生活飲用水氯化物處理工藝研究
——超濾+納濾+反滲透技術(shù)

周 強(qiáng)

(福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市居民對生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提升的期望值也不斷增加。因原水中的污染物質(zhì)成分日益復(fù)雜，常規(guī)的混凝-沉淀-過濾工藝只能去除水中20%～30%有機(jī)物[1]，無法有效解決因離子濃度較高造成水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問題。

如長樂二水廠原先水質(zhì)受海水倒灌、咸潮等影響，導(dǎo)致出廠水氯化物階段性超標(biāo)，后經(jīng)采用超濾+納濾+反滲透技術(shù)進(jìn)行提標(biāo)改造，使出廠水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)。本文基此詳細(xì)介紹其處理工藝。

1 項(xiàng)目背景

長樂區(qū)位于福建省東部，閩江口南岸，地處閩江口感潮區(qū)。長樂二水廠原水取自閩江炎山段，位于閩江、烏龍江匯流處，目前最大供水規(guī)模為11萬m3/d，采用的主要供水工藝流程為：閩江炎山泵站取水+折板絮凝(加礬)+平流沉淀+V型濾池+清水池(液氯消毒)+二泵增壓至用戶，居民普遍反映飲用水具有咸味，尤其在咸潮期該現(xiàn)象更為明顯，且持續(xù)時(shí)間長達(dá)3個(gè)月。

根據(jù)長樂二水廠2017年10月～12月水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，咸潮期出廠水氯化物含量達(dá)250～750mg/L，部分時(shí)段氯化物含量高達(dá)1000～1500mg/L，廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水處理構(gòu)筑物對氯化物并無明顯去除效果。出廠水中氯化物含量已嚴(yán)重超過《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中規(guī)定的250mg/L限值，居民生活飲用水安全性受到嚴(yán)重威脅。為進(jìn)一步提高供水安全性和飲用水水質(zhì)，使供水系統(tǒng)逐步適應(yīng)長樂區(qū)的經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展要求，當(dāng)?shù)卣八緵Q定對長樂二水廠采用膜技術(shù)進(jìn)行深度處理，徹底解決因咸潮期日益突出造成的出廠水氯化物含量嚴(yán)重超標(biāo)的水質(zhì)問題，保障人民用水需求和水質(zhì)安全。

2 不同膜工藝的特點(diǎn)

膜分離技術(shù)源于20世紀(jì)30年代，60年代開始在商業(yè)上得到應(yīng)用。膜技術(shù)是一種通過使用具有選擇透過性的膜，在以外界能量或化學(xué)位差作為推動(dòng)力下，對混合氣體或液體中的大分子進(jìn)行截留，從而達(dá)到物質(zhì)的分離、分級、提純和富積的技術(shù)。由于膜技術(shù)具有無污染無相變、適應(yīng)性強(qiáng)、濃縮分離同時(shí)進(jìn)行等特點(diǎn)，使其在食品工業(yè)、飲用水處理、污水凈化、水資源可持續(xù)利用等方面的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)操作壓力和所用膜的平均孔徑不同，一般可分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)等多種膜分離技術(shù)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在給水深度處理領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

2.1 微濾(MF)

微濾截留顆粒粒徑范圍0.1～1um。微濾膜允許大分子有機(jī)物和溶解性固體(無機(jī)鹽)等通過，能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體，膜兩側(cè)的運(yùn)行壓差(有效推動(dòng)力)一般為0.7bar，屬于精密過濾，具有高效、方便及經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[3]。微濾膜在飲用水處理、醫(yī)藥行業(yè)、食品工業(yè)、生物技術(shù)行業(yè)都有著較為廣泛的運(yùn)用。飲用水處理方面，常用作反滲透和納濾工藝的前處理，也用于水庫、湖泊、江河等地表水中藻類和顆粒性雜質(zhì)的去除。

2.2 超濾(UF)

超濾是一種能將溶液進(jìn)行凈化和分離的膜分離技術(shù)，其膜為多孔性不對稱結(jié)構(gòu)。超濾過程是以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動(dòng)力，以機(jī)械篩分原理為基礎(chǔ)的一種溶液分離過程，使用壓力通常為0.01～0.3MPa，篩分孔徑范圍為0.002～0.1um，截留分子量為1000～100 000左右。超濾主要用于截留去除水中的懸浮物、膠體、微粒、細(xì)菌和病毒等大分子物質(zhì)。

2.3 納濾(NF)

納濾是一種特殊而有前途的分離膜，截留物質(zhì)大小約1nm；在高溫、酸、堿等苛刻條件下運(yùn)行，膜耐受的條件范圍寬，濃縮倍數(shù)高，耐污染；運(yùn)行壓力低，膜通量高，裝置運(yùn)行費(fèi)用低。納濾的操作區(qū)間介于超濾和反滲透之間，能有效地截留二價(jià)及高價(jià)離子和相對分子質(zhì)量高于200的有機(jī)小分子，使大部分一價(jià)無機(jī)鹽透過，可分離同類氨基酸和蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高分子量和低分子量有機(jī)物的分離，如氯化鈉及氯化鈣脫除率為80%～96%，硫酸鎂及硫酸鈉脫除率為90%～98%[4]。納濾膜分離所需跨膜壓差一般為0.5～2.0MPa，比反滲透膜達(dá)到同樣滲透能量所必須施加的壓差低0.5～3MPa。

2.4 反滲透(RO)

反滲透是最精密的膜法液體分離技術(shù)，過濾精度為0.0001um左右，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物，但允許水分子透過。據(jù)研究表明，醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復(fù)合膜脫鹽率一般大于98%。目前反滲透膜已廣泛用于海水及苦咸水的淡化(如青島水務(wù)碧水源海水淡化廠、天津大港新泉海水淡化廠、青島百發(fā)海水淡化廠等)，鍋爐給水、工業(yè)純水及電子級超純水制備，飲用純凈水生產(chǎn)，廢水處理及特種分離等過程。反滲透膜的運(yùn)行壓力當(dāng)進(jìn)水為苦咸水時(shí)一般大于5bar，當(dāng)進(jìn)水為海水時(shí)，一般低于84bar。

3 超濾+納濾+反滲透技術(shù)的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)參數(shù)

該工程設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為10萬m3/d，設(shè)計(jì)水溫范圍10～25℃，24h連續(xù)運(yùn)行。根據(jù)2017年10月～12月共取樣監(jiān)測原水和出廠水各329次，得到表1數(shù)據(jù)。從水質(zhì)檢測報(bào)告可知，出廠水除氯化物超標(biāo)外，其余指標(biāo)值均在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中規(guī)定限值內(nèi)。因此，工程主要目的是去除原出廠水中的超標(biāo)氯化物。

表1 常規(guī)處理工藝進(jìn)出廠水氯化物濃度

3.2 處理工藝比選

為保證產(chǎn)水設(shè)計(jì)規(guī)模，提高產(chǎn)水率，去除氯化物的膜工藝至少考慮兩級。此外，為確保納濾膜或反滲透膜安全，一般在之前采用增加超濾膜作為預(yù)處理工藝?？紤]到納濾膜產(chǎn)水率相對較高，一般去除氯化物的一級膜處理工藝采用納濾膜(除鹽率按90%計(jì)算)。該工程考慮對一級納濾系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水進(jìn)行二次處理，二級處理工藝可采用納濾膜(除鹽率按85%計(jì)算)或反滲透膜(除鹽率按99%計(jì)算)。

該工程設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬m3/d，其中超濾產(chǎn)水量約為11萬m3/d，一級納濾產(chǎn)水量約為8.8萬m3/d，一級納濾濃水量約為2.2萬m3/d，濃水納濾或反滲透產(chǎn)水量約為1.4萬m3/d。該工程擬定：方案一：超濾+一級納濾+濃水納濾；方案二：超濾+一級納濾+濃水反滲透，兩種膜處理工藝方案進(jìn)行比較(表2)。

表2 膜處理工藝方案除鹽率比較表

原水氯化物含量達(dá)到1500mg/L時(shí)，從兩種膜處理工藝方案除鹽率比較可知，方案一出廠水中含鹽率為272mg/L，不滿足要求；方案二出廠水中含鹽率為139mg/L，優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)；因此，該改造項(xiàng)目采用方案二：超濾+一級納濾+濃水反滲透為膜處理工藝為推薦方案。根據(jù)計(jì)算，原水氯化物含量小于750mg/L時(shí)(頻率為96.6%)，出廠水氯化物含量不大于70mg/L。

3.3 工藝及水量平衡流程

在現(xiàn)狀長樂二水廠預(yù)留深度處理用地處增設(shè)膜處理車間1座。在咸潮期時(shí)，閩江原水經(jīng)炎山取水泵站提升后由原水管道輸送至長樂二水廠，進(jìn)入折板反應(yīng)平流沉淀池、V型濾池處理，再接入膜處理車間，經(jīng)膜處理合格后，再送至現(xiàn)有廠區(qū)清水池中，最后經(jīng)二級泵房中增壓泵增壓至各用水點(diǎn)。具體工藝流程和水量平衡圖(單位：m3/d)如圖1所示。

圖1 超濾+納濾+反滲透處理工藝流程及水量平衡圖

3.4 超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超濾系統(tǒng)，主要由超濾進(jìn)水池及提升泵房、超濾膜系統(tǒng)、超濾產(chǎn)水池、超濾廢水池及回流泵房、超濾清洗系統(tǒng)(含水洗、氣洗及化學(xué)清洗)等組成。超濾膜系統(tǒng)設(shè)置目的，將其作為納濾及反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng)，以進(jìn)一步去除原水中的懸浮物、膠體、色度、濁度、有機(jī)物等妨礙后續(xù)工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行的雜質(zhì)，確保納濾及反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行。

工程采用外壓式過濾膜，采用全流過濾、氣水反洗的全自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行方式，共設(shè)置12套超濾膜裝置。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)平均凈產(chǎn)水量4583.0m3/h，工作壓力≤0.3MPa，系統(tǒng)水回收率95.9%，連續(xù)膜過濾主機(jī)數(shù)量12套(每套80支)，膜材質(zhì)為PVDF，最大跨膜壓差(15℃)2.0bar，運(yùn)行通量65.57L/(m2·h)，膜孔徑外徑1.3mm，內(nèi)徑0.7mm。

為保證超濾膜系統(tǒng)安全可靠連續(xù)運(yùn)行，對超濾膜定期進(jìn)行清洗。超濾膜系統(tǒng)的清洗，包括水反洗、水正洗、氣擦洗及化學(xué)清洗，其中，化學(xué)清洗包括維護(hù)性化學(xué)清洗(EFM)及恢復(fù)性化學(xué)清洗(CIP)兩種。水正洗時(shí)間每次30s；水反洗周期40min，時(shí)間為每次60s，其中，上反洗30s，下反洗30s；氣洗周期與反洗相同，單支組件進(jìn)氣量為6～8Nm/h，氣洗時(shí)間為每次30～60s；維護(hù)性化學(xué)清洗周期為5～10d，循環(huán)清洗時(shí)間20min，采用500ppm NaClO、NaOH、HCl溶液；恢復(fù)性化學(xué)清洗周期3～6月，清洗時(shí)間為120～240min，每根膜殼清洗流量為2t/h，采用2000ppm NaClO、1000ppm NaOH、2000ppm HCl溶液。

超濾主要設(shè)備：

(1)保安過濾器：Q=640m3/h，P=0.6MPa，過濾精度5um，材質(zhì)為316不銹鋼，共2臺；

(2)超濾提升泵：Q=2550m3/h，H=32m，N=280kW，共3臺，變頻控制(2用1備)；

(3)保安過濾器：Q=260m3/h，P=0.6MPa，過濾精度5um，材質(zhì)為SS316不銹鋼，共4臺；

(4)超濾反洗泵：Q=640m3/h，H=36m，N=90kW，共2臺，變頻控制(1用1備)；

(5)EFM、CIP堿清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2臺(超濾、反滲透，1用1備)；

(6)空壓機(jī)：Q=10.5m3/min，P=0.85MPa，N=75kW，配三級過濾，配套冷干機(jī)，兩臺(1用1備)；

(7)超濾廢水回流泵：Q=200m3/h，H=12m，N=11kW，共2臺，變頻控制(1用1備)。

3.5 納濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

納濾系統(tǒng)，主要由納濾提升泵房、納濾膜系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、納濾濃水池等組成。根據(jù)產(chǎn)水量要求及膜性能，納濾系統(tǒng)共設(shè)置10套納濾膜裝置，單套膜元件為72支，分兩段排列(48∶24)。納濾膜前設(shè)納濾提升泵、納濾高壓泵，將超濾產(chǎn)水池內(nèi)的待處理水提升進(jìn)入納濾膜裝置。納濾膜是“錯(cuò)流過濾”的膜元件置，第二段納濾膜含鹽量遠(yuǎn)高于第一段，導(dǎo)致第二段膜元件的跨膜滲透壓急劇升高，根據(jù) “IMSDESIGN”膜設(shè)計(jì)軟件模擬計(jì)算，一段與二段納濾膜之間設(shè)置段間增壓泵提高二段膜的跨膜水壓，以確保納濾膜裝置的除鹽率與出水率，段間泵揚(yáng)程約50m。具體參數(shù)參如下：設(shè)計(jì)平均產(chǎn)水量3666.67m3/h；納濾膜元件數(shù)量10套(單套72支)，共720支；排列方式一級兩段；操作壓力≤0.9MPa；系統(tǒng)水回收率≥80%；納濾膜性能：復(fù)合膜，8″× 40″，工作膜通量≤20L/(m2·h)；膜架：納濾膜配套，碳鋼防腐，共10套；單支膜元件最大跨膜壓差：1.0bar。

納濾膜和反滲透膜，考慮酸性清洗和堿性清洗兩種情況：酸性清洗主要是去除膜表面的氧化鐵、Ca2+、Mg2+垢類；堿性清洗則主要去除膜表面的有機(jī)物污染。納濾及反滲透膜考慮低壓沖洗及化學(xué)清洗兩種方式，化學(xué)清洗周期45d，清洗時(shí)間2h，清洗藥劑為30%鹽酸溶液、30%氫氧化鈉溶液，每根膜殼清洗流量10t/h。

為防止進(jìn)水中可能存有的余氯對膜造成不可逆轉(zhuǎn)的氧化性破壞，在納濾及反滲透進(jìn)水中投加還原劑。還原劑采用10%的Na2S2O5溶液，投加濃度為2mg/L。原水進(jìn)入納濾及反滲透裝置前加阻垢劑以防止?jié)馑畟?cè)膜表面結(jié)垢。藥劑采用高效阻垢/分散劑，以有效控制碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇的結(jié)垢，對SiO2、鐵鋁氧化物及膠體產(chǎn)生很強(qiáng)的分散效果，阻垢劑采用10%有機(jī)磷酸鹽系列溶液，投加濃度為2mg/L。為防止進(jìn)水中滋生的細(xì)菌對膜造成性能影響，在納濾及反滲透進(jìn)水中投加非氧化性殺菌劑，藥劑濃度10%，投加濃度為2mg/L。藥劑投加點(diǎn)位于納濾提升泵出水總管的靜態(tài)混合器上。

納濾主要設(shè)備：

(1)保安過濾器：Q=465m3/h，P=0.60MPa，過濾精度5um，材質(zhì)為316不銹鋼，共10臺；

(2)納濾提升泵：Q=2315m3/h，H=35m，N=315kW，共3臺，變頻控制(2用1備)；

由圖5可知：對于預(yù)制裂紋花崗巖僅在失穩(wěn)破壞階段接收到了較大的電荷感應(yīng)信號和微震信號，信號幅值分別達(dá)到最大值50pC和6×10-3 m/s，而在失穩(wěn)破壞階段前無明顯的電荷感應(yīng)和微震信號。

(3)EFM、CIP堿清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2臺，變頻控制(2用)；

(4)納濾高壓泵：Q=465m3/h，H=76m，N=132kW，共11臺，變頻控制(10用1庫備)；

(5)段間增壓泵：Q=220m3/h，H=50m，N=45kW，共11臺，變頻控制(10用1庫備)；

(6)納濾非氧化性殺菌劑計(jì)量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)；

(7)納濾還原劑計(jì)量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)；

(8)納濾阻垢器計(jì)量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)。

3.6 反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反滲透系統(tǒng)，主要由反滲透提升泵房、反滲透系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等組成。濃水反滲透系統(tǒng)設(shè)置4套反滲透裝置，每套反滲透裝置含26支膜元件。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)平均產(chǎn)水量504.17m3/h；反滲透膜元件數(shù)量4套(單套26支)，共104支；系統(tǒng)水回收率≥50%；納濾膜性能：復(fù)合膜，8″× 40″，工作膜通量≤20L/(m2·h)；膜架：納濾膜配套，碳鋼防腐，每兩套納濾膜主機(jī)共用1套膜架，共2套；單支膜元件最大跨膜壓差：1.0bar。

反滲透主要設(shè)備：

(2)反滲透高壓泵：Q=240m3/h，H=254m，N=315kW，共5臺，變頻控制(4用1庫備)；

(3)反滲透提升泵：Q=930m3/h，H=48m，N=160kW，共2臺，變頻控制(1用1備)；

(4)EFM、CIP堿清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2臺(超濾、反滲透，1用1備)；

(5)反滲透非氧化性殺菌劑計(jì)量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)；

(6)反滲透還原劑計(jì)量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)；

(7)反滲透阻垢器計(jì)量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2臺(1用1備)。

4 工程運(yùn)行效果

該工程目前已施工完成并進(jìn)入試運(yùn)行階段，經(jīng)測算單位制水成本為0.65元/m3，運(yùn)行效果良好，滿足原設(shè)計(jì)要求，具體運(yùn)營數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工程72h試運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)72h運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，納濾膜除鹽率大于95%，反滲透膜除鹽率大于99.5%，系統(tǒng)產(chǎn)水率90%；在原水氯化物1500mg/L時(shí)，出水水質(zhì)氯化物≤200mg/L，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)語

該工程采用超濾+納濾+反滲透技術(shù)，有效地解決了長樂二水廠出廠水因咸潮影響導(dǎo)致的氯化物階段性嚴(yán)重超標(biāo)的問題。在常規(guī)凈水處理工藝后增加膜分離技術(shù)，能有效地解決常規(guī)處理工藝無法去除的因離子、大分子等超標(biāo)造成的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的問題。

該項(xiàng)目是福建省內(nèi)首座采用“超濾+納濾+反滲透”技術(shù)進(jìn)行深度處理的大型市政給水廠，對以后生活飲用水的深度處理和提標(biāo)改造具有一定的參考意義。