一般水處理方法及原理

常用的水處理方法有：(一)沉淀物過(guò)濾法、(二)硬水軟化法、(三)活性炭吸附法、(四)去離子法、(五)逆滲透法、(六)超過(guò)濾法、(七)蒸餾法、(八)紫外線消毒法等，現(xiàn)在將這些處理法之原理及功能在此一一說(shuō)明。

一、沉淀物過(guò)濾法:沉淀物過(guò)濾法的目的是將水源內(nèi)之懸浮顆粒物質(zhì)或膠體物質(zhì)清除乾凈。這些顆粒物質(zhì)如果沒(méi)有清除，會(huì)對(duì)透析用水其它精密的過(guò)濾膜造成破壞或甚至水路的阻塞。這是最古老且最簡(jiǎn)單的凈水法，所以這個(gè)步驟常用在水純化的初步處理，或有必要時(shí)，在管路中也會(huì)多加入幾個(gè)濾器(filter)以清除體積較大的雜質(zhì)。濾過(guò)懸浮的顆粒物質(zhì)所使用的濾器種類(lèi)很多，例如網(wǎng)狀濾器，沙狀濾器(如石英沙等)或膜狀濾器等。只要顆粒大小大於這些孔洞之大小，就會(huì)被阻擋下來(lái)。對(duì)於溶解於水中的離子，就無(wú)法阻攔下來(lái)。如果濾器太久沒(méi)有更換或清洗，堆積在濾器上的顆粒物質(zhì)會(huì)愈來(lái)愈多，則水流量及水壓會(huì)逐漸減少。人們就是利用入水壓與出水壓差來(lái)判斷濾器被阻塞的程度。因此濾器要定時(shí)逆沖以排除堆積其上的雜質(zhì)，同時(shí)也要在固定時(shí)間內(nèi)更換濾器。

沉淀物過(guò)濾法還有一個(gè)問(wèn)題值得注意，因?yàn)轭w粒物質(zhì)不斷被阻攔而堆積下來(lái)，這些物質(zhì)面或許有細(xì)菌在此繁殖，并釋放毒性物質(zhì)通過(guò)濾器，造成熱原反應(yīng)，所以要經(jīng)常更換濾器，原則上進(jìn)水與出水的壓力落差升高達(dá)到原先的五倍時(shí)，就需要換掉濾器。

二、硬水軟化法:硬水的軟化需使用離子交換法，它的目的是利用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂以鈉離子來(lái)交換硬水中的鈣與鎂離子，*此來(lái)降低水源內(nèi)之鈣鎂離子的濃度。其軟化的反應(yīng)式如下:

Ca2++2Na-EX→Ca-EX2+2Na+1

Mg2++2Na-EX→Mg-EX2+2Na+1

式中的EX表示離子交換樹(shù)脂，這些離子交換樹(shù)脂結(jié)合了Ca2+及Mg2+之后，將原本含在其內(nèi)的Na+離子釋放出來(lái)。

現(xiàn)在市面上出售的離子交換樹(shù)脂為球狀的合成有機(jī)物高分子電解質(zhì)。樹(shù)脂基質(zhì)(resinmatrix)內(nèi)藏氯化鈉，在硬水軟化的過(guò)程中，鈉離子會(huì)逐漸被使用耗盡，則交換樹(shù)脂的軟化效果也會(huì)逐漸降低，這時(shí)需要作還原(regeneraTIon)的工作，也就是每隔固定時(shí)間加入特定濃度的鹽水，一般是10%，其反應(yīng)方式如下:

Ca-EX2+2Na+(濃鹽水)→2Na-EX+Ca2+

Mg-EX2+2Na+(濃鹽水)→2Na-EX+Mg2+

如果水處理的過(guò)程中沒(méi)有陽(yáng)離子的軟化，不只是逆滲透膜上會(huì)有鈣鎂體的沉積以致降低功效甚至破壞逆滲透膜，同時(shí)病人也容易得到硬水癥候群。硬水軟化器也會(huì)引起細(xì)菌繁殖的問(wèn)題，所以設(shè)備上需要有逆沖的功能，一段時(shí)間后就要逆沖一次以防止太多雜質(zhì)吸附其上。另一個(gè)值得注意問(wèn)題的是高血鈉癥，因?yàn)橥肝鲇盟能浕c再還原過(guò)程是*計(jì)時(shí)器來(lái)控制，正常情況還原作用大多發(fā)生在半夜，這是*閥門(mén)在控制，如果發(fā)生故障，大量鹽水就會(huì)涌進(jìn)水源，進(jìn)而造成病人的高血鈉癥。

三、活性碳:活性碳是由木頭，殘木屑，水果核，椰子殼，煤炭或石油底渣等物質(zhì)在高溫下乾餾炭化而成，制成后還需以熱空氣或水蒸氣加以活化。它的主要作用是清除氯與氯氨以及其它分子量在60到300道爾頓的溶解性有機(jī)物質(zhì)。活性碳的表面呈顆粒狀，內(nèi)部是多孔的，孔內(nèi)有許多約1Onm~lA大小的毛細(xì)管,1g的活性碳內(nèi)部表面積高達(dá)700-1400m2，而這些毛細(xì)管內(nèi)表面及顆粒表面就是吸附作用之所在。影響活性碳清除有機(jī)物能力的因素有活性碳本身的面積，孔洞大小以及被清除有機(jī)物的分子量及其極性(polarity)，它主要*物理的吸附能力來(lái)排除雜物，當(dāng)吸附能力達(dá)飽合之后，吸附過(guò)多的雜質(zhì)就會(huì)掉落下來(lái)污染下游的水質(zhì)，所以必須定時(shí)利用逆沖的方式來(lái)清除吸附其上的雜質(zhì)。

這種活性碳濾器如果吸附能力明顯下降，必須更新。測(cè)定進(jìn)水及出水的TOC濃度差(或細(xì)菌數(shù)量差)是考量更換活性碳的依據(jù)之一。有些逆滲透膜對(duì)氯的耐受性不佳，所以在逆滲透之前要有活性碳的處理，使氯能夠有效的被活性炭吸附，但是活性碳上的孔洞吸附的細(xì)菌容易繁殖滋長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)於分子較大有機(jī)物的清除，活性碳的功效有限，所以必須*逆滲透膜在后面補(bǔ)強(qiáng)。

四、去離子法:去離子法的目的是將溶解於水中的無(wú)機(jī)離子排除，與硬水軟化器一樣，也是利用離子交換樹(shù)脂的原理。在這使用兩種樹(shù)脂-陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與陰離子交換樹(shù)脂。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂利用氫離子(H+)來(lái)交換陽(yáng)離子;而陰離子交換樹(shù)脂則利用氫氧根離子(OH-)來(lái)交換陰離子，氫離子與氫氧根離子互相結(jié)合成中性水，其反應(yīng)方程式如下:

M+x+xH-Re→M-M-Rex+xH+1

A-z+zOH-Re→A-Rez+zOH-1

上式中的的M+x表陽(yáng)離子，x表電價(jià)數(shù)，M+x陽(yáng)離子與陽(yáng)離子樹(shù)脂上H-Re的氫離子交換，A-z則表陰離子，z表電價(jià)數(shù)，A-z與陰離子交換樹(shù)脂結(jié)合后，釋放出OH-離子。H+離子與OH-離子結(jié)合后即成中性的水。

這些樹(shù)脂之吸附能力耗盡之后也需要再還原，陽(yáng)離子交換樹(shù)脂需要強(qiáng)酸來(lái)還原;相反的，陰離子則需要強(qiáng)堿來(lái)還原。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)各種陽(yáng)離子的吸附力有所差異，它們的強(qiáng)弱程度及相對(duì)關(guān)系如下:

Ba2+>pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>CU2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ag1+>Cs1+>K1+>NH41+>Na1+>H1+

陰離子交換樹(shù)脂與各陰離子的親合力強(qiáng)度如下:

S02-4+>I->NO3->NO2->Cl->HCO3->OH->F-

如果陰離子交換樹(shù)脂消耗殆盡而沒(méi)有還原，則吸附力最弱的氟就會(huì)逐漸出現(xiàn)在透析用水中，造成軟骨病，骨質(zhì)疏松癥及其它骨病變;如果陽(yáng)離子交換樹(shù)脂消耗盡了，氫離子也會(huì)出現(xiàn)在透析用水之中，造成水質(zhì)酸性的增加，所以去離子功能是否有效，需要時(shí)常監(jiān)視。一般是*水質(zhì)的電阻系數(shù)(resisTIvity)或傳導(dǎo)度(conducTIvity)來(lái)判斷。去離子法所使用的離子交換樹(shù)脂同樣也會(huì)造成細(xì)菌的繁殖引起菌血癥，這是值得注意的一點(diǎn)。

五、逆滲透法:逆滲透法可以有效的清除溶解於水中的無(wú)機(jī)物，有機(jī)物，細(xì)菌，熱原及其它顆粒等，是透析用水之處理中最重要的一環(huán)。要了解"逆滲透"原理之前，要先解釋"滲透(osmosis)的觀念。所謂滲透是指以半透膜隔開(kāi)兩種不同濃度的溶液，其中溶質(zhì)不能透過(guò)半透膜，則濃度較低的一方水分子會(huì)通過(guò)半透膜到達(dá)濃度較高的另一方，直到兩側(cè)的濃度相等為止。在還沒(méi)達(dá)到平衡之前，可以在濃度較高的一方逐漸施加壓力，則前述之水分子移動(dòng)狀態(tài)會(huì)暫時(shí)停止，此時(shí)所需的壓力叫作"滲透壓(osmoTIcpressure)"，如果施加的力量大於滲透壓時(shí)，則水份的移動(dòng)會(huì)反方向而行，也就是從高濃度的一例流向低濃度的一方，這種現(xiàn)象就叫作"逆滲透"。逆滲透的純化效果可以達(dá)到離子的層面，對(duì)於單價(jià)離于(monovalentions)的排除率(rejectionrate)可達(dá)90%-98%，而雙價(jià)離子(divalentions)可達(dá)95%-99%左右(可以防止分子量大於200道爾敦的物質(zhì)通過(guò))。

逆滲透水處理常用的半透膜材質(zhì)有纖維質(zhì)膜(cellulosic)，芳香族聚醞胺類(lèi)(aromaticpolyamides)，polyimide或polyfuranes等，至於它的結(jié)構(gòu)形狀有螺旋型(spiralwound)，空心纖維型(hollowfiber)及管狀型(tubular)等。至於這些材質(zhì)中纖維素膜的優(yōu)點(diǎn)是耐氯性高，但在堿性的條件下(pH≥8.0)或細(xì)菌存在的狀況下，使用壽命會(huì)縮短。polyamide的缺點(diǎn)是對(duì)氯及氯氨之耐受性差。至於采用那一種材質(zhì)較好，則目前還沒(méi)有定論。

如果逆滲透前沒(méi)有作好前置處理則滲透膜上容易有污物堆積，例如鈣，鎂，鐵等離子，造成逆滲透功能的下降;有些膜(如polyamide)容易被氯與氯氨所破壞，因此在逆滲透膜之前要有活性碳及軟化器等前置處理。逆滲透雖然價(jià)錢(qián)較高，因?yàn)橐话隳鏉B透膜的孔徑約在l0A以下，它可以排除細(xì)菌，病毒及熱原甚至各種溶解性離子等，所以在準(zhǔn)備血液透析析釋用水最好準(zhǔn)備這一道步驟。

六、超過(guò)濾法:超過(guò)濾法與逆滲透法類(lèi)似，也是使用半透膜，但它無(wú)法控制離子的清除，因?yàn)槟ぶ讖捷^大，約10-200A之間。只能排除細(xì)菌，病毒，熱原及顆粒狀物等，對(duì)水溶性離子則無(wú)法濾過(guò)。超過(guò)濾法主要的作用是充當(dāng)逆滲透法的前置處理以防止逆滲透膜被細(xì)菌污染。它也可用在水處理的最后步驟以防止上游的水在管路中被細(xì)菌污染。一般是利用進(jìn)水壓與出水壓差來(lái)判斷超過(guò)濾膜是否有效，與活性碳類(lèi)似，平時(shí)是以逆沖法來(lái)清除附著其上的雜質(zhì)。

七、蒸餾法:蒸餾法是古老卻也是有效的水處理法，它可以清除任何不可揮發(fā)性的雜質(zhì)，但是無(wú)法排除可揮發(fā)性的污染物，它需要很大的儲(chǔ)水槽來(lái)存放，這個(gè)儲(chǔ)水槽與輸送管卻是造成污染的重要原因，目前血液透析用水不用這種方式來(lái)處理。

八、紫外線消毒法:紫外線消毒法是目前常使用的方法之一，它的殺菌機(jī)轉(zhuǎn)是破壞細(xì)菌核酸的生命遺傳物質(zhì)，使其無(wú)法繁殖，其中最重大的反應(yīng)是核酸分子內(nèi)的pyrimidine鹽基變成雙合體(dimer)。一般是使用低壓水銀放電燈的人工253.7nm波長(zhǎng)的紫外線能量。紫外線殺菌燈的原理與日光燈相同，只是燈管內(nèi)部不涂螢光物質(zhì)，燈管的材質(zhì)是采用紫外線穿透率高的石英玻璃。一般紫外線裝置依用途分照射型，浸泡型及流水型。

在血液透析稀釋用水所使用的紫外線是安放在儲(chǔ)水槽到透析機(jī)器之間的管路上，也就是所有的透析用水在使用之前都要接受一次紫外線的照射，以達(dá)到徹底殺菌的效果。對(duì)紫外線的感受性最大的是綠膿菌，大腸菌;相反的，耐受性較大的則是枯草菌芽胞體。因?yàn)樽贤饩€消毒法安全，經(jīng)濟(jì)，對(duì)菌種的選擇性少，水質(zhì)也不會(huì)改變，所以近年已廣泛使用這種方法，例如船上的飲用水就常使用這種消毒法