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水处理工艺设计指南

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  水处理程序设计指南锺政谚 2001/2/22 一、净化处理 二、软水处理 三、饮用水处理 四、锅炉用水处理 五、医疗用水处理 六、医药用水处理,生化用水处理 七、食品饮料用水处理 八、实验室用水处理 九、电着电镀用水处理 十、海水淡化处理 十一、电子厂超纯水处理 十二、冷却水塔 十三、Condensate 回收 十四、电子厂 lowTOClastrinsereclamation 处理 十五、电子厂酸性废水回收处理 十六、封装厂切割废水回收处理(参考用) 十七、封装厂研磨废水回收处理(参考用) 十八、晶元厂 CMP 废水回收处理(参考用) 十九、水处理单元特性说明 二十、水处理需求调查资料表 二十一、水量平衡计算 二十二、水处理系统之管理 二十三、水处理发展之趋势 二十四、水处理书单 二十五、其他 二十六、附录 精心整理 精心整理 page 2 4 8 10 11 12 精心整理 一. 净水处理: 净水处理之作用及目的: 一般净水处理指将原水做初步之净化处理,许多地区并不提供工业用水或自来水,因此需就近引进 水源;并视水源之情况实施初步之净化;即称之为净水处理。 净水处理之要求为将水质处理至自来水标准,通常并不牵涉到脱盐(desalination)程序。其主要要求 为脱色、脱臭、除铁锰、消毒、降低浊度等。 净水处理後水质要求,可参考台湾省自来水标准。 净水处理之程序: 地面水之净水处理: 地面水受季节及气候变化,其进水水质变化较大。在水质调查部份最好有全年度之水文调查资料, 以便於掌握设计变数。一般之处理程序如下: 1.引水 2.沉砂 3.过滤 4.加氯 5.输送 1.引水:引进水源,通常为土木工程范围;例如引水渠道;伏流井取水等。 2.沉砂:原水引进通常挟带泥沙及杂物,通常於进水口处设置栏栅阻拦杂物,原水进入一缓冲池中, 将挟带之泥沙沉淀。 3.过滤:此处过滤常采用重力式过滤,凝集加药亦有时合并使用。 4.加氯:加氯之主要作用在於氧化及消毒,采用加氯法之优点在於残余氯仍有持 续之杀菌能力。一般加氯法皆采用折点加氯法。但最大加氯量不超过 10ppm.一般加氯後之余氯量为 0.5ppm。 5.输送:将净化水输送至下一制程。 最典型之应用为自来水公司之净水场;本公司之客户中例如苗栗长春石化之原水即采用後龙溪之伏 流水,即经上述之处理程序。 精心整理 精心整理 地下水之净水处理: 地下水一般铁锰含量较高,浊度较低,其水质较稳定,净化处理并须针对水质情况设计;大部份之 地下水净化流程如下: 1.除砂 2.氧化 3.沉淀 4.过滤 5.除铁锰 1. 除沙:一般地下水经沉水式帮浦抽取输送至一旋风分离机(cyclone)将水中之砂 粒去除。 2. 氧化:经除砂後,随即添加漂白水(折点家氯法)加氯氧化,或使用臭氧氧化,亦 有采用三至四层之气曝塔实施气曝氧化。其目的为将水中之二价铁氧化 为三价铁,即可凝集沉淀。 3. 沉淀:经氧化後,大部份铁锰即氧化沉淀,此时可添加助凝剂及高分子来加大 其颗粒,水中之其他小颗粒及胶羽亦可变成大颗粒沉淀。 4. 过滤:沉淀池之上层澄清液再经多层过滤器过滤即可得到净水。 5. 除铁锰:如对铁锰要求程度较高时,可在多层过滤器後设置锰纱过滤器 (greensand)过滤,锰砂过滤之设计参数与活性碳相同,一般希望其 过滤流速约为 12M/hr。锰砂经一段时间使用後,其效果降低时,可 使用过锰酸钾(强氧化剂)再生之。 地下水经净化处理後,其处理效果铁锰含量通常0.05ppm 以上之净水处理常用之设计方式,常采用澄清池 clarifier(或称快速凝集沉降池)及重力式过滤器 (gravityfilter)视其水量及场地之大小决定程序之配置,一般因有加氯或臭氧添加,设备皆设置於室 外。 精心整理 精心整理 二. 软水处理: 软水之定义:水中之总硬度40ppmasCaCO3,即称之为软水。 软化之程度视使用者对硬度要求而定,而软化程序之选定亦随原水水质及软化程度不同而异。 广泛之说法为凡可将水中之硬度去除之程序皆可称之为软化程序。 使用药品例如:6 偏磷酸钠或抗垢剂等,并无法降低水中硬度,不能称之为软化。 软化程序之种类:以下之程序皆可达到降低硬度之效果。 1. 煮沸或蒸发 2. 石灰软化法(limesoftener) 3. 天然沸石软化 4. 阳离子交换树脂 5. 纳滤(NF,nanofiltration)或逆渗透法 6. 电透析法(E.D.:eletrodialysis) 其适用时机及流程安排兹分述如下: 1. 煮沸或蒸发法: 使用煮沸法一般只能去除暂时硬度,而无法去除永久硬度。 蒸发法则可去除所有硬度。 不论使用煮沸法或蒸发法;因为其能源消耗量大,故适用於废热充裕或能源充裕之地区,如产油国 家。 煮沸法程序: 锅炉 冷却 多效蒸发法(MSF:multi-stage-flash):中东地区使用作为海水淡化 加药 锅炉 热回收 热循环 预热, 脱气 蒸发罐 加压 冷却 冷却 减压蒸馏法(V.C.:vaporcompressor) 产水 比 MSF 较节省能源之蒸发法: 产水 基本上,采用蒸发法当然不只去除硬度,甚至可脱除大部份盐类,达到海水淡化之程度。 结冰法: 市场上亦有使用冷却至结冰之方式来达到脱盐及软化之效果。 清洗水 进水 浮冰 Ca(OH)2,Na2CO3,MgO 冷却剂 CO2 压缩及膨胀 2. 石原灰水软化法: 凝集沉降槽 (Clarifier) 浓缩水 酸化 软水 石灰软化法是大量用水去除暂时硬度常用之方法。其程序如下: 操作温度如果在 40℃以上时,称之为 Hotlimesoftener,效果较佳 精心整理 污泥;CaCO3;Mg(OH)2;SiO2 精心整理 部份之 SiO2 亦可去除;其机制为沉垫 Mg(OH)2 时之共沉效应;平均去除 7.1ppm 之 Mg++时,可同 时去除 1ppm 之 SiO2 使用此法只可去除暂时硬度,因此要提高去除硬度效果时,则必须添加大量苏打(Na2CO3),使用石 灰软化法时会产生大量之污泥 3. 天然沸石软化法: 天然沸石之功能与钠型阳离子树脂一样;皆可实施离子交换功能;其使用方式亦同样使用盐水再 生;由於离子交换树脂之通用;目前此法已经少人使用。 沸石软化器 软水 盐水再生 4. 阳离子交换树脂: 使用阳离子交换树脂软化为目前最常用之软化方式;其优点为处理後之硬度可降低至 2ppmasCaCO3 以下(此为软化树脂系统常订定之软水规范) 其流程如下: 多层过滤 活性碳过滤 阳离子树脂 再生 再生药品通常使用 NaClorHClorH2SO4 再生;视个案状况决定。 阳离子树脂之选择;视水中硷度决定使用弱酸或强酸型。 5. 钠滤(NF,nanofiltration)或逆渗透法: NF(Nanofiltration)或称之为 looseRO(松式 RO)为对二价(含)以上之离子去除率高;而单价离子去除 率低之薄膜;其截距分子量(MWCO)范围为分子量 200?600,视其用途而异;一般说来; NF(Nanofiltration)对硬度之去除能力为 98%以上;对单价离子包括 HCO3-之去除率为 20?70%;, 故在 NF 之浓缩侧较不易产生 CaCO3 之沉垫。NF 有时又称之为软化 RO。 逆渗透 RO 对离子之去除率可达 90%以上;当然亦可达到软化效果。 其流程如下: 多层过滤 活性碳过滤 滤心过滤 排水 产水 NForRO 6.电透析(E.D.:electrodialysis): 电透析(大陆称为电渗析)为使用直流电场驱动离子透过选择性之离子交换膜,以达到去离子之效 果。电透析之原理为法拉弟定律(Faraday’slaw)。其去离子之效率与操作电流有关,通常可达 90% 以上。 其流程如下: ED 产水 进水 三. 饮用水处理: 饮用水之需求等级并不高,世界卫生组织之规范为总溶解固体(TDS)800ppm,即可作为饮用水; 精心整理 精心整理 但某些水源缺乏地区总溶解固体(TDS)5000ppm 仍有人饮用。国内对饮用水之规范主要限制在於 重金属含量、大肠杆菌、色度、臭度等。 因此;饮用水之处理只要慎选水源;经过净水处理後即可提供为饮用水。 市面上饮用水之商品可大致分为三种: 1. 包装饮用水 2. 矿泉水 3. 加味饮用水 1. 包装饮用水: 水源水质经过处理後,包装贩卖之饮用水。例如:杯水,桶装水;或瓶装水,蒸馏水等。市场上之 包装饮用水目前之制程皆以 RO 为主。国外亦有使用电透析系统生产。市面上之××纯水、××蒸馏水 或××杯水等;都是采用逆渗透系统制造。其要求标准请参考”CNS 包装饮用水标准”。 前处理 RO 水桶 UV 0.2μ m 臭氧 2.矿泉水: 装瓶 CNS 对矿泉水有较严格之定义;一般之规定为规范矿泉水之水源为不受污染之水源;水质检验项 目计有 19 项;对水源地区固定范围内亦有严格之规定。而矿泉水制造包装过程亦规定只能以物理 过滤方式处理,不能改变水质为原则要求。因此市场上矿泉水之价格通常较包装饮用水为高。因为 合格之水源难找。目前,台湾地区合格之水源为统一矿泉水(瑞滨麦饭石矿),台北县深坑之”一之 汨”矿泉水(属麦饭石矿泉水),新竹”竹寮山”矿泉水,宜兰礁溪悦氏矿泉水等四处。在 CNS 规定之前; 宜兰礁溪及埔里为国内矿泉水主要产地,但从 CNS 规定後;只有水源通过标准之厂牌可使用”矿泉 水”外,其他品牌皆不得使用矿泉水;只能称为包装水。其制程大致如下: 10μ m 5μ m 1μ m 0.45μ m 0.2μ m 有些进紫口外之线矿泉水,臭其氧水源并不一充定填符合 CNS 规包定装;但因各地区之特性不一,而在商品上强调其 特性,例如从冰山取出溶解之矿泉水等。 法国知名之”沛绿雅”矿泉水,以蓝色水滴造型瓶子及含天然气泡闻名,其水源因含有少量” 苯”(BENZENE),故处理流程亦采用活性碳过滤以吸附苯。 3.加味包装饮用水: 基本上为包装饮用水再加入其他风味之香料;有些则加入二氧化碳作为苏打水。 包装饮用水处理流程设计注意事项: 除一般之水处理系统外,在後段充填部份,配管应使用卫生级配管。 系统必须设计有 CIP 装置,及定期消毒装置。 卫生级之定义: 1.材质为 SUS3 系列以上 2.接液部份之表面粗糙度等级须达 1.6Ra(μm)以上 3 接液部份不可有死角(deadlag) Ra:中心线Ra 等级以上:精切面: 经一次或多次精密车、铣、磨、搪光、研光、擦光、抛光或刮、绞、搪等有屑切削加工法所得之表 精心整理 精心整理 面,几乎无法以触觉或视觉分辨出加工之刀痕。 四. 锅炉用水处理: 锅炉用水之纯度视锅炉之压力等级而定。 一般在 20kg/cm2 以下之锅炉,使用软水即可 如作为汽电共生用水,其水质要求等级相当於超纯水。 锅炉用水之考量为避免炉管腐蚀或长垢,因此一般要求软水之硬度为 2ppmasCaCO3 以下。 如作为汽电共生用水;其要求一般如下 电导度:0.056μm SiO2:<5ppb TOC:<20ppb D.O.:<5ppb 汽电共生对水质纯度要求主要之原因为避免高精密度涡轮(Turbin)腐蚀及重量不均衡,高速运转下 产生运转异常而损坏。 汽电共生用水处理请参考第十一章:电子厂超纯水系统 精心整理 精心整理 五、医疗用水处理: 医疗用水主要分为医疗器材使用及医疗行为使用二大方面。 医疗器材使用:主要用於医疗器具之清洗、消毒等用途。 医疗行M为M使F用:主要S用O於F 调剂、检A验C等F 用途使用5。μ m RO 医疗器材使用水:主要使用经紫外线杀菌後之 RO 水。其一般流程如下 一般用储途水之桶医疗用水U、V通常其水质U要F求不高,菌落数要求为<100CFU/ml 如有特殊要求,通常参考之水质标准如附录之试剂级用水//USP23 标准//Biomedicalgrade//CAP 标准 等,针对M各M类F标准,加S强OF其杀菌、去ATCOFC、除热源5μ等m处理程序。RO 血液透析用水处理: 其要求水质标准通常为以 AAMI 之要求为标准。 在洗肾室之规划上;通常U设V 计上必须要知0.2道μ水m量之计算 洗肾机之用水比例一般为 A 液:B 液:RO 水=1:1.83:34(洗l/h肾r)机 调配後之透析液电导度约为 14MS/cm 故一般以病储床水数桶计水量之U规V 划如下: UF (病床数×35(l/hr))+其他用途(l/hr)=规划水量 血液透析用水处理处理流程: 0.2μ m Reuse 清洗台 六、医药用水处理,生化用水处理 制药业及生化科技用水需求,请参考第二十六章附录之水质标准表,或依照制程用途需求订定。其 主要重点在 Depyrogenation(除热源)或除菌。因此在後段制程中 UF 超过滤为必要之设计单元。 其水处理制程通常如下: 前处理 UF R使O用点 储水桶 MF UV 如果要求水质纯度高;通常如下列流程设计: 前处理 RO EDI 储水桶 MF UV UF 使用点 後段管线通常必须设计 CIP(Cleaninplace)装置。以便定期清洗及消毒管线。 精心整理 精心整理 七、食品饮料用水处理 食品饮料用水可区分为 1.调理用水 2.包装水 3.矿泉水等 1. 调理用水一般作为食品制程中之添加或清洗等用途,如作为添加入食品或饮料中,因调理食品 添加物通常含有养份;为达杀菌效果,有些制程则加蒸汽或热水;所以调理用水通常处理至软水 即可。 2. 包装水及矿泉水如第三章饮用水处理说明。 精心整理 精心整理 八、实验室用水处理 精心整理 精心整理 九、电着电镀用水处理 精心整理 精心整理 十、海水淡化处理 精心整理 精心整理 十一、电子厂超纯水处理 精心整理 精心整理 十二、冷却水塔 精心整理 精心整理 十三、Condensate 回收 精心整理 精心整理 十四、电子厂 lowTOClastrinsereclamation 处理 精心整理 精心整理 十五、电子厂酸性废水回收处理 精心整理 精心整理 十六、封装厂切割废水回收处理(参考用) 精心整理 精心整理 十七、封装厂研磨废水回收处理(参考用) 精心整理 精心整理 十八、晶元厂 CMP 废水回收处理(参考用) 精心整理 精心整理 十九、水处理单元特性说明 精心整理 精心整理 二十、水处理需求调查资料表 精心整理 精心整理 二十一、水量平衡计算 精心整理 精心整理 二十二、水处理系统之管理 精心整理 精心整理 二十三、水处理发展之趋势 精心整理 精心整理 二十四、水处理书单 精心整理 精心整理 二十五、其他 精心整理 精心整理 二十六、附录: 1、水质标准: 试剂级用水 ReagentGradeWater(ASTM): 试剂级用水为适用於实验室化学分析及物理测试用 TypeⅠ:适用於最高精密度要求之设备如 AA(Atomicabsorption)原子吸收光谱仪、 FES(Flameemissionspectroscopy)火焰式吸收光谱、ligandassays、微量金属分析、酵素反应、电泳步 骤、IC(ionchromatography)离子色层分析、HPLC(highperformanceliquidchromatography)高效率色层 管柱、flurometricprocedure、细胞培养、ag最新网站。介质准备、GC(gaschromatography)气相色层分析、 MASS(massspectroscopy)及 SEM(scanningelectronmicroscopy)电子显微镜。 TypeⅡ:适用於大部份不受微量有机物影响之分析步骤,包括试剂调配及医学用途染色或染料。 TypeⅢ:适用於大部份之实验室调配。 TypeⅣ:适用於大量低纯度需求用水,如人造试剂之补充、清洗水等。 试剂级用水 ReagentGradeWater(ASTM) 性质@25℃ TypeⅠ TypeⅡ TypeⅢ TypeⅣ 电导度μS/cm 0.056 1.0 比电阻 MΩ-cm 18.0 1.0 pH A A 2.5 5.0 0.4 0.2 A 5.0?8.0 SiO2ppb Na+ppb Cl-ppb 3 3 500 NA 1 1 10 50 1 1 10 50 TOCppb 生菌数 CFU/ml 50 100 200 NA 10CFU/L 10CFU/100ml 10CFU/10ml 10CFU/10ml ENDOTOXINUNIT EU/ml(致热源) 0.03 0.25 NA NA A:其 pH 值视所使用之仪器规定。 美国药典标准:第 22 版(USPⅩⅩⅡ) (USPⅩⅩⅢ主要规定水质比电阻与 pH 之关系。) USP 级纯水主要适用於准备作为添加载体之成份,并作为消毒添加物之型式用水,本规定需求程 序中之材质可通过消毒灭菌测试或设计其纯水已处理至消毒灭菌状态并可防止微生物之污染。 针剂用水:用於作为针剂或点滴之溶剂;必须经有最终消毒灭菌步骤,以将微生物污染降至最低, 或预先将纯水消毒杀菌,并保持其水质於杀菌状态。 USPⅩⅩⅡ 性质@25℃ USP 纯水 针剂用水 比电阻 MΩ-cm 总溶解固体 TDSppm pH(注) Cl-ppm SO4-2ppm 0.1 10 5.0?7.0 0.5 0.5 0.1 10 5.0?7.0 0.5 0.5 精心整理 精心整理 NH4OHppm 0.3 0.3 Ca++ppm 0.5 0.5 CO2ppm 4.0 4.0 重金属 ppm 0.5 0.5 总铁 ppm 0.1 0.1 Cu++ppm 0.01 0.01 Cr+6ppm 0.01 0.01 Co+2ppm 0.1 0.1 Mn+2ppm 0.1 0.1 Ni+2ppm 0.1 0.1 颜色 无 无 味道 无 无 氧化物质 通过测试 通过测试 微生物 CFU/100ml 10 大肠杆菌类 CFU/100ml 1 致热源, ENDOTOXINUnits,EU/ml NA 通过杀菌标准测试 无 0.25 注:USPⅩⅩⅢ另有规定检测 USPⅩⅩⅢ纯水及针剂用水 标准 第五次补充修订 第八次补充修订 USP23(1/1/95 生效) (11/15/96 生效) (5/15/98 生效) pH ClSO4= NH4OHppm Ca++ppm 5.0?7.0 0.5 0.5 0.3ppm 0.5 5.0?7.0 取消(以电导度取代) 取消(以电导度取代) 取消(以电导度取代) 取消(以电导度取代) 取消 CO2ppm 重金属 氧化物质 4.0 取消(以电导度取代) 0.5 取消(以电导度取代) 粉红色 粉红色 取消 TDS 1ppm 取消(以电导度取代) TOC NA 电导度μS/cm 10 细菌(CFU/ml)纯水 100 细菌(CFU/ml)针剂 无 致热源, 500ppb 1.3 100 10 500ppb 1.3 100 10 ENDOTOXINUnits, 0.25 0.25 0.25 EU/ml 针剂 精心整理 精心整理 1.3.生物医疗用水(BiomedicalGradeWater): 生物医疗用水适用於药剂调配,生化医疗,化学,及医疗研究。基本上包括细胞培养,色层分析管 柱、massspectroscopy 等实验,或分子及之不纯物分析。 生物医疗用水(BiomedicalGradeWater) 性质 浓度 ppb ARSENIC(砷) 0.1 CADMIUM(镉) 0.1 CHROMIUM(铬) 1.0 COBALT(钴) 1.0 COPPER(铜) 1.0 FLUORIDE(氟化物) 1.0 IRON(铁) 1.0 LEAD(铅) 1.0 NICKEL(镍) 0.1 POTASSIUM(钾) 2.0 SILICA(TOTAL)(二氧化硅) 5.0 SODIUM(钠) 0.5 TITANIUM(钛) 1.0 ZINC(锌) 0.5 ACETATE(醋酸根) 3.0 AMMONIA(氨) 1.0 CHLORIDE(氯化物) 1.0 CHLOROFORM(三氯甲烷) 5.0 FORMATE(甲酸酯) 2.0 NITRATE(硝酸盐) 1.0 PHOSPHATES(磷酸盐) 0.1 PHTHALATES(邻笨二甲酸盐) 0.1 SULFIDE(硫化物) 1.0 SULFATE 1.0 TOC VOC(挥发性有机化合物) 总生菌 CFU/ml Endotoxinunit(EU)/ml(内毒素) 比电阻值 MΩ-cm 终端产水 比电阻值 MΩ-cm 储存或使用点 1.4.美国病理学会: 20.0 5.0 10/1000 0.03 10 1 性质 精心整理 TYPEⅠ TYPEⅡ TYPEⅢ 精心整理 比电阻值 MΩ-cm(线 比电阻值 MΩ-cm(使用) - Silicappm 0.05 pH NA 微生物,CFU/ml 10 2.0 0.1 NA 1000 0.1 1.0 5.0?8.0 NA 精心整理 精心整理 1.5.血液透析用水:AAMIHemodialysiswaterspecifications AAMI 血液透析用水标准 性质 浓度 ppm Aluminum 0.01 Arsenic 0.005 Barium 0.1 Cadmium 0.001 Calcium 2 Chloramines 0.1 FreeChlorine 0.5 Chromium 0.014 Copper 0.1 Fluoride 0.2 Lead 0.005 Magnesium 4 Mercury 0.0002 NitrateasN 2 Potassium 8 Selenium 0.097 Silver 0.005 Sodium 70 Sulfate 100 Zinc 0.1 Bacteria 200CFU/ml Endotoxinlevel 1ng/ml AAMI:AssociationfortheAdvancementofMedicalInstrumentation,Arlington,Virginia 精心整理