于精確分析和研究工作，如制備常用試劑溶液，儀器分析實驗一般用二級水。
一級水：一級水基本上不含有溶解或膠態(tài)離子及有機物。采用混合床離子交換柱-0.2um濾膜-蒸餾器工藝制備；或用石英蒸餾裝置進一步蒸餾制得。適用于制備標(biāo)準(zhǔn)水樣或使用液相色譜、原子吸收等檢測痕量物質(zhì)，以及細(xì)胞培養(yǎng)和生物學(xué)指標(biāo)的測試。
實驗用水常用制備方法
實驗室純水制備方法較多，詳見表2。
表2 常用實驗用水制備方法比較
方法 機 理 優(yōu)點 缺點 適用性
蒸餾法 利用雜質(zhì)不和水蒸氣一同蒸發(fā)而達(dá)到水與 制備方法簡單。 無法排除水中揮發(fā)性雜質(zhì)， 選擇不同的蒸餾器和蒸餾次數(shù)，
雜質(zhì)分離 產(chǎn)量低、成本高。 可制備各級用水水質(zhì)
離子 利用樹脂中可交換的離子與水中同性樹脂 操作簡便、設(shè)備簡單、 再生頻繁，耗強酸強堿量大， 可組成多級或混合樹脂柱，適
交換法 離子間的交換作用，將水中各種離子除去 出水量大、成本低。 易造成二次水污染。 用于大量用水的實驗室。
或減少到一定程度，亦稱去離子水。
電滲析法 水中離子在電場作用下發(fā)生遷移，達(dá)到水 設(shè)備和操作管理簡單， 水的純度提高到一定值后需消 常與離子交換法組合制備純水。
與雜質(zhì)分離。 不需要酸堿再生。 耗大量電能，但水質(zhì)提高很少。
反滲透法 利用壓力使水透過膜，可溶性鹽份、有機 操作簡單、運行穩(wěn)定、 膜易堵、更換頻繁，對進水 重要的脫鹽工藝，適用于制備
物及微生物被截留在膜表面隨濃水排出。 產(chǎn)水率高、能耗低。 水質(zhì)濁度要求高 高品質(zhì)純水。
3 原有實驗用水制備工藝
原有制水工藝主要采用組合離子交換樹脂法處理，制備工藝見圖1。
自來水→活性炭過濾→陽離子樹脂→陰離子樹脂→混合樹脂→出水
圖1 監(jiān)測站原有純水制備工藝流程圖
占地面積16m2，樹脂罐4個，其中陽樹脂、混合樹脂和分床樹脂罐均為直徑 0.2m、高1.6m ； 陰樹脂罐直徑 0.3m、高1.8m。水泵4臺，揚程為15m、功率75kw，空氣壓縮機1臺(Ｚ-0036/7-A型)。出水電阻率能達(dá)1.0-1.3MΩ.cm，可以滿足實驗室二級用水要求。原有工藝需定期進行樹脂再生，易對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。08年樹脂失效后，我們決定對制備工藝進行改造。
4 實驗用水制備工藝改造方案
4．1 出水指標(biāo)和水量確定
實驗室一級水主要用于原子吸收儀測定重金屬及糞大腸菌等細(xì)菌學(xué)指標(biāo)的分析，需要量為分析期內(nèi)10Ｌ/d；二級水用于一般實驗室監(jiān)測項目分析，需要量為30Ｌ/d；三級水用于滿足實驗室玻璃器皿洗滌等，需要量為100Ｌ/d。改造工藝應(yīng)能滿足一級用水指標(biāo)要求，并且具備分質(zhì)取水功能。
4．2 制水工藝改造方案
經(jīng)研究確定的制備工藝充分借鑒國內(nèi)外純水機應(yīng)用原理、常用實驗室用水制備工藝及實踐經(jīng)驗，結(jié)合監(jiān)測站規(guī)模小、本地區(qū)自來水硬度高等特點，通過與相關(guān)儀器制造公司合作，確定了能實現(xiàn)間歇出水、分級取水的純水制備工藝，工藝流程見圖2。
自來水→軟水器→二級高效PP過濾→活性炭過濾→反滲透膜→精密混合樹脂柱→超純水
圖2 超純水制備工藝流程圖
4．3 工藝流程說明
改造后制備工藝由軟水器、預(yù)處理、反滲透和超純化柱四個單元構(gòu)成。
①軟水器單元。由于大同地區(qū)自來水硬度高，直接進入純化系統(tǒng)會增加后續(xù)各單元的處理負(fù)荷，影響處理效果，縮減正常運行期，增加耗材和成本。通過采用鈉離子交換劑對原水進行軟化處理，即用 Na+來置換水中的Ca2+和Mg2+，減少水中Ca2+和Mg2+ 的濃度，有效降低后續(xù)環(huán)節(jié)中鈣鎂體沉積。使用的交換樹脂為球狀合成有機物高分子電解質(zhì)，樹脂基質(zhì)內(nèi)藏氯化鈉，每隔固定時間加入10%濃度鹽水進行樹脂還原再生。再生原料為工業(yè)用鹽（氯化鈉），原料來源廣、便宜易得。
②預(yù)處理單元。由精密過濾和活性炭吸附組成。主要任務(wù)是將水中懸浮物、膠體、微生物、有機物、無機物，余氯和重金屬等降低到一定純度，減少對后續(xù)反滲透膜和交換樹脂等裝置的污染。
高效PP過濾：采用1um和5um孔徑高分子纖維濾膜，主要目的是去除微米級的微細(xì)顆粒，起到降低出水濁度作用，也稱保安過濾。
活性炭過濾：活性炭比表面積大，具有很強的物理吸附能力，可以吸附溶解的無機物質(zhì)、余氯、膠體微粒和微生物等，還可脫色除臭。自來水通過軟化、精密PP膜過濾后能滿足活性炭過濾器進水濁度小于3NTU要求，有效防止堵塞活性炭細(xì)孔。本工藝采用馬來西亞AC型活性炭濾芯，物理吸附能力更高、不易沾污，可有效運行三年，更換一個濾芯不足百元。
③反滲透單元。反滲透是較廣泛采用的膜分離工藝，它可有效去除無機鹽、有機物、細(xì)菌、病毒、懸濁物(粒徑大于0.1um)等。本工藝采用美國陶氏公司出品的高效反滲透膜，出水電導(dǎo)率可達(dá)0.2-1mS/m(25℃)，能滿足實驗室三級用水要求。
④超純化混床單元。采用美國羅門哈斯公司生產(chǎn)的頂級混床樹脂，不需再生，超純化柱由六個串連的精密混床樹脂柱組成，出水電阻率值可達(dá)10-16MΩ.cm(25℃)，能達(dá)一級實驗用水要求。
混床樹脂是去除水中雜質(zhì)的主要材料，在離子交換過程中，水中陽離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等與混床樹脂上陽離子H+進行交換，陽離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中；水中陰離子如Cl-、HCO3-、SO42-等與混床樹脂上陰離子OH-進行交換，水中陰離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的OH- 交換到水中，H+ 與OH- 結(jié)合生成H2O，達(dá)到脫鹽目的。
4．4 應(yīng)用情況
監(jiān)測站選用的一體化超純水機制水量為10L/h，最大出水量為240L/d,外型尺寸/重量為375×440×500mm/35kg，工作溫度5-40℃，工作電源220v/50Hz，反滲透出水能達(dá)三級用水技術(shù)指標(biāo)，超純化混床柱后出水可達(dá)一級用水技術(shù)指標(biāo)。2008年8月，改造后的制水設(shè)施成功應(yīng)用于我處監(jiān)測站，經(jīng)有關(guān)化學(xué)試劑研究所檢測，各項水質(zhì)指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值要求。監(jiān)測站原有用水制備系統(tǒng)占地16m2，運行成本1萬元/a。改造后處理工藝只需占地1 m2，耗能低，接通普通工作電源220v/50Hz即可，一體化軟水交換罐年耗工業(yè)鹽50Kg，原料來源廣，價格低廉，主要處理單元反滲透膜和超純化柱三年更換一次，更換費用只需近千元，大大降低了原有制備水處理費用。
5 結(jié)論
國內(nèi)外實驗室使用純水制備系統(tǒng)的方法有許多種，各種工藝和技術(shù)都比較成熟。由于制備系統(tǒng)受到進水水質(zhì)、實驗室規(guī)模等條件影響，不同的實驗室采取的組合工藝各有不同，我站研究確定的制備工藝，充分考慮了地區(qū)水質(zhì)硬度高，實驗室規(guī)模小特點，加強了進水水質(zhì)預(yù)處理，有效降低了運行成本，并具有如下特點：
①出水水質(zhì)高，使用方便。一體化制備設(shè)施占地省，采用微電腦控制，全自動制水，實現(xiàn)分質(zhì)取水，能同時滿足各級實驗用水技術(shù)指標(biāo)。
②操作簡便，易于管理。具備自動反沖洗功能，來水、用水自動開機功能，系統(tǒng)缺水和水箱滿水自動停機功能，水質(zhì)在線自動監(jiān)控功能。
③污染低，易于維護。不需樹脂再生，減少了強酸強堿使用量，避免了對水體產(chǎn)生二次污染；
④即取即用，水質(zhì)變化快。易吸收空氣中二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)，使出水受到污染，降低電阻率，需即取即用。
⑤適用性強，易于推廣?？蓮V泛應(yīng)用于各廠、礦小型實驗室，強化基層單位對各類污染源的日常監(jiān)管，特別是污水處理廠的日常運行管理和維護。
參考文獻(xiàn)：
1、奚旦立主編《環(huán)境工程手冊（環(huán)境監(jiān)測卷）》北京：高等教育出版社 P962-964 1998年
2、諸君漢主編《實驗室實用手冊》北京：機械工業(yè)出版社 1994年
3、國家環(huán)保局編《水和廢水監(jiān)測分析分析方法》北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社 P2-11 1989年
Feasibility ways of experimental water treatment technology for monitoring station
Wang Yuming
(Environmental protection department of DaTong coal mine group company 037003)
Abstract This paper describes feasibility ways of the experimental water treatment technology for small lab. This paper introduces in detail the treatment process using pre-treatment – reverse osmosis – mixed resin-columns. This technology puts into operation with good results and meets the water quality requirement. This process has easy-to-manage ,low operating costs and does not produce secondary pollution for high hardness water treatment.
keywords Monitoring station experimental water treatment process feasibility ways
