1　序言
　　為了提高反滲透和納濾膜系統(tǒng)效率，必須對原水進(jìn)行有效地預(yù)處理。針對原水水質(zhì)情況和系統(tǒng)回收率等主要設(shè)計參數(shù)要求，選擇適宜的預(yù)處理工藝，就可以減少污堵、結(jié)垢和膜降解，從而大幅度提高系統(tǒng)效能，實現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)水量、脫鹽率、回收率和運(yùn)行費(fèi)用的最優(yōu)化。
　　【污堵】定義為有機(jī)物和膠體在膜面上的沉積。
　　【結(jié)垢】定義為部分鹽類的濃度超過其溶度積在膜面上的沉淀，例如碳酸鈣、硫酸鋇、硫酸鈣、硫酸鍶、氟化鈣和磷酸鈣等。
　　預(yù)處理必須考慮全系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行的需要，例如，若混凝澄清池設(shè)計或操作不合理時，會對砂濾器或多介質(zhì)濾器產(chǎn)生超過其極限的負(fù)荷。這樣的不合理預(yù)處理常常造成膜的頻繁清洗，其結(jié)果是清洗費(fèi)用、停機(jī)時間和系統(tǒng)性能的衰減將會十分明顯。
　　適宜的預(yù)處理方案取決于水源、原水組成和應(yīng)用條件，而且主要取決于原水的水源，例如對井水、地表水和市政廢水要區(qū)別對待。通常情況下，井水水質(zhì)穩(wěn)定，污染可能性低，僅需簡單的預(yù)處理，如設(shè)置加酸或加阻垢劑和5µm保安濾器即可。相反，地表水是一種直接受季節(jié)影響的水源，有發(fā)生微生物和膠體兩方面高度污染的可能性。所需的預(yù)處理應(yīng)比井水復(fù)雜，需要其它的預(yù)處理步驟包括氯消毒、絮凝/助凝、澄清、多介質(zhì)過濾、脫氯、加酸或加阻垢劑等。工業(yè)和市政廢水含有更加復(fù)雜的有機(jī)和無機(jī)成份，某些有機(jī)物可能會嚴(yán)重影響RO/NF膜，引起產(chǎn)水量嚴(yán)重下降或膜的降解，因而必須有設(shè)計更加周全的預(yù)處理。
　　一旦確定了所選用的進(jìn)水水源，就須進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的原水全分析。它是確立合適預(yù)處理方案和RO/NF系統(tǒng)排列設(shè)計最關(guān)鍵的依據(jù)。
　　最后，行業(yè)的不同也往往決定了RO/NF預(yù)處理的類型或復(fù)雜程度，例如在電子行業(yè)，其預(yù)處理要比以市政膜法水處理行業(yè)復(fù)雜和嚴(yán)格得多。

2　原水分析
　　進(jìn)入RO/NF預(yù)處理系統(tǒng)的原水類型可按如下規(guī)定劃分：
　☆ 來自一級RO產(chǎn)水的低鹽度高純度產(chǎn)水或超純水系統(tǒng)中的拋光階段的給水，總可溶性固體含量TDS，最高為50mg/L；
　☆ TDS小于500mg/L的低鹽度自來水；
　☆ 天然有機(jī)物含量低，TDS小于5,000mg/L的中等含鹽量地下水；
　☆ TDS小于5,000mg/L的中等含鹽量苦咸水；
　☆ TOC和BOD含量高，TDS小于5,000mg/L的中等含鹽量三級廢水；
　☆ TDS介于5,000~15,000mg/L的高含鹽量苦咸水；
　☆ TDS在35,000mg/L左右的海水。

　　含鹽量為35,000mg/L的海水稱為標(biāo)準(zhǔn)海水，這是因為世界上絕大多數(shù)的海水具有上述的含鹽量，其中的離子組成比例全世界也十分相近，但是實際總TDS變化范圍很寬，從波羅的海的海水含鹽量為7,000mg/L到紅海和波斯灣的海水含鹽量為45,000mg/L。由于土壤影響和內(nèi)陸水的滲入，近海岸井水的含鹽量及組成卻變化極大。

表1 標(biāo)準(zhǔn)海水組成

離 子

濃度(mg/L)

離 子

濃度(mg/L)

鈣

410

硫酸根

2,740

鎂

1,310

氟

1.4

鈉

10,900

溴

65

鉀

390

硝酸根

<0.7

鋇

0.05

碳酸氫根

152

鍶

13

硼

4～5

鐵

<0.02

其它項目

錳

<0.01

TDS

35,000mg/L

硅

0.04～8

pH

8.1

氯

19,700

　　海水淡化系統(tǒng)其制約因素是物理性質(zhì)，即高TDS所導(dǎo)致的極高滲透壓；苦咸水處理系統(tǒng)的制約因素主要是化學(xué)性質(zhì)，即碳酸鈣或硫酸鈣等化合物因進(jìn)水不斷被濃縮，當(dāng)超過其溶度積時，會在膜面上發(fā)生沉淀或結(jié)垢；工業(yè)或市政廢水處理系統(tǒng)存在大量有機(jī)物、無機(jī)物、病毒與細(xì)菌等微生物和藻類，這樣其制約因素不僅僅是物理與化學(xué)因素，還有微生物指數(shù)，即與膜有親和反應(yīng)的有機(jī)碳或生物可降解的溶解性有機(jī)碳。苦咸水的變化范圍極寬，為了提出較佳的工藝設(shè)計方案，必須進(jìn)行水質(zhì)全分析。

所需原水分析報告如下

原水分析單位：______________________________________________分析者：____________________
水源概況： _________________________________________________日期：____________________
電導(dǎo)率：____________________　　 pH值：________________________水樣溫度：________________^oC

組成分析(分析項目請標(biāo)注單位，如mg/L，ppm，meq/L，以CaCO₃ 計等)：
銨離子(NH₄⁺)　 _______________　　　　　　　　二氧化碳(CO₂)　　　_______________
鉀離子(K⁺)　　 _______________　　　　　　　　碳酸根(CO₃^2-)　　　 _______________
鈉離子(Na⁺)　　 _______________　　　　　　　　碳酸氫根(HCO₃^-)　　_______________
鎂離子(Mg²⁺)　　_______________　　　　　　　　亞硝酸根(NO₂^-)　　_______________
鈣離子(Ca²⁺)　_______________　　　　　　　　　硝酸根(NO₃^-)　　　_______________
鋇離子(Ba²⁺)　_______________　　　　　　　　　氯離子(Cl^-)　　　_______________
鍶離子(Sr²⁺)　_______________　　　　　　　　　氟離子(F^-)　　　_______________
亞鐵離子(Fe²⁺)　______________　　　　　　　　　硫酸根(SO₄^2-)　　______________
總鐵(Fe²⁺/Fe³⁺) _______________　　　　　　　　磷酸根(PO₄^3-)　 _______________
錳離子(Mn²⁺)　 _______________　　　　　　　　　硫化氫(H₂S)　　______________
銅離子(Cu²⁺)　_______________　　　　　　　　活性二氧化硅(SiO₂) _______________
鋅離子(Zn²⁺)　 _______________　　　　　　　　膠體二氧化硅(SiO₂) ______________
鋁離子(Al³⁺)　_______________　　　　　　　游離氯(Cl^－)　　______________
其它離子(如硼離子)：____________________________
總固體含量(TDS) _____________　　　　　　　　　生物耗氧量(BOD)_______________
總有機(jī)碳(TOC)_____________　　　　　　　　　　化學(xué)耗氧量(COD)　_______________

總堿度(甲基橙堿度)：
碳酸根堿度(酚酞堿度)：
總硬度：
濁度(NTU)：
污染指數(shù)(SDI₁₅)：
細(xì)菌(個數(shù)/mL)：
備注(異味、顏色、生物活性等)：

注： 當(dāng)陰陽離子存在較大不平衡時，應(yīng)重新分析測試，相差不大時，可添加鈉離子或氯離子進(jìn)行人工平衡。

　　Ba²⁺和Sr²⁺必須分別檢測到1mg/L(ppb)和1mg/L(ppm)數(shù)量級，同時還要考慮到溫度在一定范圍內(nèi)變化的可能，因為溫度變化也會引起系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢的危險，特別是在原水中硅和碳酸氫根含量較高時更應(yīng)注意這一點。
　　一旦系統(tǒng)投入運(yùn)行，原水還應(yīng)該定期進(jìn)行分析，以便能隨時掌握原水水質(zhì)的波動情況，并及時調(diào)整預(yù)處理運(yùn)行工藝參數(shù)和整個水處理工廠的運(yùn)行條件。

3　結(jié)垢控制
3.1　引言
　　當(dāng)難溶鹽類在膜元件內(nèi)不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，它們就會在反滲透或納濾膜膜面上發(fā)生結(jié)垢，如果反滲透水處理系統(tǒng)采用50%回收率操作時，其濃水中的鹽濃度就會增加到進(jìn)水濃度的兩倍，回收率越高，產(chǎn)生結(jié)垢的風(fēng)險性就越大。
　　目前出于水源短缺或?qū)Νh(huán)境影響的考慮，設(shè)置反滲透濃水回收系統(tǒng)以提高回收率成為一種習(xí)慣做法，在這種情況下，采取精心設(shè)計、考慮周全的結(jié)垢控制措施和防止微溶性鹽類超過其溶解度而引發(fā)沉淀與結(jié)垢尤為重要，RO/NF系統(tǒng)中，常見的難溶鹽為CaSO₄、CaCO₃和SiO₂，其它可能會產(chǎn)生結(jié)垢的化合物為CaF₂、BaSO₄、SrSO₄和Ca₃(PO₄)₂，下表列舉了難溶無機(jī)鹽的溶度積數(shù)據(jù)。

表2　難溶鹽溶度積

化合物

分子式

溫度 ºC

溶度積 K_sp

− Log K_sp

氫氧化鋁

Al(OH)₃

25

3 x 10^–34

33.5

磷酸鋁

AlPO₄

25

9.84 x 10^–21

20

碳酸鋇

BaCO₃

25

2.58 x 10^–9

8.6

硫酸鋇

BaSO₄

25

1.1 x 10^–10

10

碳酸鈣

CaCO₃

25

方解石: 3.36 x 10^–9

文石: 6 x 10^–9

8.5

8.2

氟化鈣

CaF₂

25

3.45 x 10^–11

10.5

磷酸鈣

Ca₃(PO₄)₂

25

2.07 x 10^–33

32.7

硫酸鈣

CaSO₄

25

4.93 x 10^–5

4.3

氫氧化亞鐵

Fe(OH)₂

25

4.87 x 10^–17

16.3

硫化亞鐵

FeS

25

8 x 10^–19

18.1

氫氧化鐵

Fe(OH)₃

25

2.79 x 10^–39

38.6

水合磷酸鐵

FePO₄·2H₂O

25

9.91 x 10^–16

15

碳酸鉛

PbCO₃

25

7.4 x 10^–14

13.1

氟化鉛

PbF₂

25

3.3 x 10^–8

7.5

硫酸鉛

PbSO₄

25

2.53 x 10^–8

7.6

氨化磷酸鎂

MgNH₄PO₄

25

2.5 x 10^–13

12.6

碳酸鎂

MgCO₃

12

25

2.6 x 10^–5

6.82 x10^–6

4.58

5.17

氟化鎂

MgF₂

18

25

7.1 x 10^–9

5.16 x 10^–11

8.15

10.3

氫氧化鎂

Mg(OH)₂

18

25

1.2 x 10^–11

5.61 x 10^–12

10.9

11.25

磷酸鎂

Mg₃(PO₄)₂

25

1.04 x 10^–24

24

氫氧化錳

Mn(OH)₂

18

25

4.0 x 10^–14

2 x 10^–13

13.4

12.7

碳酸鍶

SrCO₃

25

5.6 x 10^–10

9.25

硫酸鍶

SrSO₄

17.4

3.8 x 10^–7

6.42

碳酸鋅

ZnCO₃

25

1.46 x 10^–10

9.84

　　為了防止膜面上發(fā)生無機(jī)鹽結(jié)垢，應(yīng)采用如下措施：

3.2　加酸
　　大多數(shù)地表水和地下水中的CaCO₃幾乎呈飽和狀態(tài)，由下式可知CaCO₃的溶解度取決于pH值：Ca²⁺ + HCO₃^–→H⁺ + CaCO₃ 因此，通過加入酸中的 H⁺，化學(xué)平衡可以向左側(cè)轉(zhuǎn)移，使碳酸鈣維持溶解狀態(tài)，所用酸的品質(zhì)必須是食品級。 在大多數(shù)國家和地區(qū)，硫酸比鹽酸更易于使用，但是另一方面，進(jìn)水中硫酸根的含量增加了，就硫酸鹽垢而言，問題會嚴(yán)重。
　　CaCO₃在濃水中更具有溶解的傾向，而不是沉淀，對于苦咸水而言，可根據(jù)朗格利爾指數(shù)(LSI)，對于海水可根據(jù)斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(shù)(S&DSI)，表示這種趨于溶解的傾向。在飽和pHs的條件下，水中CaCO₃處于溶解與沉淀之間的平衡狀態(tài)。
　　LSI和S&DSI的定為：
　　LSI = pH – pH_s (TDS ≤ 10,000 mg/L)
　　S&DSI = pH – pH_s (TDS > 10,000 mg/L)
　　 僅采用加酸控制碳酸鈣結(jié)垢時，要求濃水中的LSI或S&DSI指數(shù)必須為負(fù)數(shù)，加酸僅對控制碳酸鹽垢有效。
3.3　加阻垢劑
　　阻垢劑可以用于控制碳酸鹽垢、硫酸鹽垢以及氟化鈣垢，通常有三類阻垢劑：六偏磷酸鈉(SHMP)、有機(jī)磷酸鹽和多聚丙烯酸鹽。
　　相對聚合有機(jī)阻垢劑而言，六偏磷酸鈉價廉但不太穩(wěn)定，它能少量的吸附于微晶體的表面，阻止結(jié)垢晶體的進(jìn)一步生長和沉淀。但須使用食品級六偏磷酸鈉，還應(yīng)防止SHMP在計量箱中發(fā)生水解，一旦水解，不僅會降低阻垢效率，同時也有產(chǎn)生磷酸鈣沉淀的危險。因此，目前極少使用SHMP，有機(jī)磷酸鹽效果更好也更穩(wěn)定，適應(yīng)于防止不溶性的鋁和鐵的結(jié)垢，高分子量的多聚丙烯酸鹽通過分散作用可以減少SiO₂結(jié)垢的形成。
　　但是聚合有機(jī)阻垢劑遇到陽離子聚電解質(zhì)或多價陽離子時，可能會發(fā)生沉淀反應(yīng)，例如鋁或鐵，所產(chǎn)生的膠狀反應(yīng)物，非常難以從膜面上除去。對于阻垢劑的加入量，請咨詢阻垢劑供應(yīng)商。必須避免過量加入，因為過量的阻垢劑對膜而言也是污染物。
　　在含鹽量為35,000mg/L的海水反滲透系統(tǒng)中，結(jié)垢問題沒有苦咸水中那樣突擊，海水中受濃水滲透壓所困，其系統(tǒng)水回收率在30～45%之間，但是為了安全起見，當(dāng)運(yùn)行回收率高于35%時，推薦使用阻垢劑。
　　 陽離子聚電介質(zhì)可能會與負(fù)電性的阻垢劑發(fā)生協(xié)同沉淀反應(yīng)并污染膜表面，必須保證當(dāng)添加陰離子阻垢劑時，水中不存在明顯的陽離子聚合物。
3.4　強(qiáng)酸陽樹脂軟化
　　可以使用Na⁺離子置換和除去水中結(jié)垢陽離子如Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺。交換飽和后的離子交換樹脂用NaCl再生，這一過程稱為原水軟化處理。在這種處理過程中，進(jìn)水pH不會改變。因此，不需要采取脫氣操作，但原水中的溶解氣體CO₂能透過膜進(jìn)入產(chǎn)品側(cè)，引起電導(dǎo)率的增加，操作者仍可以在軟化后的水中加入一定量NaOH（直到pH8.2）以便將水中殘留CO₂轉(zhuǎn)化成重碳酸根，重碳酸根能被膜所脫除，使反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率降低，F(xiàn)T30膜的脫鹽率在中性pH范圍內(nèi)較高。
　　采用Dowex離子交換樹脂脫除Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺的脫除效率大于99.5%，可消除各種碳酸鹽或硫酸鹽垢的危險。
　　如果及時進(jìn)行再生的話，采用強(qiáng)酸陽離子交換樹指進(jìn)行軟化是非常有效和保險的阻垢方法，但主要用于中小型苦咸水系統(tǒng)中，而海水淡化中不會使用軟化法。
　　這一過程的主要缺點是相當(dāng)高的NaCl消耗，存在環(huán)境問題，也不經(jīng)濟(jì)。選用Dowex Monosphere均粒樹指和逆 流再生工藝，如UPCORE工藝，可以減少NaCl的耗量到110%的理論再生劑所需用量。
3.5　弱酸陽樹脂脫堿度
　　采用弱酸陽離子交換樹脂脫堿度主要是大型苦咸水處理系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)部分軟化以達(dá)到節(jié)約再生劑的目的。在這一過程中，僅僅與重碳酸根相同量的暫時硬度中的Ca²⁺、Ba²⁺和Sr²⁺等為H⁺所取代而被除去，這樣原水的pH值會降低到4～5。由于樹脂的酸性基團(tuán)為羧基，當(dāng)pH達(dá)到4.2時，羧基不再解離，離子交換過程也就停止了。因此，僅能實現(xiàn)部分軟化，即與重碳酸根相結(jié)合的結(jié)垢陽離子可以被除去。因此這一過程對于重碳酸根含量高的水源較為理想，重碳酸根也可轉(zhuǎn)化為CO₂ HCO₃^– + H⁺ → H₂O + CO₂
　　在大多數(shù)情況下，并不希望產(chǎn)水中出現(xiàn)CO₂，這時可以對原水或產(chǎn)水進(jìn)行脫氣來實現(xiàn)，但當(dāng)存在生物污染嫌疑時(地表水，高TOC或高菌落總數(shù))，對產(chǎn)水脫氣更為合適。在膜系統(tǒng)中高CO₂濃度可以抑制細(xì)菌的生長，當(dāng)希望系統(tǒng)運(yùn)行在較高的脫鹽率時，采用原水脫氣較合適，脫除CO₂將會引起pH的增高，進(jìn)水pH>6時，膜系統(tǒng)的脫除率比進(jìn)水pH<5時要高。
　　采用弱酸脫堿度的優(yōu)點如下：
　　☆　再生所需要的酸量不大于105%的理論耗酸量，這樣會降低操作費(fèi)用和對環(huán)境的影響；
　　☆　通過脫除重碳酸根，水中的TDS減低，這樣產(chǎn)水TDS也較低；
　　本法的缺點是：
　　☆　殘余硬度
　　如果需要完全軟化，可以增設(shè)強(qiáng)酸陽樹脂的鈉交換過程，甚至可放置在弱酸樹脂同一交換柱內(nèi)，這樣再生劑的耗量仍比單獨使用強(qiáng)酸樹脂時低，但是初期投資較高，這一種組合僅當(dāng)系統(tǒng)容量很大時才有意義。
　　另一種克服這一缺點的方法是在脫堿度的水中加阻垢劑，雖然迄今為止，人們單獨使用弱酸陽樹指脫堿時，還從未出現(xiàn)過結(jié)垢問題，但是我們?nèi)詷O力建議你計算殘留難溶鹽的溶解度，并采取相應(yīng)的措施。
　　☆　處理過程中水的會發(fā)生pH變化
　　因樹脂的飽和程度在運(yùn)行時發(fā)生變化，經(jīng)弱酸脫堿處理的出水其pH值將在3.5～6.5范圍內(nèi)變化，這種周期性的pH變化，使工廠脫鹽率的控制變得很困難。當(dāng)pH<4.2時，無機(jī)酸將透過膜，可能會增加產(chǎn)水的TDS，因此，我們推薦用戶增加一個并聯(lián)弱酸軟化器，控制在不同時間進(jìn)行再生，以便均勻弱酸處理出水pH，其它防止極低pH值出水的方法是脫除CO₂或通過投加NaOH調(diào)節(jié)弱酸軟化后出水的pH值。
3.6　石灰軟化
　　通過水中加入氫氧化鈣可除去碳酸鹽硬度。
Ca(HCO₃)₂ +Ca(OH)₂→2 CaCO₃+2H₂O
Mg(HCO₃)₂ +2 Ca(OH)₂ →Mg(OH)₂+2 CaCO₃+2H₂O
　　 非碳酸鈣度可以能過加入碳酸鈉(純堿)得到進(jìn)一步地降低。
CaCl₂ + Na₂CO₃ →2 NaCl + CaCO₃ 石灰一純堿處理也可以降低二氧化硅的濃度，當(dāng)加入鋁酸鈉和三氯化鐵時，將會形成CaCO₃以及硅酸、氧化鋁和鐵的復(fù)合物。通過加入石灰和多孔氧化鎂的混合物，采用60～70ºC熱石灰硅酸脫除工藝，可將硅酸濃度降低到1mg/L以下。
　　 采用石灰軟化，也可以顯著地降低鋇、鍶和有機(jī)物，但是石灰軟化處理需要使用反應(yīng)器，以便形成高濃度作晶核的可沉淀顆粒，通常需要采用上升流動方式的固體接觸澄清器，本過程的出水還需設(shè)置多介質(zhì)過濾器，并在進(jìn)入RO/NF之前應(yīng)調(diào)節(jié)pH值，使用含鐵絮凝劑，不論是否同時使用或不使用高分子助凝劑(陰離子或非離子型)，均可提高石灰軟化的固－液分離作用。
　　 僅當(dāng)產(chǎn)水量大于200m³/hr的苦咸水系統(tǒng)才會考慮選擇石灰軟化預(yù)處理工藝。

3.7　預(yù)防性清洗　
　　在某些場合下，可以通過對膜進(jìn)行預(yù)防性清洗來控制結(jié)垢問題，此時系統(tǒng)可不需要進(jìn)行軟化或加化學(xué)品阻垢。通常這類系統(tǒng)的運(yùn)行回收率很低，約25%左右，而且1～2年左右就考慮更換膜元件。這些系統(tǒng)通常是以自來水或海水作水源，制造飲用水的單元件不重要的小型系統(tǒng)，其最簡單的清洗方式是打開濃水閥門作低壓沖洗，設(shè)置清洗間隔短的模式要比長的模式有效，例如常用每運(yùn)行30分鐘低壓沖洗30秒。
　　也可以采用類似于廢水處理中的批操作模式，即在每批操作之后清洗一次膜元件。清洗步驟、清洗化學(xué)品和清洗頻率等需要作個案處理和優(yōu)化。特別要注意采取措施不讓結(jié)垢層隨運(yùn)行時間的延長進(jìn)一步的加劇。
3.8　調(diào)整操作參數(shù)
　　當(dāng)其它結(jié)垢控制措施不起作用時，必須調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以防止產(chǎn)生結(jié)垢問題，因為保證濃水中難溶鹽濃度低于溶度積，就不會出現(xiàn)沉淀，這需要通過降低系統(tǒng)回收率來降低濃水中的濃度。
　　溶解度還取決于溫度和pH值，水中含硅時，提高溫度和pH可以增加其溶解度，二氧化硅常常是唯一考慮需要調(diào)節(jié)這些運(yùn)行參數(shù)以防止結(jié)垢的原因，因為這些參數(shù)的調(diào)節(jié)存在一些缺點，如能耗高或其它結(jié)垢的風(fēng)險(如高pH下易發(fā)生CaCO₃沉淀)。
　　對于小型系統(tǒng)，選擇低回收率并結(jié)合預(yù)防性清洗操作模式是控制結(jié)垢最簡便的手段之一。
　　在電腦上使用陶氏FILMTEC反滲透/納濾系統(tǒng)分析軟件，可以計算出系統(tǒng)是否會有結(jié)垢的傾向，以便提醒客戶采取相應(yīng)的對策。

4 預(yù)防結(jié)垢
4.1 預(yù)防碳酸鈣結(jié)垢
4.1.1 苦咸水水源
　　對于濃水含鹽量TDS≤10,000mg/L的苦咸水，朗格利爾指數(shù)(LSI_C)作為表示CaCO₃結(jié)垢可能性的指標(biāo)。
　　LSI_C=pH_C-pH_S
　　式中pH_C為濃水pH值 pH_S為CaCO₃飽和時的pH值
　　當(dāng)LSI_C≥0，就會出現(xiàn)CaCO₃結(jié)垢。
【LSI_C的調(diào)節(jié)】
　　大多數(shù)天然水未經(jīng)處理時，LSI_C將會是正值，為了防止CaCO₃結(jié)垢，除非在膜系統(tǒng)進(jìn)水中投加阻垢劑或采取前面介紹的預(yù)防性清洗措施，否則必須確保LSI_C為負(fù)值。
　　控制CaCO₃結(jié)垢的條件為：
　　LSI_C < 0，不需要投加阻垢劑；
　　LSI_C≤1.8～2.0，單獨投加阻垢劑或完全采用化學(xué)軟化
　　LSI_C > 1.8～2.0，加酸至LSI_C達(dá)1.8～2.0，然后再投加阻垢劑；或完全采用化學(xué)軟化。
4.1.2　海水水源
　　當(dāng)濃水含鹽量TDS>10,000mg/L的高鹽度苦咸水或海水水源，斯蒂夫和大衛(wèi)飽和指數(shù)(S&DSI_C)作為表示CaCO₃結(jié)垢可能性的指標(biāo)。
　　S&DSI_C=pH_C-pH_S
　　式中pH_C為濃水pH值 pH_S為CaCO₃飽和時的pH值
　　當(dāng)S&DSI_C≥0，就會出現(xiàn)CaCO₃結(jié)垢。
　　【S&DSI_C的調(diào)節(jié)】
　　大多數(shù)天然高含鹽量水源未經(jīng)處理時，S&DSI_C一般是正值，為了防止CaCO₃結(jié)垢，必須通過加酸使S&DSI_C變?yōu)樨?fù)值，如果通過投加阻垢劑防止CaCO₃沉淀的話，S&DSI_C值可以為正值，最大允許S&DSI_C值和所需要的阻垢劑投加量，請參考阻垢劑制造商的技術(shù)資料。如果上述條件不能滿足，就必須采取以下措施：
　☆　降低回收率，直到S&DSI_C值滿足上述任一條件的規(guī)定；
　☆　采用石灰或石灰－純堿軟化方法，脫除進(jìn)水中的鈣硬和堿度，直到S&DSI_C值滿足上述任一條件的規(guī)定；
　☆　在進(jìn)水中加酸(HCl，CO₂，H₂SO₄等)，直到S&DSI_C值滿足上述任一條件的規(guī)定。
　　針對海水淡化系統(tǒng)，通常投加硫酸，其加入量為10mg/L，以達(dá)到pH7，使?jié)馑甋&DSI_C保證負(fù)值。
4.2　預(yù)防硫酸鈣結(jié)垢
就CaCO₄垢而言，采用下述措施之一，就可以實現(xiàn)更高的反滲透回收率：
　☆　強(qiáng)酸陽樹脂軟化或弱酸陽樹脂除堿，可以進(jìn)行鈣的全部或部分脫除；
　☆　石灰或石灰－純堿軟化，降低水中Ca²⁺的濃度；
　☆　根據(jù)阻垢劑供應(yīng)商的規(guī)定，在進(jìn)水中投加阻垢劑；或降低系統(tǒng)回收率。
4.3　 預(yù)防硫酸鋇結(jié)垢
　　硫酸鋇是所有堿土金屬中溶解性最低的鹽類，當(dāng)進(jìn)水中存在硫酸鋇時，會引起大量的沉淀現(xiàn)象，這是因為它對硫酸鈣和硫酸鍶垢的形成起促進(jìn)作用。
　　大多數(shù)天然水中，鋇的含量會導(dǎo)致濃水中硫酸鋇的沉淀，海水中的鋇極限濃度為小于15mg/L，苦咸水中鋇的極限濃度為小于5mg/L，當(dāng)前面加入硫酸的話，則應(yīng)小于2mg/L。
　　預(yù)防措施與硫酸鈣的預(yù)防措施相同。
4.4　預(yù)防硫酸鍶結(jié)垢
　　預(yù)防措施與硫酸鈣的預(yù)防措施相同。
4.5　預(yù)防氟化鈣結(jié)垢
　　如果鈣的濃度較高，只要水中氟離子的含量達(dá)到0.1mg/L，就有可能產(chǎn)生氟化鈣沉淀。預(yù)防措施與硫酸鈣的預(yù)防措施相同。
4.6　預(yù)防硅垢
　　大多數(shù)水源溶解性二氧化硅(SiO₂)的含量在1～100mg/L。過飽和SiO₂能夠自動聚合形成不溶性的膠體硅或膠狀硅，引起膜的污染。濃水中的最大允許SiO₂濃度取決于SiO₂的溶解度。
　　濃水中硅的結(jié)垢傾向與進(jìn)水中的情形不同，這是因為SiO₂濃度增加的同時，濃水的pH值也在變化，這樣SiO₂的結(jié)垢計算要根據(jù)原水水質(zhì)分析和反滲透的操作參數(shù)(回收率)而定。
　　如果出現(xiàn)一定量的金屬，如Al³⁺的話，可能會通過形成金屬硅酸鹽改變SiO₂的溶解度。硅結(jié)垢的發(fā)生大多數(shù)為水中存在鋁或鐵。因此，如果存在硅的話，應(yīng)保證水中沒有鋁或鐵，并且推薦使用1mm的保安濾器濾芯，同時采取預(yù)防性的酸性清洗措施。
　☆　為了提高回收率，進(jìn)行石灰－純堿軟化預(yù)處理時，應(yīng)添加氧化鎂或鋁酸鈉以減少進(jìn)水中的SiO₂濃度，同時確保軟化過程有效運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要，以防止反滲透系統(tǒng)會出現(xiàn)難溶金屬硅酸鹽；
　☆　 由于pH值低于7或pH值高于7.8，可以增加硅的溶解度，就防止硅的結(jié)垢而言，加酸或加堿可以提高水的回收率，但在高pH條件下，要防止CaCO₃的沉淀；
　☆　當(dāng)采用熱交換器增加進(jìn)水溫度時，就二氧化硅的結(jié)垢而言，可以顯著地提高水的回收率，但膜系統(tǒng)的最高允許溫度為45^oC；
　☆　 高分子量的聚丙烯酸脂阻垢劑可以用于增加二氧化硅的溶解度。
4.7　預(yù)防磷酸鈣結(jié)垢　
　　出現(xiàn)磷酸鈣結(jié)垢的情況不太普遍，但是自從反滲透用于市政廢水的處理時，情況就變了，目前，由于水資源的短缺，市政廢水循環(huán)再利用成為陶氏反滲透的最主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，伴隨這種大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)，必須采取針對磷酸鹽結(jié)垢的預(yù)防措施。
　　磷是自然界的豐度元素，存在于許多化合物中，在天然水和廢水中，含磷化合物的存在形成為：
　☆　 顆粒狀磷酸鹽；
　☆　 正磷酸鹽(PO₄^3–)，根據(jù)pH值的不同，正磷酸鹽的表現(xiàn)形態(tài)為H₃PO₄，H₂PO₄^–，HPO₄^2–，和PO₄^3–，在中性 廢水中，H₂PO₄^–和HPO₄^2–為主要成份；
　☆　 聚合磷酸鹽，這是紡織品洗滌劑或其它洗滌產(chǎn)品中的重要成份，因所生產(chǎn)產(chǎn)品的種類而異，一般含有2～7個磷原子；
　☆　 有機(jī)磷，它是生命體的必需元素。
　　最常見的含磷礦為磷灰石，這是含有各種OH^–，Cl^–，和F^–基團(tuán)的磷酸鈣，其它的含磷礦物質(zhì)有時含有鋁或鐵， 下列含磷化合物的溶解度偏低，會引起RO/NF的運(yùn)行出現(xiàn)結(jié)垢。

表1. 低溶解度含磷化合物

化合物

分子式

pK_sp

透鈣磷石

CaHPO₄ ·2H₂O

6.68

磷酸鈣

Ca₃(PO₄)₂

28.9

酸性磷酸鈣

Ca₄H(PO₄)₃·3H₂O

46.9

堿性磷灰石

Ca₅(PO₄)₃OH

57.74

氟化磷灰石

Ca₅(PO4)₃F

60

磷酸氨鎂

MgNH₄PO₄

12.6

磷酸鋁

AlPO₄

20

磷酸鐵

FePO₄

15

　　據(jù)報道，磷酸鈣和磷灰石在中性或堿性條件下，不易溶解，但可以溶解在酸中。磷酸鋁和磷酸鐵在中等酸性條件下，也不易溶解，這樣在預(yù)處理階段，除去鋁和鐵就十分重要，由于磷化學(xué)的復(fù)雜性，也就難以預(yù)測發(fā)生磷酸鹽垢的極限值。
　　為了降低磷酸鹽垢的風(fēng)險，降低正磷酸根的同時還應(yīng)及其注重降低鈣、氟和鋁的濃度，市面上也有適宜的阻垢劑可供選擇。在北美一家市政廢水處理廠，對膜面上磷酸鹽垢的分析表明，主要成份為鈣和磷并伴有少量的鋁，可在pH2.4～2.8左右采用檸檬酸進(jìn)行清洗。
　　建議采用的預(yù)防措施是將進(jìn)水pH減低到6。

水化學(xué)及處理[2]