【纯水设备www.xqccs.com】预处理是最后（最终）水处理工序前的全部工序或单元操作。预处理是一系列单元操作，旨在改善供水质量，以便用最佳质量的水输给最终处理工序。最终工序可以采用反渗透、超滤法、多或混合床去离子法或蒸馏法。第五和第六章将分别讨论最终工序。

反渗透法因为可能是最终处理工序外的预处理工序，所以是唯一的方法。本章和本指南附录探讨在预处理中的反渗透法应用，但第五和第六章讨论作为一种技术的反渗透法。

本章的头几节讨论预处理方案，包括预处理进水和出水质量的处理方案（编程序问题）。然后本章再讨论四组杂质的处理方案（即：单元操作）选择：

 污垢控制－混浊和微粒清除

 锈垢控制－硬物和金属清除

 有机物和微生物杂质清除

 微生物控制剂清除

本章末尾图4－1概述预处理方案。

本章的最后几节讨论阴离子成分/浓度、PH、建造材料和预处理系统控制的重要性。

本讨论是根据本指南附录介绍的技术说明进行的。

4•2 预处理工艺设计

纯水设备预处理系统的工艺设计是单元操作说明或处理进水的工序。标准资料包括各种蒸汽的流量、温度、压力和成分。给定单元操作的设备详细机械设计或工序不属本指南范围。

预处理系统的工艺设计（编程序问题）可包括下列内容：

a） 最终处理过程所需的用水量和质量

b） 制药工艺和微生物控制方法中使用的有关水的温度制约

c） 选择最终处理方案，因为该方案规定经过预处理所需的水质量

d） 进水质量是预处理系统的输入质量（每年验证水质量）

e） 进水质量与期望的出水质量间的差别。进/出水差别决定必须由预处理系统清除杂质。采用物料平衡方法，即可确定进/出水差别。另外，应注意杂质和微量组分

f） 预处理方案要为期望去除杂质创造条件，同时要考虑劳力、经济、废物处置、环境问题、验证和可用场地以及公用设施的可能性

除了确定杂质清除方案外，微生物控制所采取的措施是预处理系统过程设计不可分割的一部分。考虑的问题包括：

a） 如果进入预处理系统的饮用优质水来向美国的市区，那么，水中一般包含当作微生物控制剂的氯或氯胺。在欧洲，臭氧是更普通的微生物控制剂。控制剂浓度应足以保护预处理的初始工序。

b） 若微生物控制剂数量不足，可另外添加微生物控制剂或采取措施定期消毒预处理系统的起始设备。这种方法适于水来自水源而不是市区。这可保证增加监测供水和初始工序。

c） 在预处理过程的某些点位，必须先清除微生物控制剂后再输入最终处理工序。此时，在消除微生物控制剂后，纯水设备必须给处理工序选择连续或定期消毒措施。

制药用水应包含“无添加物质”的USP要求，该要求消除给“纯化水”或“注射用水”添加化学制剂。不过，预处理不禁止添加化学制剂。预处理经常添加化学制剂，然后在预处理或最后处理中予以清除。例举的一些实例为：

 氯（控制微生物生长，并在预处理后面阶段清除）

 钠离子（多价离子交换软化剂，并在去除离子过程中清除）

 酸（去除二氧化碳、平衡离子脱气作用，并在随后的离子去除过程中清除）

 亚硫酸盐（减少氧化物的氯气或氯胺，减少在形成硫酸盐时的铵和氯化物的氯气，并在软化或去除离子过程中去除）

 多价螯合剂（防止最后处理过程中水锈，并在最后处理中用RO清除）

 PH控制剂（在去除离子过程中清除）

添加剂是导致加快微生物生长或内毒素的一个问题。

最后要考虑的一个问题是预处理投资与运行费和最后处理过程的效能与费用的关系。

 若预处理系统不可靠运行，则最后处理系统将不长期可靠运行。

 

 若预处理系统（微粒、硬物或氯气渗漏）操作不恰当，不可能立即影响最后处理的水质量，但对长期维修和运行可靠性以及对水质量可能有影响。

 预处理能力和可靠性投资能回收许多倍最后处理维修费投资。

 盼望制药用水系统能生产出符合成品药水标准的制药用水。设计的制药用水系统能控制进水质量的杂质测试信号或合理的杂质外形变化。健全的预处理系统设计处理对最后处理有害的杂质测试信号。

预处理系统的过程设计没有一个“正确”答案。纯水设备预处理系统过程设计有一系列抉择和选择，而每种设计都有优点和缺点。

4•3 预处理供水质量：试验和文件

制药用水系统都要求使用符合“饮用水”标准的供水。

大部分制药厂都使用城市自来水。城市自来水一般都符合“饮用水”质量标准，并且用微生物控制剂处理。在美国历史上，微生物控制剂采用氯，但现在一般采用氯胺。供水成分或微生物控制剂浓度可能取决于临时的和季节变化。变化可能对水质会产生不利影响，并且只能用广泛抽样法测取。此外，车间现场水的质量，由于配水系统污染潜在问题或者微生物控制剂损失，不可能等于城市处理设施的水质量。采用车间试验补充的城市用水试验（如适用的话）法或者广泛试验供水质量，即可获得建议的供水质量文件。

供水一般污染物包括：

 粒状物：淤泥、灰尘、花粉、管锈、铁和硅、不溶解矿物和有机物

 无机物：钙/镁盐、含有阴离子的重金属（铁、铝和硅）

 有机物：植物腐烂自然产生的副产品，即：腐殖和雷酸以及诸如杀虫剂和汽车污染（油）“人造”有机物。

 细菌：细菌污染和副产品、内毒素以及致热质

试验建议包括：

 供水符合饮用水质量的文件。这可根据当地可能补充的由市政当局所作的试验或中间试验的结果。中间试验的频次将受市政当局可靠性、监控可变物重要性和公司宗旨的影响。

 预处理系统起动时对微生物控制剂含量监测。氯含量受PH影响。一般认为氯含量为0.2至1.0ppm，这足以控制微生物生长，并且一般对预处理设备或性能影响微不足道。

 供水中对已知的或怀疑的现有污物进行专门试验。这将决定从市政当局取得的资料是否充分；例如：农业地区从农场逸流的表面水源供杀虫剂的供水可以是季节性的。

4•4 预处理出水：进入最后处理的进水质量

预处理目的是保证尽量减少最后处理设备运行/维修问题的水质量，并使最后处理工序生产出符合最后处理期望技术规范的水。

必须在预处理过程中清除使最后处理工序可靠运行的杂质，这取决于所选的最后处理工序和最后处理工序对杂质的公差。若预处理不充分，那么，造成的问题在等级方面变化很大，详见下面的表4－1：

表4－1

最后处理由杂质类型造成的问题等级    杂质

    污垢：由粒状物造成  锈垢：     由硬物和矿物质造成   腐蚀：由氯化物造成  剥蚀：     由氯气造成

反渗透法    大  大  无  大☆

其他（离子交换）膜法    大/中   大/中   无  大☆

单效蒸馏法  中  中  中/大   大

多效蒸馏法  大/中   大/中   中/大   大

汽压蒸馏法  中  中  小  大

 

☆ 视膜而定

最后处理过程供水预处理要求通常包括：

关于膜

关心的问题是悬浮固体（微粒）污垢和因为去除水而锈垢（沉淀固体）。预处理控制的标准目的可能是现场分析泥沙密度指数（SDI）3～5和硬物小于1粒/加仑。膜允许用氯化物，但是，只有某些膜允许用氯气。

关于蒸馏

关心的问题是因硬物形成锈垢和因氯化物而造成腐蚀。标准的水质量可能为1莫姆/cm，这常常需要预处理以外进行另外处理，即：RO法或超滤法。蒸馏法因腐蚀对氯气无公差，并对产品无蒸汽夹带水。蒸馏法对粒状物有些公差。

预处理一般对表示水质量，诸如阴离子、微生物含量、导电性、总有机碳（TOC）和挥发物等其他参数影响极小。

可靠地给最后处理提供所需的供水质量选择预处理，不管供给的饮用水质量测试信号，都将减少最后处理的运行和维修费用。

4•5 污垢控制：泥沙和粒状物清除

清除粒状物的减少泥沙的主要方法有：

 澄清并同时作业凝聚、凝结物和沉积物

 深度或介质滤清，包括单/多介质滤清（由介质保持的微粒）

污垢定义、滤清机构和标准清除过程在本指南所附的附录中概述。

因为供水水源是饮用水质量或更好质量水源，所以不使用澄清法。

深度或介质滤清用于制药用水系统，并且常常是预处理系统的头道工序。多尺寸沙是最普通的介质，但其他介质可给有些供水提供更好的性能。可清除10微米的粒状物，并取决于介质的选择。除非供水含有微生物控制剂，否则，微生物生长是介质滤清器的一个关键问题。换句话说，在深度滤清器中需要微生物控制（例如：采用加热或化学消毒剂进行定期消毒）。

4•6 水锈控制：硬物和金属清除

水在最后处理过程中与杂质分离时，低溶性化合物集中沉积的地方。沉积，即水锈是二价和三价阳离子，通常为少量可溶性盐，诸如碳酸盐或硫酸盐超溶解性造成的。对此的控制方法为：

 离子交换清除法。主要是钙和镁，并可包括二价/三价离子，诸如铁、铝和二氧化硅。预处理通常是水软化（交换离子使钠离子硬化和水锈）。

 酸化清除碳酸盐。酸化作用是将碳酸盐转成二氧化碳，接着脱气清除碳酸盐。

 阻挡滤清法，例如毫微滤清法清除化合物。水流过膜，化合物被膜挡住，然后当作排出蒸汽清除。

上述清除方法详见本指南所附的附录。

去除二价/三价离子并用钠替换的水软化离子交换，是制药用水预处理使用的最普通方法。该方法适于各种流量和各种硬度级的水，并且易熟悉易操作。水软化离子交换法只涉及处理盐，并产生无害废蒸汽。不过，废蒸汽里的高总溶解固体（TDS）可限制处置选择。水软化采用手动或PLC都易于控制。

关于大流量（>50gpm或0.18m3/min）和高硬度（>50ppm）水，脱气法（酸化后）可是选择的方法。脱气法经常在RO两阶段之间使用，并涉及两次PH调整处理酸和碱：

 RO第一阶段前减少PH

 RO第一阶段前增加PH

脱气法的主要优点为：生成的二氧化碳释放到大气中，而不是需要处置的液态废蒸汽。

毫微滤清法是某些供水和特殊情况可采用的膜法。滤清一般为交叉流动，并涉及值得关注的排出蒸汽。RO排出蒸汽很多，膜的孔大小与离子去除的对应效果有差别。二价离子去除可超过98%。

化学制剂注射是控制造成水锈离子或化合物的另一种方法。该方法是给最后处理供水注射化合剂（通常是专利有机化合剂）。该化合剂称多价螯合剂，并且使损坏的离子或化合剂生成在最后处理过程中更能溶解、不沉积的一种复合剂，即化合剂。“复合的离子和多价螯合剂”有大分子量，并在最后处理过程中当作排出蒸汽去除。多价螯合剂几乎都是专利化合剂，所以要求试验，以便验证专用供水的适用范围和剂量，并在最后处理过程中分析验证去除情况。

预处理系统过程设计的关键选择是软化器的位置。在清除供水中的微生物控制剂（通常使用氯气）前或后有两种选择，若要控制微生物生长，给供水增加微生物控制剂。

清除微生物控制剂前设置的软化器：主要优点是用供水中的微生物控制剂保护软化器，以防微生物生长。若微生物控制剂为氯气，则对城市氯气供水中的标准氯气含量树脂寿命和效率只有很小的影响（<1ppm）。

清除微生物控制剂后设置的软化器：其优点是树脂寿命和能力更好（由于没有微生物控制剂的氯气）。不过，这必须保护防止微生物生长和内毒素含量的软化器进行平衡（即：采用定期消毒法以及有关加热或化学制品、劳力、停机时间和废汽处置等费用）。

4•7 有机物清除

水系统中一般存在的有机物和微生物杂质种类和清除方法在本指南提供的附录中探讨。有机物清除法为：

 臭氧清除法

 强碱离子交换法

 阻挡滤清法（精滤、超滤或反渗透法）

 聚合物絮凝法

 碳法

臭氧是控制微生物生长的强氧化剂，并减小因氧化而生成有机物的浓度，但需相容结构材料。

强碱离子交换清除有机物，从而导致因树脂再生而含有高浓度盐水和有机物排出蒸汽。

孔眼合适的阻挡滤清把有机物和微生物生长捕获在阻挡层上，并能添加聚合物絮凝剂予以帮助。阻挡滤清的潜在问题是微生物生长“经阻挡层生长”，从而在阻挡层顺流侧上造成微生物污垢。

碳法也许是减少有机物最普通的方法。使用该方法是因功能多，包括清除有机物和清除或减少氯气/氯胺用量（若有这种气和正确地设计碳滤清器）。使用碳的优点是：它是一种常用技术，具有多功能和有效“清洁供水”，并且只要定期消毒，就能控制微生物生长。而缺点是：它既是一种微生物生长源又是一种营养素源。

4•8 控制微生物生长的系统设计

控制微生物生长的方法在指南提供的附录中概述。预处理中控制微生物生长使用的方法有：

 微生物控制剂，诸如氯气或氯胺

 定期消毒（加热或化学制剂）

 紫外线

 避免死支管和避免水滞流

在预处理系统设计中，一般对策是在尽可能经很多预处理工序的供水中，保留由市政当局提供的微生物控制剂，以便保护预处理工序免遭微生物生长。

不过在有些地方，因为微生物控制剂与最后处理方法不相容，所以，必须清除这些控制剂（氯气或氯胺）。此时，唯一的选择是定期消毒，或者采用加热法或者采用化学消毒剂。这必须包括在经抽样和试验，验证和监测效果所采取的措施一并提供的预处理系统设计书中。若用化学消毒剂，则还需提供清除消毒剂和监测清除效果的措施。

抑制微生物生长采用紫外线是有效的手段，但是，只有使用紫外线时有效。系统操作前常常使用紫外线，旨在控制供水中的微生物数量，尽量减少系统操作微生物生长。使用紫外线最常用的地方是反渗透装置和有些滤清器前面的地方。

4•9 微生物控制剂的清除

在预处理的有些地方，因为微生物控制剂对最后处理设备和设备性能有有害影响，所以必须清除。氯气会造成反渗透绝大多数膜变质，并且腐蚀蒸馏液。氯胺能通过预处理系统，并且在蒸馏过程中分解，从而使水质量产生有害影响。

消除氯气和氯胺的方法大同小异，详情见本指南提供的附录。

关于氯气清除，活性碳是吸收氯气的一个简单方法。碳将一些氯气变为氯离子，然后用最后处理离子清除法清除。亚硫酸盐还原法也是简单的方法，即将亚硫酸盐氧化成硫酸盐，然后氯气还原成氯离子。

氯胺清除比较复杂。即使流动速度比氯气慢得多，在碳上也会发生氯胺吸收，所以需要较长的接触时间和较慢的流速。把吸收的氯胺分解成铵离子和氨的潜力是一个问题。铵用反渗透法清除，但用蒸馏法分解成氨。氨在最后处理中通过反渗透和蒸馏流程。

氯胺亚硫酸盐还原导致铵和氯离子。这可用反渗透法清除。铵离子在较高温度蒸馏过程中部分分解成氨，从而导致汽夹水，并影响水质量。

氨（来自氯胺）和二氧化碳清除需要正确控制PH值，以保持RO中清除离子样的物质。如有保持离子物质所需的碱性条件，则碳酸盐、碳酸氢盐和二氧化碳平衡依赖PH值。铵和氨之间的平衡取决于PH值和温度，其酸性条件需保持离子物质。不是在一个PH地方，这些物质都是碳酸盐和铵离子。因此，需要采用合适清除工艺执行两个PH调整步骤来清除氯胺和二氧化碳。

4•10 阴离子成分/浓度变化

预处理系统一般清除非离子杂质和阴离子。因此，离子成分或浓度变化通常是次要的。不过，在最后处理工序前，可用RO法清除氯化物，这对最后处理中的一些蒸馏工序会有影响。

影响阴离子成分的预处理方法有：

 脱离子

 脱气

 清除氯气和氯胺和碳床滤清

 清除氯气和氯胺的还原

 阻挡滤清（超微滤、超滤和反渗透）

离子交换树脂用于清除阳离子或阴离子。用于清除阴离子（阴离子树脂）的离子交换树脂一般交换羟基离子的阴离子（氯化物、硫酸盐、亚硝酸盐和碳酸盐以及碳酸氢盐，如PH值合适）。离子交换可在单床、混合床或双床进行，并且若有阴离子树脂的话，则将影响阴离子成分。第五章探讨专门清除阴离子的去离子法和离子交换。

去除硬物的脱气和伴随的酸化法改变阴离子成分。水用非挥发性酸（通常用基于成本和容易清除最后所得阴离子的酸盐，即硫酸盐）酸化，旨在将碳酸盐和碳酸氢盐转成采用脱气法即能清除的溶解CO2。净效应用硫酸盐替换碳酸氢盐和碳酸盐（参见本指南提供的附录）。

如上所述，碳床滤清吸收供水中的氯和氯胺。不过，有些氯还原成氯化物，并在随后的离子去除过程中，通常在最后处理时去除。

因为硫酸氢盐氧化成硫酸盐和氯，即氯胺还原成氯化物和铵，所以常用硫酸氢盐还原法去除氯和氯胺，就能改变离子成分和浓度。

有些阻挡滤清（尤其是超微滤清）能去除一些较大的阴离子。可采用反渗法去除蒸馏作业前的氯化物离子。

4•11 预处理中PH值的重要性

关于碳酸盐、碳酸氢盐和二氧化碳间平衡的PH效应，在本指南附录中探讨。

EPA饮用水标准所需的PH值范围为6.5～8.5。由于酸水的腐蚀性和碱水的锈垢潜力，绝大部分饮用供水的PH值范围实际上都较小。

因为供水的PH值和季节变化都对预处理和最后处理过程设计有影响，所以需要知道PH值和季节变化。PH值决定二氧化碳形成、锈垢潜力和清除二氧化碳（碳酸盐）的地方（参见本指南附录）。

由于供水中有氯胺，所以预处理设计中的一个复杂因素是氨的潜在存在。氨是二氧化碳为离子（碳酸盐）PH值条件下的一种溶解气体，并且在二氧化碳为溶解气体PH值条件有离子（铵）。因此，无法在一个PH值条件下去除二氧化碳和氨。如果同时存在二氧化碳和氨，则需用如下两个PH值调整工序：

 在去除二氧化碳或氨后进行PH调整

 PH值变化，以便去除其他化合物

上述工序可以是预处理或最后处理的一部分。

4•12 建造材料和建造法

预处理系统中的管道可以是铜、镀锌钢或适用的热塑塑料管。预处理系统中不承受高温地的管子，一般为价廉物美、耐蚀的塑料管（PVC、CPVC、聚丙烯或其他材料管）。有些塑料，诸如PVC和CPVC的渗漏使这些材料不受用户欢迎。容器材质可以是玻璃纤维、衬里碳钢或不锈钢。

预处理系统部分的管道和设备可能要承受高温（定期加热消毒）或高压（RO加脱气）。在这样的部位，管子材质一般为不锈钢或能加热消毒的，诸如PVDF塑料管。高压设备可以是碳钢、衬里碳钢或不锈钢。上述材料可采用精轧工艺，无需电抛光。

在预处理系统中，对消毒建造法，诸如轨道焊和消毒管接头的费用可不予以保证。溶剂胶粘或加热熔合的塑料管、焊接或精轧法兰连接不锈钢管或设有压缩管接头管的用途为一般用途。球阀或隔膜阀控制流动转换，而球阀和针阀控制流量。选用不降低水质量的成本最低的管件是主要节约的地方。

每个设备的上、下游，都应提供监测和查寻/排除故障的取样点。现场测取压力/温度点亦用于查寻/排除故障。

4•13 预处理结语

预处理选择的控制原理可能对投资和连续运行费影响很大。预处理可靠运行和控制能大大减少最后处理的运行和维修费。预处理的主要工序有：

 清除混浊和微粒，尽量减小膜和设备污垢

 清除硬物和金属，防止最后处理锈垢

 清除有机物和微生物杂质

 控制微生物生长，并清除微生物控制剂，以防最后处理恶化

上述工序因为对最后处理水的质量有直接影响或者对最后处理设备的性能有长期影响以及对最后处理的水质量有间接影响而十分重要。

预处理与水处理系统的其他零件一样，应符合GEP。预处理作为水处理系统的一个部分，必须作为整个水处理系统验证的一部分进行验证，并且应包括微生物监测。

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