矿区监测站试验用水处理与制备工艺
王玉明
（飞禽走兽老虎机：大同煤矿集团公司环境保护处，大同 037003）
摘要：针对小型监测站实验室用水，研究采用预处理-反渗透-混合树脂柱处理工艺净化自来水，满足实验室一级用水技术指标要求，实现分质取水目标，投入运行后取得良好效果。该工艺对于自来水水质硬度高的原水处理效果良好，并具有易于管理、运行费用低和不产生二次污染等优点。
关键词： 监测站 实验用水 制备工艺 可行途径
1 监测站概况
大同煤矿集团公司环境监测站成立于1984年，实验室面积约400m2，拥有分析仪器、设备40台(套)，开展计量认证项目32项。监测站担负着区域内环境质量和重点污染源例行监测任务，是公司实施环保监督管理的重要数据依据。08年监测站购置了原子吸收仪等精密仪器，这些设备用水要求达实验室用水技术要求（GB6682-2008）一级指标，通过详细测算实验室各级用水水量，结合水质指标要求，我们研究确定了分级取水、科学合理、技术先进、运行费用低、易于管理的实验室用水制备工艺，并要求厂家按改造后工艺加工成制水机并以２万元购置，投入运转后效果良好，达到了改造设计目标要求，满足了监测站正常运转需求。
2 实验室用水技术指标
2．1 实验室用水标准
在开展分析监测任务之前，制备合乎分析要求的纯水是必不可少的条件之一。对于一般性实验任务，采用蒸馏水或去离子水可满足实验要求，但对痕量元素的分析，则需要用纯度较高的“高纯水”。目前，实验室用水执行国家标准GB6682-2008。该标准规定了实验室用水的技术指标、制备方法及检验方法，详见表1。
表1 实验室用水的级别及重要指标（GB6682-2008）
指标名称 一级水 二级水 三级水
pH值范围(25℃) - - 5.0-7.5
电导率(25℃),mS/m ≤ 0.01 0.10 0.50
比电阻（MΩ.cm.25℃） ≥ 10 1 0.2
吸光度(254nm，1cm光程) ＜ 0.001 0.01 -
可氧化物质[以(0)计],mg/L ≤ - 0.08 0.40
蒸发残渣(105℃±2℃),mg/L ≤ - 1.0 2.0
可溶性硅[以(SiO2)计],mg/L < 0.01 0.02 -
2．2 实验室用水级别
实验室用水分为三个级别，一般要保持纯净、防止污染，使用时根据不同情况选用不同级别的纯水。
三级水：常以饮用水或无污染较纯净的天然水为原料经过蒸馏、离子交换或电渗析等方法制备。三级水适用于一般的定量分析及日常实验工作，如冲洗玻璃器皿等。
二级水：二级水可含有微量的无机、有机或胶态杂质。采用双级复合床或混合床离子交换柱制备，也可用三级水进行蒸馏制备。适用于精确分析和研究工作，如制备常用试剂溶液，仪器分析实验一般用二级水。
一级水：一级水基本上不含有溶解或胶态离子及有机物。采用混合床离子交换柱-0.2um滤膜-蒸馏器工艺制备；或用石英蒸馏装置进一步蒸馏制得。适用于制备标准水样或使用液相色谱、原子吸收等检测痕量物质，以及细胞培养和生物学指标的测试。
实验用水常用制备方法
实验室纯水制备方法较多，详见表2。
表2 常用实验用水制备方法比较
方法 机 理 优点 缺点 适用性
蒸馏法 利用杂质不和水蒸气一同蒸发而达到水与 制备方法简单。 无法排除水中挥发性杂质， 选择不同的蒸馏器和蒸馏次数，
杂质分离 产量低、成本高。 可制备各级用水水质
离子 利用树脂中可交换的离子与水中同性树脂 操作简便、设备简单、 再生频繁，耗强酸强碱量大， 可组成多级或混合树脂柱，适
交换法 离子间的交换作用，将水中各种离子除去 出水量大、成本低。 易造成二次水污染。 用于大量用水的实验室。
或减少到一定程度，亦称去离子水。
电渗析法 水中离子在电场作用下发生迁移，达到水 设备和操作管理简单， 水的纯度提高到一定值后需消 常与离子交换法组合制备纯水。
与杂质分离。 不需要酸碱再生。 耗大量电能，但水质提高很少。
反渗透法 利用压力使水透过膜，可溶性盐份、有机 操作简单、运行稳定、 膜易堵、更换频繁，对进水 重要的脱盐工艺，适用于制备
物及微生物被截留在膜表面随浓水排出。 产水率高、能耗低。 水质浊度要求高 高品质纯水。
3 原有实验用水制备工艺
原有制水工艺主要采用组合离子交换树脂法处理，制备工艺见图1。
自来水→活性炭过滤→阳离子树脂→阴离子树脂→混合树脂→出水
图1 监测站原有纯水制备工艺流程图
占地面积16m2，树脂罐4个，其中阳树脂、混合树脂和分床树脂罐均为直径 0.2m、高1.6m ； 阴树脂罐直径 0.3m、高1.8m。水泵4台，扬程为15m、功率75kw，空气压缩机1台(Ｚ-0036/7-A型)。出水电阻率能达1.0-1.3MΩ.cm，可以满足实验室二级用水要求。原有工艺需定期进行树脂再生，易对环境产生二次污染。08年树脂失效后，我们决定对制备工艺进行改造。
4 实验用水制备工艺改造方案
4．1 出水指标和水量确定
实验室一级水主要用于原子吸收仪测定重金属及粪大肠菌等细菌学指标的分析，需要量为分析期内10Ｌ/d；二级水用于一般实验室监测项目分析，需要量为30Ｌ/d；三级水用于满足实验室玻璃器皿洗涤等，需要量为100Ｌ/d。改造工艺应能满足一级用水指标要求，并且具备分质取水功能。
4．2 制水工艺改造方案
经研究确定的制备工艺充分借鉴国内外纯水机应用原理、常用实验室用水制备工艺及实践经验，结合监测站规模小、本地区自来水硬度高等特点，通过与相关仪器制造公司合作，确定了能实现间歇出水、分级取水的纯水制备工艺，工艺流程见图2。
自来水→软水器→二级高效PP过滤→活性炭过滤→反渗透膜→精密混合树脂柱→超纯水
图2 超纯水制备工艺流程图
4．3 工艺流程说明
改造后制备工艺由软水器、预处理、反渗透和超纯化柱四个单元构成。
①软水器单元。由于大同地区自来水硬度高，直接进入纯化系统会增加后续各单元的处理负荷，影响处理效果，缩减正常运行期，增加耗材和成本。通过采用钠离子交换剂对原水进行软化处理，即用 Na+来置换水中的Ca2+和Mg2+，减少水中Ca2+和Mg2+ 的浓度，有效降低后续环节中钙镁体沉积。使用的交换树脂为球状合成有机物高分子电解质，树脂基质内藏氯化钠，每隔固定时间加入10%浓度盐水进行树脂还原再生。再生原料为工业用盐（氯化钠），原料来源广、便宜易得。
②预处理单元。由精密过滤和活性炭吸附组成。主要任务是将水中悬浮物、胶体、微生物、有机物、无机物，余氯和重金属等降低到一定纯度，减少对后续反渗透膜和交换树脂等装置的污染。
高效PP过滤：采用1um和5um孔径高分子纤维滤膜，主要目的是去除微米级的微细颗粒，起到降低出水浊度作用，也称保安过滤。
活性炭过滤：活性炭比表面积大，具有很强的物理吸附能力，可以吸附溶解的无机物质、余氯、胶体微粒和微生物等，还可脱色除臭。自来水通过软化、精密PP膜过滤后能满足活性炭过滤器进水浊度小于3NTU要求，有效防止堵塞活性炭细孔。本工艺采用马来西亚AC型活性炭滤芯，物理吸附能力更高、不易沾污，可有效运行三年，更换一个滤芯不足百元。
③反渗透单元。反渗透是较广泛采用的膜分离工艺，它可有效去除无机盐、有机物、细菌、病毒、悬浊物(粒径大于0.1um)等。本工艺采用美国陶氏公司出品的高效反渗透膜，出水电导率可达0.2-1mS/m(25℃)，能满足实验室三级用水要求。
④超纯化混床单元。采用美国罗门哈斯公司生产的顶级混床树脂，不需再生，超纯化柱由六个串连的精密混床树脂柱组成，出水电阻率值可达10-16MΩ.cm(25℃)，能达一级实验用水要求。
混床树脂是去除水中杂质的主要材料，在离子交换过程中，水中阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等与混床树脂上阳离子H+进行交换，阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交换到水中；水中阴离子如Cl-、HCO3-、SO42-等与混床树脂上阴离子OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH- 交换到水中，H+ 与OH- 结合生成H2O，达到脱盐目的。
4．4 应用情况
监测站选用的一体化超纯水机制水量为10L/h，最大出水量为240L/d,外型尺寸/重量为375×440×500mm/35kg，工作温度5-40℃，工作电源220v/50Hz，反渗透出水能达三级用水技术指标，超纯化混床柱后出水可达一级用水技术指标。2008年8月，改造后的制水设施成功应用于我处监测站，经有关化学试剂研究所检测，各项水质指标满足相关标准值要求。监测站原有用水制备系统占地16m2，运行成本1万元/a。改造后处理工艺只需占地1 m2，耗能低，接通普通工作电源220v/50Hz即可，一体化软水交换罐年耗工业盐50Kg，原料来源广，价格低廉，主要处理单元反渗透膜和超纯化柱三年更换一次，更换费用只需近千元，大大降低了原有制备水处理费用。
5 结论
国内外实验室使用纯水制备系统的方法有许多种，各种工艺和技术都比较成熟。由于制备系统受到进水水质、实验室规模等条件影响，不同的实验室采取的组合工艺各有不同，我站研究确定的制备工艺，充分考虑了地区水质硬度高，实验室规模小特点，加强了进水水质预处理，有效降低了运行成本，并具有如下特点：
①出水水质高，使用方便。一体化制备设施占地省，采用微电脑控制，全自动制水，实现分质取水，能同时满足各级实验用水技术指标。
②操作简便，易于管理。具备自动反冲洗功能，来水、用水自动开机功能，系统缺水和水箱满水自动停机功能，水质在线自动监控功能。
③污染低，易于维护。不需树脂再生，减少了强酸强碱使用量，避免了对水体产生二次污染；
④即取即用，水质变化快。易吸收空气中二氧化碳等化学物质，使出水受到污染，降低电阻率，需即取即用。
⑤适用性强，易于推广。可广泛应用于各厂、矿小型实验室，强化基层单位对各类污染源的日常监管，特别是污水处理厂的日常运行管理和维护。
参考文献：
1、奚旦立主编《环境工程手册（环境监测卷）》北京：高等教育出版社 P962-964 1998年
2、诸君汉主编《实验室实用手册》北京：机械工业出版社 1994年
3、国家环保局编《水和废水监测分析分析方法》北京：中国环境科学出版社 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.
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