超濾-反滲透技術(shù)處理高氟地下水工藝研究

（濟南市清源水務(wù)集團有限公司，山東 濟南 250010）

氟化物廣泛存在于天然水體中，地下水中的氟化物主要來自于地下水流經(jīng)含氟礦巖層時的長期滲透。長期飲用高氟水容易導(dǎo)致斑齒病和氟骨病。我國高氟地下水主要位于東北、西北、華北和黃淮海等干旱和半干旱平原地區(qū)[1-3]。

“十一五”國家水專項進行期間，為確保鵲山水庫中試基地生活和實驗用水水質(zhì)安全，針對水庫滲漏地下水氟化物含量高的特點，2011 年安裝12 t/d 超濾-反滲透凈水處理平臺。該裝置采用水庫滲漏地下水進行深度處理試驗，對脫鹽率、系統(tǒng)運行壓力測試、氟化物去除效果等方面進行研究，評價該工藝流程的穩(wěn)定性和對高氟地下水的總體凈化效果。

1 實驗部分

1.1 實驗用水

實驗原水為水庫滲漏地下水，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進行檢測，結(jié)果顯示該地下水中氟化物指標(biāo)含量為2.5±0.5 mg/L，其他水質(zhì)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，氟化物含量太高無法直接作為飲用水使用。因采用常規(guī)絮凝沉淀等常規(guī)處理方法很難去除地下水中的氟化物，所以聯(lián)合超濾技術(shù)和反滲透技術(shù)處理工藝進行實驗。

1.2 實驗裝置

該凈水設(shè)備工藝流程為原水箱-石英砂過濾器-活性炭過濾器-5 μm 精濾器-超濾部件-超濾水箱-反滲透部件-純水箱，整套凈水設(shè)備的核心構(gòu)件包括超濾部件和反滲透部件。超濾部件采用中空纖維式醋酸纖維膜，膜內(nèi)有效面積大，工作效率高，可以去除膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子物質(zhì)，其中微生物細(xì)菌去除率為99.99%，懸浮物去除率能達到100%。反滲透膜部件采用BW30-4040 苦咸水淡化反滲透膜，為中空纖維式聚酰胺低壓復(fù)合膜，它能阻擋所有溶解性鹽和大分子有機物，系統(tǒng)脫鹽率大于98%。氟化物指標(biāo)檢測設(shè)備為Thermo Fisher ics-900 型離子色譜儀。

1.3 試驗方法

如果地下水原水中的氣泡、泥沙、膠體和懸浮物等如果直接進入超濾部件，容易造成水錘和膜堵塞，進而導(dǎo)致產(chǎn)水量減少和產(chǎn)水質(zhì)量變差，因此進行超濾前先從原水箱除氣泡，加壓通過砂濾、活性炭吸附和精密過濾器進行初步過濾，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

初步處理的水通過增壓泵進入超濾部件，超濾的機理主要是篩濾為主，純水進入超濾水箱，通過浮球控制電動閥使系統(tǒng)自動運行。

經(jīng)過超濾膜的水添加有機磷酸鹽阻垢劑，用于除去水中的鈣鎂離子等，防止附著在反滲透膜上，進而影響水通量和膜壽命。添加阻垢劑的水通過增壓泵進入反滲透部件，利用壓力差使水分子自然滲透方向逆轉(zhuǎn)，從濃溶液中分離出水分子，經(jīng)過脫鹽后得到反滲透純水，依據(jù)GB/T5750.5—2006 中3.2《離子色譜法》對產(chǎn)水中氟化物指標(biāo)進行檢測。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 除鹽效率和影響因素

系統(tǒng)脫鹽率是凈水系統(tǒng)對鹽分的整體脫除率，可以綜合評價凈水系統(tǒng)對于水中雜質(zhì)的過濾能力，系統(tǒng)脫鹽率=（總給水電導(dǎo)率-總產(chǎn)水電導(dǎo)率）/總給水電導(dǎo)率×100%。

針對固定系統(tǒng)運行條件，系統(tǒng)脫鹽率和產(chǎn)水量是反滲透膜的本質(zhì)特征，而膜的系統(tǒng)脫鹽率和產(chǎn)水量則主要受給水含鹽量、壓力、回收率、溫度和pH 值影響。該系統(tǒng)中水源為地下水，環(huán)境溫度、水溫、給水含鹽量和系統(tǒng)pH值都較穩(wěn)定，該文只考慮回收率和給水壓力對系統(tǒng)脫鹽率的影響。

反滲透給水由高壓泵抽取超濾水提供，通過調(diào)節(jié)給水閥門的大小，可以控制給水壓力，影響凈水設(shè)備的脫鹽率，進而影響產(chǎn)水水質(zhì)。給水壓力應(yīng)該在30 s～60 s 的時間范圍內(nèi)逐漸升高。產(chǎn)水量隨給水壓力增加逐漸增大，兩者存在明顯的線性關(guān)系。系統(tǒng)脫鹽率也隨著給水壓力增加而增大，但不是線性關(guān)系（如圖1 所示），給水壓力達到0.6 MPa 后系統(tǒng)脫鹽率不再持續(xù)增加。這是因為反滲透膜不可能完全截留水中所有的可溶性鹽類，總有少量鹽類滲漏過膜，在一定范圍內(nèi)增加給水壓力，膜透過鹽分的速率要比透過水的速率慢，增加的產(chǎn)水量稀釋了滲漏過膜的鹽分，使得系統(tǒng)脫鹽率增加。但是通過增加給水壓力提高系統(tǒng)脫鹽率有一定的上限限制，如圖1 所示，當(dāng)給水壓力太高時，水分子會和鹽分耦合共同透過反滲透膜，導(dǎo)致鹽分透過量和水通量增加相抵，系統(tǒng)脫鹽率不再升高，通過測試脫鹽率隨給水壓力變化情況，兼顧反滲透水處理系統(tǒng)采用50%回收率操作，確定給水壓力的合理范圍應(yīng)該是0.5 MPa～0.6 MPa，如圖1 所示。

系統(tǒng)調(diào)試完成后，連續(xù)3 個月對該系統(tǒng)脫鹽率進行監(jiān)控（如圖2 所示），監(jiān)測結(jié)果顯示，經(jīng)過處理后電導(dǎo)率明顯降低，該系統(tǒng)脫鹽率穩(wěn)定在97%以上。

圖1 系統(tǒng)運行壓力和脫鹽率關(guān)系

圖2 連續(xù)3 個月運行下氟化物去除率和系統(tǒng)脫鹽率

2.2 氟化物去除效果

在穩(wěn)定運行的情況下，連續(xù)3 個月對給水和產(chǎn)水氟化物含量進行檢測（如圖2 所示），結(jié)果顯示：處理后氟化物指標(biāo)降到0.1 mg/L 以下，符合氟化物指標(biāo)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)限值，氟化物去除率始終穩(wěn)定在96%以上，反滲透對一價離子比二價離子的脫除率低，膜將對二價離子有更出色的脫除率。隨著時間的推移，系統(tǒng)脫鹽率和氟化物去除率略呈下降趨勢。給水因采用地下水，給水氟化物含量較穩(wěn)定，從而使得產(chǎn)水水中氟化物含量始終保持較低水平，總體凈化效果優(yōu)異且穩(wěn)定。

2.3 裝置穩(wěn)定性分析

超濾膜堵塞會導(dǎo)致產(chǎn)水量下降，成為影響凈水裝置穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在超濾膜的清洗過程中，一般選用氫氧化鈉和檸檬酸鈉2 種試劑，用于清除附著的細(xì)菌、有機物等大分子雜質(zhì)[2]。確定堿液清洗的最佳pH 為11～12，即1 g/L的氫氧化鈉溶液，當(dāng)用檸檬酸鈉清洗時，最佳pH 為2～3，即2 g/L 的檸檬酸鈉溶液。針對該地下水，對于超濾膜的清洗控制在1 次/3 月，清洗太頻繁會損壞膜的壽命，間隔時間太長，膜上的附著物太多，既不容易清洗，也會破壞膜組件。

在系統(tǒng)正常運行中，因為膠體粒子、鹽垢、微生物和不溶性有機物等污染物在反滲透膜表面的沉積，導(dǎo)致膜系統(tǒng)本征產(chǎn)水量和系統(tǒng)脫鹽率降低。因此，主要從以下幾個方面改善反滲透膜的穩(wěn)定性，反滲透膜對給水水質(zhì)要求較高，經(jīng)過超濾膜的超濾水要添加阻垢劑，用于除去水中的鈣鎂離子等。反滲透膜還需要定期清洗，對清洗劑要求同樣苛刻。在該凈水設(shè)備反滲透膜的清洗過程中，最終確定第一步清洗使用1%的Na4EDTA 作為清洗劑，第二步清洗采用0.2%鹽酸作為清洗劑，清洗頻率定位1 次/3 月。

給水管路中的氣泡容易導(dǎo)致水錘出現(xiàn)，對凈水設(shè)備管道，尤其容易對超濾膜和反滲透膜造成破壞。針對水錘現(xiàn)象，在進水前增加原水箱，原水箱可以起到很好的中繼作用。同時在管道節(jié)點安裝了排氣閥，防止氣泡生成。

3 結(jié)論

針對我國部分地區(qū)地下水氟化物含量高的問題，設(shè)計了超濾-反滲透工藝深度處理實驗平臺。采用超濾-反滲透聯(lián)用系統(tǒng)對高氟水進行處理，深度處理后的產(chǎn)水氟化物等污染物去除效果能夠滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)脫鹽率和產(chǎn)水量受系統(tǒng)運行壓力影響較為顯著，在最優(yōu)化工藝下系統(tǒng)脫鹽率較高，運行穩(wěn)定，自動化程度較高，具有廣闊的應(yīng)用前景。