反渗透设计相关常见水质类型、水质参数科普

常见水质类型

市政自来水

自来水是指通过自来水处理厂净化、消毒后生产出来的符合相应标准的供人们生活、生产使用的水。生活用水主要通过水厂的取水泵站汲取江河湖泊及地下水，地表水，由自来水厂按照《国家生活饮用水相关卫生标准》，经过沉淀、消毒、过滤等工艺流程的处理，最后通过配水泵站输送到各个用户。

苦咸水
在一定意义上，苦咸水可定义为由于海水的入侵使其TDS值大量增加的低TDS水源。在RO范畴中，可将苦咸水定义为：含盐量TDS值处于中低水平(一般不高于15000ppm)，且可以用最大给水压力600psi的苦咸水RO膜进行处理的反渗透给水。

河水、湖泊

河川水在湖泊或者水库中发生长时间的滞留后悬浮物因为沉降其含量会变少，但另一方面又容易受微生物的影响。湖泊或者水库水容易造成富营养化，致使比重较轻的藻类会过度繁殖，造成湖泊的沉淀凝集功能不良，有时可能会造成过滤池的堵塞。还会因为碳酸同化作用，消耗溶解在水里的二氧化碳，造成湖水的pH增高。

湖泊内部形成水的分层时，水的底层由于处于缺氧的状态会有利于厌氧细菌的生长，还有硫化氢的生成、包括引起铁、锰的再溶解等等。因此，在采用湖泊或者水库水作为原水的时候，必须深入研究对其的处理方式的同时，有必要的话，在取水上尽量考虑不用湖底变质的水。

地下水

地下水在地层的流速极为缓慢，由于自然的滤过作用，几乎不含有悬浮物，但受到流过的地层的影响十分明显。比如，流经石灰盐带的水中钙的浓度就非常高，通过火山地带的地下水中硅的浓度也会变高。通常地下水中由于氧气的不足，显还原性，可能水中含有还原状态的铁或锰，也可能因为地层的不同，含有硫化氢或者钡、锶的情况也会出现。

地下水的悬浮物较少，全年的水温变化也显得比较稳定，作为RO系统的原水来考虑，必须考虑在前处理中需要除去的硬度成分、硅以及含量较多的金属离子。

常见水质参数（水质指标）

温度

温度是一个十分关键的设计参数。给水泵压力、各段产水量平衡、淡水水质及难溶盐的溶解度等各个设计参数均与温度密切相关。作为一种粗略算法：给水温度每降低10华氏度，给水泵压力则需增加15%。各段产水量也受到温度的影响。水温增加时，位于RO系统前端的膜元件产水量增加，而后端的膜元件产水量下降。而水温较低时，各段产水量较为均衡。水温较高时，离子透过膜体的动能增加，因而系统透盐率增加。水温增高时，碳酸钙的溶解度下降。水温降低时，硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶及二氧化硅的溶解度下降。

pH值

给水的pH值定义了它的酸碱性。pH值为7时是中性；为0-7时呈酸性；为7-14时呈碱性。在分析化学中，pH值是氢离子浓度负对数。在水化学中，pH值用于定义二氧化碳、碳酸氢根、碳酸根、氢氧根离子的碱度平衡是十分重要的。浓水的pH值一般较给水pH值偏高，这是由于碳酸氢根、碳酸根离子浓度高于二氧化碳浓度。软件允许用户用盐酸与硫酸调整给水的pH值，用酸降低给水pH值将LSI(朗格里尔)指数下降，且降低碳酸钙沉淀的可能。给水与浓水的pH值也影响着硅、铝、有机物与油脂的溶解度与污染程度。给水pH值的变化还影响了离子的脱除率，pH值下降时氟、硼与硅的脱除率随之下降。

电导率

电导率是表示水中溶解离子导电能力的指标。没有离子的理想纯水，不会产生电流。电导率用电导率仪测量，其单位为微西门子/厘米(μs/cm)。电导率也是测量水中离子浓度的简便方法，但不能精确反映离子种类。离子构成不同，电导值也不同;但电导的数值随离子浓度增加而增加。TDS(溶解固体总量)仪是利用变换因子将电导率值转换为TDS值。在水质分析中，可用不同离子对应的不同转换系数或溶解固体总量(TDS)对应的单一转换系数，估算电导率的数值。可用二氧化碳的ppm浓度的平方根乘以0.6求得其电导率;硅离子对电导率变化不产生影响。RO高纯水最精确的电导率数值是在线测量的。否则，高纯水暴露于空气之中，将改变其二氧化碳含量。

TDS（溶解固体总量）

在水处理工艺中，TDS是滤除悬浮物与胶体并蒸发掉全部水分后的剩余无机物。TDS以ppm或mg/L为单位，在反渗透设计软件中TDS是全部正负离子与二氧化硅的合计。反渗透设计软件中给水与淡水的TDS可以通过各自电导率折算出来。也可以在现场用TDS仪测量TDS，TDS仪测量水的电导率并乘以转换因子即得出已知参考溶液(如氯化钠、氯化钾)的TDS值。值得注意的是：通过电导率数值间接测出的各类离子混合而成水溶液的TDS值，与通过总加各类离子浓度得出的TDS值并不相同。一个粗略算法是：对于氯化钠参考溶液，电导率及TDS值的换算可参考下图。

碱度

碱度主要是指二氧化碳、碳酸氢盐、碳酸盐与氢氧化物。在自然界中土地是碱性体，在中和酸雨过程中其pH值变化不大。二氧化碳与碳酸氢盐溶液的pH值为4.4至8.2;pH值为4.4或更低时，碱度以二氧化碳形式存在;pH值8.2时，不存在二氧化碳，全部碱度均为碳酸氢盐。在pH值为8.2至9.6时碳酸氢盐与碳酸盐溶液相互平衡。pH值为9.6时，不存在二氧化碳与碳酸氢盐，全部碱度为碳酸盐。当pH值在9.6以上时，由于氢氧根离子的存在，出现了氢氧基碱度。大部分自然界中水源的pH值为6.0至8.4，所以氢氧化物的出现是人为的。碱度（特别对于锅炉水化学）可表示为M碱度与P碱度。M碱度是指以碳酸钙计的ppm值表示的水的总碱度(用甲基橙作指示剂，酸滴定终点为pH=4.2）。P碱度测量碳酸氢盐、碳酸盐及氢氧化物的量(用酚酞作指示剂，酸滴定终点为pH=8.2）。

浊度

浊度是对水中不易沉淀的微小胶体悬浮物的检测指标。用浊度仪测量浊度就是测量溶液的相对透光度，并以NTU为单位。RO膜元件运行限值中经常规定：给水的最大浊度为1.0 NTU。

色度

色度是非精确测试参数，依据不同有机物引起色度的大小，可以用色度表示水中有机化合物含量的大小，并使用以白金为标准的APHA单位。

SDI（污染指数）

SDI是针对膜系统而检测给水中悬浮物与胶体粒子淤塞0.45微米孔径滤纸的速度的试验数据。该试验的主要数据是保持30 PSI给水压力状态下在5、10、15分钟内过滤的水量。典型RO元件的使用条件规定了给水的15分钟的最高SDI值为4.0。如果因为淤塞而使SDI试验只进行了5或10分钟，说明给水对RO系统的污染将是十分严重的。略加处理或全无预处理情况下，深井水的SDI值等于或低于3，浊度小于1。对地表水而言，欲达到SDI与浊度的要求，必须采用预处理工艺以去除悬浮物与胶体颗粒。

COD(化学耗氧量）

COD是以氧的ppm值为单位的非精确测试参数，用以测定生物可降解与生物不可降解有机物的含量，即计量重铬酸钾溶液氧化有机物的能力。

BOD (生物耗氧量）

BOD是以氧的ppm值为单位的非精确测试参数，用以测定生物可降解有机物的含量。BOD测量的是20℃下5天培养期内分解全部有机物质时所消耗的氧量。

TOC(总有机碳)

TOC是总有机碳(Total Organic Carbon)或总可氧化碳(Total Oxidizable Carbon)的英文缩写，是一个非精确测试参数。它以碳的ppm值为单位检测与有机物结合的碳的总量。由于TOC仅反映有机物中碳的数量，地表水中有机物的实际重量是该值的3倍。有机物是不包括二氧化碳、碳酸氢盐与碳酸盐在内的含碳的化合物。

在水处理范畴内有机物可分为人造的与自然存在的两类。自然存在的典型有机物包括带负电荷的胶体、悬浮物、鞣酸、木质素、腐烂植物生成的水溶性腐殖酸混合物、腐烂植物生成的棕黄酸等。自然存在的有机物可以污染RO膜，特别是对带负电荷的聚酰胺复合膜。电中性的RO膜即电中性聚酰胺复合膜与醋酸纤维膜具有较强的抗有机物污染能力。RO系统可以有效 地 去除有机物，分子量大于200的有机物可去除99%以上，小于200的依分子量、形状、带电的不同，其去除率也不同。自然水源在RO系统中产生有机物污染的 警戒 水平：TOC为3 ppm、BOD为5 ppm、COD为8 ppm。

阳离子与阴离子

阳离子是正价离子，可吸收电子；阴离子是负价离子，有剩余电子；正负离子可以相互作用。他们对电子的共享形成电中性。例如，钙是二价阳离子可以结合两个单价氯离子形成电中性的氯化钙。不论计量单位是ppm、碳酸钙或meg/l，水中的正负离子浓度均相等。极性弱的阴离子硅虽计入TDS，但不参与阴阳离子平衡。

离子强度

给水中TDS增加时难溶盐的溶解度随之增加。为在计算硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶或SDSI的溶解度时计及上述现象的影响，需要计算水中的离子强度：单价离子的强度是其以碳酸钙计ppm浓度乘以1×10-5，二价离子的强度是其以碳酸钙计ppm浓度乘以2×10-5，依此计算各价离子的强度。总加各类离子的强度即为水的总离子强度。

钠离子(Na+)

钠是单价阳离子，钠盐的溶解度很高，不会在RO系统中造成结垢。海水中钠是主要的阳离子。作为阳离子的钠，在RO给水分析中自动与其它阴离子相平衡。饮食中钠的摄取浓度范围是从低钠的2000 mg/L到平均的3500 mg/L。美国EPA已设立了饮用水水质标准(DWEL)，规定饮用水中钠为20mg/L。每天饮用2升100 mg/L钠含量的饮用水只有200 mg钠。每加仑10打兰(171.2 mg/l)硬度的相对硬水经软化后只含钠79 mg/L。

钾离子(K+)

钾是单价正离子，在水中钾的含量较钠低得多，且有很高的溶解度，不会造成RO结垢。

镁离子(Mg2+)

镁是二价阳离子。镁在苦咸水硬度中约占三分之一，但在海水中可比钙的含量高出五倍。镁盐的溶解度较高，在RO系统中通常不会造成结垢问题。

钙离子(Ca2+)

钙是二价阳离子，钙与镁同为苦咸水中硬度的组成部分。在使用阻垢剂时，硫酸钙(CaSO4)（石膏）的溶解度可达230%。碳酸钙的溶解度LSI（朗格里尔指数）值可以提高1.8-2.5。

锶离子(Sr2+)

锶是二价阳离子。硫酸锶的溶解度很低，可能在RO系统的后端造成沉淀。当硫酸根浓度增加或温度降低时，硫酸锶的溶解度将降低。通常，铅矿附近的井水中含有小于15 ppm浓度的锶。硫酸锶的饱和浓度为100%，而使用阻垢剂时，饱和浓度可达800%。

钡离子(Ba2+)

钡是二价阳离子。硫酸钡(BaSO4)的溶解度很低，能够在RO系统的浓水出口侧造成沉淀。温度降低与硫酸盐浓度增高均使硫酸钡的溶解度进一步下降。钡一般出现在井水中，浓度一般小于0.05-0.2 ppm。钡的检测必须在精度为0.01 ppm(10 ppb)水平的仪器上进行。饱和度为100%，使用阻垢剂时可达6000%。

锰离子(Mn2+)

锰是井水与地表水中的污染物，其含量可达3 ppm。如铁一样，地表水的有机物中存在锰。在无氧气的水中锰呈溶解状态，氧化后呈不溶的黑色二氧化锰沉淀。暴露于空气中的反渗透给水中锰的警戒水平是0.05 ppm。由于会产生黑锈，在饮用水标准中规定了锰含量限值为0.05 ppm。用于控制铁污染的分散剂也可以用于控制锰污染。

铁离子(Fe2+/3+)

铁是以两种形式存在的污染物。溶于水的形式为二价铁。不暴露于空气的井水中，二价铁类似于钙、镁，可通过软水器去除，或在RO原水中加入分散剂以控制RO系统尾部的沉淀。不溶于水的形式为三价铁。

膜生产商建议RO给水中的全部铁含量低于0.05 ppm。如果全部的铁均为可溶的二价状态且pH值低于7.0，可以允许0.5 ppm含铁浓度（尽管此时建议使用分散剂）。空气与可溶二价铁的接触可将其氧化为不溶的三价铁。

井水之中一般存在可溶的铁，当井水被置于容器或水泵密封不严时，即可使二价铁变为的不溶的三价铁。可溶铁可以用分散剂处理，或用铁过滤器、软水器、软化法加以去除。而不溶的三价铁氧化物或以胶体形式存在的氢氧化铁，将污染RO系统的前端。不溶铁的来源是暴露于空气中的井水、地表水、无衬里管路与容器的铁锈。不溶铁的去除可采用铁过滤器、石灰软化法、软化器（部分去除）、超滤器（部分去除）及在给水中加有聚电解质的多介质过滤器（部分去除）。

在锰砂过滤器中使用高锰酸钾须十分注意，因该氧化剂可损伤任何聚酰胺膜。使用阳离子聚电解质同样需要注意，它能够永久污染带负电荷的聚酰胺膜。建议RO系统、预处理系统及RO的供水配水系统中的容器或管道使用耐腐蚀材料(如：FRP、PVC或不锈钢)。作为污染物的铁含量的增加，会造成给水压力及淡水TDS增加。有时铁还会造成生物污染问题，因为它会成为食铁还原菌的食品。食铁还原菌能够生成粘性的生物膜，造成RO给水通道的阻塞。

铝离子(Al3+)

由于铝的可溶性很差，在井水或地表水中不会有很高的浓度。在RO给水中的铝是以胶体形式而不是以离子形式出现，它是市政给水系统或现场处理时澄清池、石灰软化器产生的明矾残留物造成的。明矾(硫酸铝)是常用的絮凝剂，对地表水中带负电荷的胶体(淤泥与黏土)起吸附与沉淀作用。明矾溶入水中变成三价铝与硫酸根。铝离子的水合物与水发生反应形成大量的氢氧化铝水合物，进行聚合并开始吸引水中的负电荷胶体，并会发生铝质胶体在系统中的污堵。因此，在RO给水中0.1-1.0 ppm的铝已达到报警水平。由于铝是中性的，性质较为复杂，在低pH值条件下，铝以带正电荷的三价阳离子或氢氧化铝形式存在;在高pH值条件下，铝以带负电荷的阴离子复合物形式出现。铝合物最小溶解度的范围内，pH值为5.5-7.5。

铵离子(NH4+)

铵为单价阳离子，铵盐极易溶解不会造成RO系统的结垢问题。铵离子是溶于高pH值水中的氨气(NH3)形成的，高pH值水中氨的离解生成了铵离子与氢氧离子；低pH值水中氨为气态，像二氧化碳一样，不会被RO系统脱除。井水中一般不存在铵离子，泥土中细菌的作用已使铵转化为暂态的亚硝酸盐(NO2)进而氧化成常见的硝酸盐离子。铵离子以不超过1 ppm的低浓度存在于地表水中，是破坏有机氮化合物与生物活动的结果。施氨肥农田、畜牧场与发酵场所的排水可以造成地表水的铵污染。由于生物活动与大量有机氮的作用，铵离子在市政污水中可达20 ppm，另外一个铵污染源是氨气与氯气生成的氯氨杀虫剂。

碳酸氢根离子(HCO3-)

碳酸氢根是单价阴离子。碳酸氢钙的溶解度很低，能够在RO系统的浓水出口侧形成沉淀。碳酸氢钙的溶解度测量单位，对苦咸水应该用LSI(朗格里尔饱和指数)，对海水应该用史蒂夫戴维斯指数。温度升高与pH值增加均使碳酸氢钙的溶解度进一步下降。碳酸氢根是碱性物，pH值在4.4-8.2之间时它与二氧化碳相平衡，pH值在8.2-9.6之间时它与碳酸盐相平衡。

碳酸根离子(CO32-)

碳酸根是二价阴离子，碳酸钙的溶解度很低，可在RO系统尾侧结垢。其溶解度对苦咸水用LSI（朗格里尔饱和指数），对海水用SDSI（史蒂夫戴维斯指数）表示。温度上升或pH值增高均使其溶解度下降。碳酸根是碱性成分，pH值在8.2-9.6之间时，其浓度与碳酸氢根平衡。pH值大于9.6时，不存在二氧化碳与碳酸氢根，全部碱性物均为碳酸根。

硝酸根离子(NO3-)

硝酸根是单价负离子，硝酸盐具有高溶解度，不会造成RO系统结垢问题。硝酸根与氨气、铵均为氮基离子，它是自然界中氮循环中的一个环节。RO原水中的氮源自动植物分解、发酵、畜牧及施氮肥农田等排出的水。井水中不存在氨与铵，他们已经被土壤中的细菌转化为亚硝酸盐，进而氧化为更加常见的硝酸根离子。在水质分析中，通常将硝酸根含量表示为氮的ppm值，而不是RO系统所关注的硝酸根的ppm值。欲将前者转化为后者，需将氮的ppm值乘以4.43。

氯离子(Cl-)

氯根为单价阴离子。氯盐的溶解度很高，在RO系统中不会造成结垢。在海水中氯的比重很大。在RO给水分析中氯根被用来自动平衡水中正离子浓度。从味觉方面考虑，美国EPA与WHO标准中指出，饮水中氯根高限为250 ppm。

氟离子(F-)

氟为单价负离子，一般它在井水中的含量较低。为了防止牙病，在市政自来水中需加入氟离子并保持其残留量达2.5ppm，因此氟离子在RO给水中是常见离子。在饮用水中氟含量高于5 ppm即可造成牙斑与骨脆。

RO系统中氟的去除率决定于给水的pH值。pH值显碱性时，由于氟以盐的形式存在，用聚酰胺膜脱除氟可达99%以上;pH值显酸性时，由于氟以酸的形式存在，氟的脱除率可降至50%。

硼 (B)

硼一般存在于海水中，其含量可达5 ppm，内陆咸水湖中含量更低。硼不是污染源，但由于在某些使用环境中会造成不利影响，因此在电子工业中必须去除。硼的化学性质类似于硅，pH值高于10状态下，它以单价硼酸根阴离子形式存在，pH值低于10状态下，它以非离子化的硼酸B(OH)3形式存在，硼酸盐的去除率与pH值有关，pH值高时，取除率也高。

二氧化硅(SiO2)

硅在某种情况下是一个阴离子。它的化学性质很复杂，甚至是不可预测的。TOC(以碳计)表示有机物总量而未指明有机物的构成，同样，硅浓度仅表示了硅的总浓度(以碳计)，但没有指明硅的各种构成的浓度。

水中的硅总量中包括活性硅与惰性硅。活性硅是可溶硅，它被弱电离且未聚合成长链。活性硅是RO与离子交换工艺中希望的形式，也是反渗透设计软件所使用的二氧化硅的形式。虽然活性二氧化硅有阴离子特性，但在水质分析中它未以阴离子方式计入阴阳离子平衡，却以盐的形式计入TDS。惰性硅是聚合硅，或胶体硅，就其性质而言与其说是个离解离子毋宁说是个溶解固体。胶体形式的硅可以被RO系统去除，但可能在RO前端造成胶体污染。胶体硅的直径可小到0.008微米，但只有大于或等于0.45微米的部分才能用SDI来测量。粘土、淤泥、沙石等微粒状的硅混合物一般有1微米或更大的直径，可用SDI值测量。

以二氧化硅做基本粒子的聚合硅在自然界以水晶或玛瑙形式存在，它也是活性硅超饱和的结果。在使用硅分散剂条件下，活性硅的溶解度限值为200-300%。温度的升高、pH值在7.0以下或7.8以上均会使硅的溶解度上升，对硅聚合起催化作用的铁离子存在时，活性硅溶解度下降。在RO系统中，硅的脱除率与原水pH值密切相关，随pH值的增加，该脱除率也增加，这是因为活性硅更多的是以盐的形式存在，而不是酸的形式。

二氧化碳(CO2)

二氧化碳为气体，当溶于水时与水反应生成弱碳酸(H2CO3)。如纯水中二氧化碳处于饱和状态，其浓度约为1600 ppm，pH值约为4.0。自然界水体中二氧化碳的来源是基于pH值的碳酸氢根平衡。水体中的二氧化碳浓度间接的决定于pH值与碳酸氢根浓度的对应关系。二氧化碳与碳酸氢根离子在pH值的4.4-8.2区间保持平衡。pH值为4.4时碱性物均为二氧化碳，pH值为8.2时碱性物均为碳酸氢根。软件程序运用碳酸氢根浓度与pH值计算水中二氧化碳浓度。由于二氧化碳为气体，RO膜对其不具有脱除或浓缩作用，其浓度在给水、淡水与浓水中相同。在给水中加酸将碳酸氢根化为二氧化碳，故而pH值下降。

硫化氢(H2S)

硫化氢呈气态，使给水中有臭蛋气味。其0.1 ppm浓度是异味的临界值，在3-5 ppm浓度时，具有强烈的异味。硫化氢易于被空气、氯及高锰酸钾等氧化剂氧化成硫。硫的作用类似于胶体污染，用传统的介质过滤器不能去除。在系统设计中，建议将硫化氢保留为气态，使其穿过RO系统进入淡水，再对淡水进行处理并去除。

常见离子浓度单位

mg/L

表示给定水体中离子或物质重量的方法之一是毫克/升(mg/L)。对稀溶液而言。毫克/升和ppm是等同的。例如，1000 mg/L(ppm)的氯化钠溶液意味着：一升该溶液蒸发之后，应生成1000 mg氯化钠(NaCl)固体。RO工程师们经常用mg/L单位计算TDS的数值。

Meq/L

表示给定水体中离子或物质的当量重量或浓度的方法之一是毫克当量/升(Meq/L)，该值计算方法是用相应离子或物质的毫克/升(mg/L)数值除以其当量重量。在RO水质分析时meq/L是常用单位，特别用于判断正、负离子总毫克当量值是否平衡。

ppb（1/1,000,000,000）

ppb属于无量纲量，是表示水中某种物质或离子浓度的单位，下列转换关系适用于比重为1的低含盐量的淡水。1 ppb 等于1微克每升(mg/L)，1 ppm 等于1000 ppb。

ppm（1/1,000,000）

ppm属于无量纲量，是表示水中某种物质或离子浓度的单位，下列转换关系适用于比重为1的低含盐量的淡水。1 ppm 等于1毫克每升(mg/L);1打兰每加仑等于17.1 ppm;1磅每1,000加仑等于120 ppm;百分之一的溶液等于10,000 ppm;1 ppm 等于1000 ppb。

ppm(以CaCO3计)

ppm(以碳酸钙计)是表示水中的物质或离子当量浓度的单位。以碳酸钙计的离子ppm浓度。在离子交换工艺中经常使用，用以计算阴阳树脂的离子载荷，水质分析时判断水中正负离子总量是否平衡。由于自然界中正负离子间的平衡是以其化合价与剩余电子计算，而不是以各自的重量计算，因此在水质分析时应采用当量来衡量正负离子的电中性水平。用碳酸钙做标准仅仅由于其分子量为100，其化学价为2，其克当量重为50。将以mg/L为单位的离子浓度值变为以碳酸钙计的ppm浓度值的方法如下：以某离子mg/L浓度值乘以碳酸钙离子克重与某离子克重值比。