納濾工藝在苦咸水淡化工程中的應(yīng)用

李東洋，晏 鵬，王生輝，黃鵬飛，王銳浩

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

納濾膜又被稱為“疏松型反滲透膜”或“致密型超濾膜”，其孔徑范圍介于反滲透膜和超濾膜之間，約1 nm左右[1]。納濾膜具有特殊的分離性能，截留分子量在200道爾頓～1 000道爾頓之間，對鹽的截留率與離子價(jià)態(tài)、組分及濃度密切相關(guān)[2-4]。納濾膜對2價(jià)離子的截留率和反滲透相近，對相對分子質(zhì)量為200～500 的有機(jī)物及膠體幾乎可以全部脫除[5]。因此，選擇合適的納濾膜用于我國西北地區(qū)常見的高硬度硫酸鹽型苦咸水淡化處理，在去除水中各種有害物質(zhì)的同時(shí), 選擇性保留水中人體需要的部分礦物質(zhì)及微量元素[6], 產(chǎn)品水呈弱堿性，滿足居民飲水健康要求。同反滲透相比，納濾膜表面帶負(fù)電, 在較低壓力下仍有較高脫鹽性能，系統(tǒng)的能耗更低[7]。文章介紹了納濾工藝應(yīng)用于和田苦咸水淡化工程的應(yīng)用案例，可為同類型地區(qū)的農(nóng)村苦咸水的脫鹽處理提供參考。

1 工程概況

苦咸水淡化工程位于和田縣，水源為阿依瑪克村井水，原水主要超標(biāo)指標(biāo)為溶解性總固體、總硬度、氯化物、硫酸鹽。當(dāng)?shù)厝碎L期飲用高含鹽量的苦咸水，會(huì)引起腹瀉、腹脹等消化系統(tǒng)疾病，出現(xiàn)過敏癥狀，嚴(yán)重的甚至誘發(fā)腎結(jié)石[8]。要達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 5749-2006)的要求需要進(jìn)行脫鹽處理。

2 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)原水低濁度、高硬度、高鹽度的水質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用“高效淺層介質(zhì)過濾+納濾”組合的工藝(見圖1)。原水通過潛水泵從水井取出，經(jīng)淺層介質(zhì)過濾器、保安過濾器過濾后，進(jìn)入納濾膜組進(jìn)行脫鹽，脫鹽后的水消毒后經(jīng)供水泵進(jìn)入水塔，通過現(xiàn)有供水管線輸送至用戶。該工藝具有流程簡單、占地面積小、能耗低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow chart of treatment process

3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 取水單元設(shè)計(jì)

深井泵設(shè)計(jì)采用離心泵，為防止水井中的大顆粒雜物進(jìn)入潛水泵，潛水泵外部設(shè)計(jì)了網(wǎng)罩，進(jìn)行初步過濾。為對抗苦咸水對水泵的腐蝕，水泵材質(zhì)為設(shè)計(jì)選用不銹鋼316L。潛水泵與調(diào)節(jié)水箱液位進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，一旦出現(xiàn)狀況系統(tǒng)自動(dòng)停潛水泵，并發(fā)出信號作用于后續(xù)的處理單元。

3.2 預(yù)處理單元設(shè)計(jì)

井水在進(jìn)入納濾系統(tǒng)之前，為防止納濾膜表面發(fā)生污染，必須盡量除去懸浮固體、微生物、膠體物質(zhì)等，使進(jìn)水濁度<1 NTU, 污染指數(shù)(SDI)<3[9]。設(shè)計(jì)采用“多介質(zhì)過濾—精密過濾”的組合工藝對井水進(jìn)行預(yù)處理。

3.2.1 淺層介質(zhì)過濾

采用全自動(dòng)淺層介質(zhì)過濾器用來去除水中的肉眼可見顆粒物。過濾器內(nèi)部設(shè)置呈星狀均勻分布的蘑菇狀壓差補(bǔ)償集水器，使系統(tǒng)在過濾狀態(tài)下分水壓平衡，可在較高過濾流速(20 m/h)下，達(dá)到較好的過濾效果；反洗時(shí)形成內(nèi)環(huán)流，反洗效率高且不跑砂。系統(tǒng)通過壓差變化自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行、反沖及正沖等步驟。系統(tǒng)每隔4 h進(jìn)行一次反洗，每次反洗時(shí)間2 min，反洗耗水量是傳統(tǒng)砂濾器的30%左右。

3.2.2 精密過濾

精密過濾器又叫“保安過濾器”，是納濾膜進(jìn)水保護(hù)的最后一道屏障，確保納濾進(jìn)水SDI<3，延長膜的使用壽命。工程設(shè)置保安過濾器1臺(tái)，處理流量為16 m3/h，過濾精度為5 μm。

3.3 納濾脫鹽單元設(shè)計(jì)

納濾脫鹽單元為整套系統(tǒng)的核心單元，主要包括高壓泵和納濾膜組。

3.3.1 高壓泵

設(shè)計(jì)選用水潤滑式葉片泵，與普通多級離心泵相比，能耗更低。高壓泵過流件材質(zhì)設(shè)計(jì)選用超級雙相鋼2507，防腐性能良好。高壓泵通過變頻器啟停和調(diào)速，保證進(jìn)水流量的平穩(wěn)變化，減少對膜元件的沖擊。

3.3.2 納濾膜組

納濾膜組為系統(tǒng)的脫鹽核心，主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

(1)運(yùn)行水溫。根據(jù)當(dāng)?shù)刈詠硭镜臋z測數(shù)據(jù)，井水一年四季的溫度均在5 ℃以上，同時(shí)聚酰胺納濾膜最高允許進(jìn)水溫度為45 ℃，設(shè)計(jì)進(jìn)水水溫范圍為5 ℃～40 ℃。

(2)平均水通量。膜組進(jìn)水為無污染的地下井水，水通量取18.5 LMH。

(3)膜元件。設(shè)計(jì)采用節(jié)能型聚酰胺納濾膜元件12支，單支膜元件性能參數(shù)如表1。該膜可在超低壓力下工作，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降低操作費(fèi)用的目的。

表1 納濾膜元件性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of nanofiltration membrane element

(4)水回收率。根據(jù)井水水質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)水回收率為70%。

(5)壓力容器。設(shè)計(jì)采用8英寸4芯壓力容器3臺(tái)，耐壓等級300 psi。

(6)膜組排列方式。采用兩段式(2 ∶1)排列，其中第一段共2臺(tái)壓力容器，每臺(tái)壓力容器中裝置有4支8040納濾膜；第二段共1臺(tái)壓力容器，每臺(tái)壓力容器中裝有4支8040納濾膜。

3.4 化學(xué)清洗及加藥單元設(shè)計(jì)

隨著納濾系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行，污垢會(huì)吸附、沉積到膜面上或進(jìn)入到膜孔中，嚴(yán)重的情況下會(huì)將膜孔道堵塞，使膜的滲透阻力顯著增加，膜通量降低，導(dǎo)致產(chǎn)水流量下降[10]。為了確保納濾系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，工程設(shè)置化學(xué)清洗裝置1套，化學(xué)清洗頻率為3個(gè)月。

為防止納濾膜內(nèi)結(jié)垢，并提高系統(tǒng)水回收率，原水在進(jìn)入納濾膜之前需投加阻垢劑，以防止難溶性碳酸鹽和硫酸鹽在膜組件的濃水側(cè)析出結(jié)垢，根據(jù)原水水質(zhì)特點(diǎn)及膜軟件計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)阻垢劑投加濃度為3 mg/kg。納濾產(chǎn)水采用次氯酸鈉進(jìn)行消毒，設(shè)計(jì)加入量為1 mg/kg。

3.5 供水單元設(shè)計(jì)

工程設(shè)置產(chǎn)水緩沖水箱高低液位和高位水塔高低液位監(jiān)控，系統(tǒng)通過監(jiān)控液位的變化自動(dòng)控制產(chǎn)水泵及消毒劑計(jì)量泵的啟停，從而自動(dòng)對外供水。

4 運(yùn)行效果分析

連續(xù)30 d監(jiān)測結(jié)果表明工藝運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好。整套系統(tǒng)平均進(jìn)水量為16.0 m3/h，平均產(chǎn)水量為10.8 m3/h，平均淡水回收率為67.5%，平均產(chǎn)水TDS約115 mg/L。納濾單元平均淡水回收率為70.1%，平均進(jìn)膜壓力0.66 MPa，平均濃水壓力0.65 MPa。選擇連續(xù)運(yùn)行30 d的進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平均進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)及主要超標(biāo)物質(zhì)去除率見表2。

表2 進(jìn)出水水質(zhì)Tab.2 Influent and effluent quality

4.1 進(jìn)水水質(zhì)

由表2可知，原水中溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽及氯化物含量嚴(yán)重超標(biāo)。與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 5749-2006)相比，溶解性總固體是標(biāo)準(zhǔn)限值的2.85倍，總硬度是標(biāo)準(zhǔn)限值的2.44倍，氯化物含量是標(biāo)準(zhǔn)限值的1.86倍，硫酸鹽含量是標(biāo)準(zhǔn)限值的5.08倍。原水硬度高、鹽度高，硫酸鹽含量高，屬于典型的硫酸鹽型苦咸水。

4.2 出水水質(zhì)

由表2可知，產(chǎn)水各指標(biāo)均已達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 5749-2006)要求。30 d內(nèi)產(chǎn)水主要指標(biāo)隨時(shí)間呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，但全部低于指標(biāo)限值(見圖2)。30 d運(yùn)行周期內(nèi)，產(chǎn)水TDS維持在104 mg/L～135 mg/L之間，平均TDS去除率為96.0%；氯化物含量維持在55.3 mg/L～74.6 mg/L之間，平均氯化物去除率為86.2%；總硬度維持在5.48 mg/L～7.49 mg/L之間，平均總硬度去除率為99.4%；硫酸鹽含量維持在6.13 mg/L～8.48 mg/L之間，平均硫酸鹽去除率為99.4%；各超標(biāo)物去除效果明顯。

圖2 產(chǎn)水主要指標(biāo)Fig.2 Main indicators of product water

4.3 系統(tǒng)能耗及節(jié)能分析

系統(tǒng)選用水潤滑式葉片泵，同普通的多級離心泵相比，在流量15.4 m3/h,0.66 MPa工況條件下，能耗降低約21.2%。另一方面，從產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)可知納濾對二價(jià)離子的脫除率超過了99%，而對一價(jià)氯離子的脫除率僅有86%，這種選擇透過性，特別適用于硫酸鹽型苦咸水淡化。以該項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)為例，若采用反滲透進(jìn)行脫鹽處理，經(jīng)專業(yè)膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件模擬計(jì)算，系統(tǒng)操作壓力約為0.89 MPa，納濾工藝比反滲透工藝節(jié)能約14.8%。

系統(tǒng)總體運(yùn)行功率約12.6 kW。其中取水及淺層過濾單元運(yùn)行功率4.96 kW，納濾脫鹽單元運(yùn)行功率6.02kW，供水單元1.58 kW，折合噸水運(yùn)行能耗約1.17 kW·h。

4.4 運(yùn)行成本分析

經(jīng)測算，系統(tǒng)運(yùn)行成本約0.92元/m3，各部分費(fèi)用構(gòu)成詳見表3。

表3 運(yùn)行成本分析Tab.3 Running cost analysis

5 結(jié)論

“淺層介質(zhì)過濾—納濾”的組合工藝在和田苦咸水淡化工程中運(yùn)行穩(wěn)定，總硬度及硫酸鹽的去除率超過了99%， TDS去除率達(dá)到了96%，氯化物的去除率達(dá)到了86%，產(chǎn)水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 5749-2006)的要求。該組合工藝運(yùn)行成本為0.92元/m3，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、實(shí)用價(jià)值和良好的推廣前景，為解決我國西北地區(qū)地下水含鹽量高的問題提供可供復(fù)制的樣板，為納濾脫鹽技術(shù)在同類型地區(qū)的推廣提供參考。