反滲透技術(shù)在農(nóng)村苦咸水淡化工程中的應(yīng)用*

楊景天，趙虎群，賀全紅（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730020；2.甘肅省膜分離工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730020）

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反滲透技術(shù)在農(nóng)村苦咸水淡化工程中的應(yīng)用*

楊景天1,2，趙虎群1,2，賀全紅1,2
（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730020；2.甘肅省膜分離工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730020）

摘要：我國是一個干旱缺水的國家,人均淡水資源嚴(yán)重不足,尤其西北地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏尤為突出。但在西北地區(qū),苦咸水資源盆藏豐畜。因此，利用科學(xué)合理的技術(shù)對苦咸水進(jìn)行淡化處理是開辟淡水資源、解決水資源不足問題的重要途徑?？嘞趟鳛檗r(nóng)村飲用水已嚴(yán)重危害著人們的身體健康，反滲透膜技術(shù)因其具有過程無相變、產(chǎn)水質(zhì)量高、設(shè)備占地面積小、操作靈活簡便等特點，在苦咸水淡化過程中具有顯著優(yōu)勢，本文介紹了反滲透膜技術(shù)在苦咸水淡化方面的應(yīng)用和工程案例。

關(guān)鍵詞：反滲透；苦咸水；淡化工程；應(yīng)用

水,是生命之源,是一種非常重要的資源,中國是水資源大國,但同時也是人均水資源貧國,其人均水資源量為2220m3,居世界第10位之后。在中國,通過飲水發(fā)生和傳播的疾病就有50多種。最近幾年,國家加大了農(nóng)村飲水解困工作的力度,把解決飲水問題作為水利工作的首要任務(wù)。但是,飲水安全形勢仍然十分嚴(yán)峻。一些地區(qū)飲水存在水質(zhì)嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)、供水保證率低、水性地方病等問題。尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水質(zhì)問題，嚴(yán)重影響著人民群眾的身體健康。據(jù)衛(wèi)生部門和水利部門的初步調(diào)查以及聯(lián)合國評估,我國還有3億多人飲水不安全。主要是高氟水、高砷水和苦咸水問題。高氟水主要分布在華北、西北、東北和黃淮海平原地區(qū)?？嘞趟饕植荚诒狈教貏e是西部和東部沿海地區(qū)。通常將含鹽量高于1000mg/L并在15000mg/L以下的天然水、地面水和自流井水稱為苦咸水[1]。我國農(nóng)村飲用苦咸水的人口為3800多萬,苦咸水主要是口感苦澀,很難直接飲用,長期飲用苦咸水會引起高血壓、心血管等方面的疾病[2]。此外,流行病學(xué)調(diào)查顯示,苦咸水對泌尿系統(tǒng)結(jié)石的形成有促進(jìn)作用[3，4]。因此,解決維系生命存在的飲用水問題已刻不容緩。本文主要介紹反滲透膜技術(shù)在苦咸水淡化過程中的應(yīng)用研究和工程案例。

1　苦咸水淡化的主要方法

1.1蒸餾法

蒸餾法就是把苦咸水或海水加熱使之沸騰蒸發(fā),再把蒸汽冷凝成淡水的過程。蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化法,其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單、操作容易、所得淡水水質(zhì)好。蒸餾法有許多種，如多效蒸發(fā)、多級閃蒸、壓汽蒸餾、膜蒸餾等。

1.2電滲析法

電滲析法利用離子交換膜在電場作用下,分離鹽水中的陰、陽離子，從而使淡水室中鹽分濃度降低而得到淡水的一種膜分離技術(shù)。電滲析裝置是利用離子在電場的作用下定向遷移，通過選擇透過性的離子交換膜達(dá)到除鹽目的。電滲析苦咸水淡化技術(shù)已比較成熟，具有工藝簡單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環(huán)境等主要優(yōu)點,但存在對水質(zhì)要求較嚴(yán)格、需對原水進(jìn)行預(yù)處理等缺點。20世紀(jì)50年代，美國、英國開始將這種方法用于苦咸水淡化，中國在20世紀(jì)80年代將此法用于苦咸水淡化、工業(yè)用純水和超純水制造。電滲析過程的能耗與給水含鹽量有密切關(guān)系,給水含鹽量越高,能耗越大,因此電滲析法適用于低鹽苦咸水的淡化[5]，根據(jù)我國目前國情,處理高鹽苦咸水的能耗過大,不經(jīng)濟(jì)。

1.3反滲透法

反滲透是在濃溶液一邊加上比自然滲透更高的壓力，扭轉(zhuǎn)自然滲透方向，把溶液中的離子壓到半透膜的另一邊，這與自然界的正常滲透過程相反，故稱之為“反滲透”，這種裝置稱為反滲透裝置。反滲透苦咸水淡化法可以從水中除去90%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體微生物及有機(jī)物等。與其他水處理方法相比具有無相態(tài)變化、常溫操作、設(shè)備簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)范圍廣、自動化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點。

綜上,反滲透就是將溶液中的溶劑,在壓力下用一種對溶劑有選擇透過性的半透膜使其進(jìn)人膜的低壓側(cè)，而溶液中的其它成分被阻留在膜的高壓側(cè)得到濃縮的過程。在一定的壓力下，水分子可以通過反滲透膜，而水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法通過，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開來[6]。用反滲透膜技術(shù)淡化苦咸水,在諸多方面具有其他方法沒有的以下優(yōu)點[7]。

1）反滲透是在常溫條件下,采用無相變的物理分離方法使水得以淡化,水的處理僅依靠壓力作為推動力能耗較低。

2）工藝流程簡單、操作方便,有利于實現(xiàn)水處理的連續(xù)化和自動化；產(chǎn)品水質(zhì)穩(wěn)定,出水質(zhì)量較高。

3）適用于較大鹽度范圍的原水水質(zhì)。

4）設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積少,運(yùn)行維護(hù)和設(shè)備維修工作量極少。

5）可以從水中去除95%以上的溶解性鹽類和9%以上的膠體、微生物及有機(jī)物等。

6）反滲透膜分離過程是清潔生產(chǎn)過程,不使用化學(xué)試劑,不排放再生廢液,不污染環(huán)境。

2　反滲透在苦咸水淡化中的應(yīng)用實例

2.1項目概述

2.1.1原水水質(zhì)

以下為甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)，原水經(jīng)原水泵增壓經(jīng)過多介質(zhì)過濾器+活性炭過濾器+高壓泵+反滲透膜組件到淡水池，最后有供水泵輸送至用水點。原水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　原水水質(zhì)

2.1.2產(chǎn)水水質(zhì)和水量要求

水質(zhì)：達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）。

水量：100m3/h。

脫鹽率：75%。

勾兌水量：30m3/h。

2.2工藝流程介紹

本套系統(tǒng)主要由預(yù)處理+反滲透RO+供水部分組成工藝，系統(tǒng)設(shè)計以反滲透為核心設(shè)備，多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器、阻垢劑加藥系統(tǒng)、保安過濾器等為預(yù)處理，保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行，反滲透系統(tǒng)為脫鹽系統(tǒng)；保證出水水質(zhì)指標(biāo)，使產(chǎn)品水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）。后續(xù)處理將勾兌后的清水通過供水泵加壓輸送至供水管網(wǎng)，如圖1所示。

圖1　RO制水系統(tǒng)

2.3主要設(shè)備及功能說明

2.3.1原水池

原水池的作用是儲存一定量的原水，以保證后續(xù)供水穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中原水池采用地下式鋼精混泥土結(jié)構(gòu)，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開關(guān)以檢測水池液位，含有電磁控制閥、管件及液位控制器。

2.3.2原水泵

原水泵的作用是將原水箱的出水經(jīng)提升至后續(xù)處理單元。本系統(tǒng)選用3臺上海連成本泵（2用1備）,設(shè)計流量：70m3/h，設(shè)計揚(yáng)程：32m，功率：15KW，過流部件材質(zhì)：SUS304。

2.3.3多介質(zhì)過濾器

采用多介質(zhì)過濾器的作用是過濾去除水中較大顆粒的懸浮物，減小精密過濾器濾芯的更換頻率。多介質(zhì)過濾器須定期反沖洗，以去除截留的懸浮物。

多介質(zhì)過濾器由罐體、操作閥組、精選水處理無煙煤、多級石英砂和必要的管路組成。

本設(shè)計中采用多介質(zhì)過濾器1臺，產(chǎn)水量140m3/h，運(yùn)行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質(zhì)為碳鋼防腐。

2.3.4活性炭過濾器

由于反滲透膜為高分子材料，水中的余氯很容易與其發(fā)生氧化反應(yīng)從而造成膜性能的下降，甚至損壞反滲透膜組件，而活性炭過濾器可以很好地吸附去除管網(wǎng)自來水中的余氯。此外活性炭過濾器還可以有效地吸附去除水中的色度，以及部分有機(jī)物、膠體硅、異味。因此，有必要在反滲透裝置之前設(shè)置活性炭過濾器對原水進(jìn)行處理。

活性炭過濾器由罐體、操作閥組、精選水處理優(yōu)質(zhì)活性炭和必要的管路組成。

本設(shè)計中采用活性炭過濾器1臺，產(chǎn)水量140m3/h，運(yùn)行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質(zhì)為碳鋼防腐。

2.3.5精密過濾器

原水經(jīng)過多介質(zhì)過濾器之后，部分大顆粒雜質(zhì)被除去，水的濁度降低，為防止高壓泵的葉輪磨損和保證反滲透膜的安全，在高壓泵之前設(shè)精密過濾器，以去除細(xì)小的懸浮物和顆粒。過濾精度為5um，可有效保證出水濁度＜1NTU。

本系統(tǒng)采用直徑為1000mm的精密過濾器一臺，過流材質(zhì)為SUS304。

2.3.6高壓泵

反滲透膜元件對水中的離子具有選擇透過性，因而在反滲透濃水側(cè)和產(chǎn)水側(cè)存在著滲透壓差，這樣就必須要有外界的壓力來克服滲透壓差才能夠使反滲透裝置正常工作并達(dá)到設(shè)計要求，外界的壓力通過高泵來提供。

高壓泵都采用丹麥格蘭富立式多級離心高壓泵，其具有運(yùn)行壓力穩(wěn)定，噪音小，使用壽命長等特點，共2臺，流量70m3/h，揚(yáng)程210m，功率75KW,為材質(zhì)為SUS304。

2.3.7反滲透（RO）脫鹽系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)主要去除水中溶解鹽類，同時去除一些有機(jī)大分子等。該系統(tǒng)包括反滲透裝置、清洗系統(tǒng)等。本工程中，采用美國陶氏公司性能優(yōu)越的BW30-365系列聚酰胺復(fù)合膜共120支，單支膜穩(wěn)定脫鹽率：99.5%,膜通量9500GPD,該膜具有高流量、高脫鹽率的優(yōu)點。

反滲透裝置綜合脫鹽率＞98%，可脫除水中絕大部分的鹽份及大分子有機(jī)物，起到苦咸水淡化的作用。

反滲透裝置配有相關(guān)的流量計、壓力表、電導(dǎo)儀、取樣裝置和相關(guān)的控制元件。反滲透濃水側(cè)設(shè)置電動排放閥，在反滲透裝置開啟前進(jìn)行低壓沖洗和停用時置換膜元件內(nèi)的濃水，防止停用后無機(jī)鹽在膜元件內(nèi)沉淀。

RO系統(tǒng)運(yùn)行期間對水質(zhì)進(jìn)行分析，余氯0.005～0.01mg·L-1、pH為7.3～8.2，溶解性有機(jī)物（TOC，以C計）＜0.5mg·L-1，SDI＜5。石英砂、活性炭過濾前處理系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)完全滿足反滲透進(jìn)水要求。

反滲透膜運(yùn)行一段時間后，膜表面會被鹽分污堵，會使反滲透膜元件的脫鹽率降低，膜通量減小，所以必須要定期進(jìn)行清洗。清洗裝置由清洗泵、清洗箱以及相關(guān)的流量計、壓力表、精密過濾器、閥門、管路系統(tǒng)等。

RO系統(tǒng)操作條件見表2。

（三）學(xué)生情感的教育，對其影響和形成不是一蹴而就的事情，更不是在教師強(qiáng)行指導(dǎo)學(xué)習(xí)情景下能夠完成的。它需要的是教師和學(xué)生交流合作的基礎(chǔ)上，經(jīng)過理論學(xué)習(xí)到實踐升華再到實際運(yùn)用這樣一個周而復(fù)始的過程，所以在對初中學(xué)生的情感教育上，教師應(yīng)該遵循由簡單到復(fù)雜、由容易到困難、由近期目標(biāo)到長遠(yuǎn)目標(biāo)的合乎發(fā)展的教育教學(xué)規(guī)律，從培養(yǎng)一個積極向上、熱情奔放、善于助人的中學(xué)生到以后養(yǎng)成良好教育的優(yōu)秀接班人的一個過程，這是符合孩子們身心發(fā)展規(guī)律的。因此，教師應(yīng)注意從點滴做起，在細(xì)小之處關(guān)愛孩子們，這才是為孩子情感的成熟打下堅實的基礎(chǔ)。

2.3.8淡水池

淡水池的作用是儲存一定量的淡水，以保證后續(xù)供水穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中原水池采用地下式鋼精混泥土結(jié)構(gòu)，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開關(guān)以檢測水池液位，含有電磁控制閥、管件及液位控制器。

表2　RO操作參數(shù)

2.4工程調(diào)試與運(yùn)行效果

2.4.1工程調(diào)試

多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器均為手動操作，當(dāng)系統(tǒng)壓差達(dá)到0.05MPa時，分別對其進(jìn)行反沖洗，沖洗步驟均為反沖洗25min，然后正沖洗15 min。系統(tǒng)采用PLC＋觸摸屏組合實現(xiàn)自動控制。系統(tǒng)內(nèi)所有電機(jī)和其他元件均采用程控/手動兩種操作方式，除此以外系統(tǒng)配有調(diào)試模式以便檢修維護(hù)，集控操作統(tǒng)一由PLC實現(xiàn)。

高壓泵的啟停與一級供水水壓相關(guān)，實現(xiàn)二級反滲透的自動運(yùn)行，RO沖洗閥選用慢開電動閥，保證RO系統(tǒng)壓力平滑增長，預(yù)防水錘現(xiàn)象損壞膜元件，延長膜元件的使用壽命。

反滲透裝置安裝完成后，在運(yùn)行反滲透設(shè)備前，要進(jìn)行必要的調(diào)試，下面介紹了反滲透設(shè)備的安裝調(diào)試步驟。

1）對裝置的金屬進(jìn)行分析、測試，結(jié)果表明符合進(jìn)水要求，方可進(jìn)行裝置通水調(diào)試。

3）檢查裝置所有管道之間連接是否完善，壓力表是否齊全，低壓管道連接是否緊密，是否短缺。

4）全開個壓力表開關(guān)和總進(jìn)水閥、濃水排放閥、產(chǎn)水排放閥。

5）啟動預(yù)處理設(shè)備，并調(diào)整供水量大于裝置總進(jìn)水量。

6）待出水無甲醛氣味，關(guān)閉裝置總進(jìn)水閥。

7）啟動高壓泵，并緩緩開啟裝置總進(jìn)水閥，控制裝置總進(jìn)水壓力小于0.5MPa，沖洗5min，并檢查各高、低壓管路、儀表是否正常。

8）調(diào)整進(jìn)水閥、濃水排放閥，使進(jìn)水壓力達(dá)到1.7～2.2MPa且產(chǎn)水量、濃排水量的比例為3:1。

9）檢測產(chǎn)品水電導(dǎo)率，符合要求時開啟產(chǎn)品出水水閥，關(guān)閉產(chǎn)水排放閥。

10）RO裝置的調(diào)試均是手動單步曹組，運(yùn)行正常后，方可切換到自動狀態(tài)，由在線儀表及PLC自動控制運(yùn)行。

2.4.2運(yùn)行效果

本套反滲透系統(tǒng)投入使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水質(zhì)量高。反滲透淡化水產(chǎn)量:100m3/h，系統(tǒng)回收率: 75%;鹽率:＞95%，反滲透淡化水水質(zhì):完全符合GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)。產(chǎn)水質(zhì)指標(biāo)見表3。

表3　產(chǎn)水水質(zhì)

2.5經(jīng)濟(jì)分析

該項目總投資為280萬元，其中土建工程投資120，設(shè)備工程投資為160萬元，技術(shù)服務(wù)及其它費用為25萬元。處理成本為1.65元/m3，含電費為1.1 元/m3、藥劑費為0.20元/m3、人工費為0.35元/m3，不含折舊、維修費用等。

2.6結(jié)論

通過上述工程實例證明，針對西部地區(qū)水資源缺乏,苦咸水資源豐富的特點,結(jié)合西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)較落后的現(xiàn)狀,采用反滲透技術(shù)使苦咸水淡化的技術(shù)是可行的[8]。反滲透膜技術(shù)因其諸多優(yōu)勢而成為苦咸水淡化過程中的主流技術(shù),為了更好地促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)勢的發(fā)揮,也應(yīng)考慮反滲透濃水處理及膜集成技術(shù)的研究和應(yīng)用,反滲透膜技術(shù)在制取淡水的同時也對雜質(zhì)進(jìn)行了高度濃縮,因此需妥善處理好反滲透濃水,采取科學(xué)有效的技術(shù)和方法加強(qiáng)對濃水的處理和綜合利用,避免對土壤、地表水或海洋環(huán)境等帶來不利影響,從而實現(xiàn)濃水的無害化及資源化；在利用反滲透技術(shù)進(jìn)行苦咸水淡化的應(yīng)用過程中,應(yīng)根據(jù)其他膜分離技術(shù)的特點將其集成于工藝系統(tǒng)中,發(fā)揮集成膜技術(shù)在苦咸水淡化中的優(yōu)勢作用[9]。

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*基金項目：甘肅省中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目（1504JKCA045）。

中圖分類號：TQ028.8