雙膜法在瑞源水廠處理氟化物和硫酸鹽中的應(yīng)用

奚影影，韓慶祥, 張家銘, 張?jiān)坪?/p>

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

生活飲用水中離子超標(biāo)會帶來很多疾病，時刻威脅人民群眾生命健康安全。自來水氟離子超標(biāo)，即稱高氟水，長期飲用會使牙齒發(fā)黑、患很多牙齒疾病。自來水硫酸鹽超標(biāo)可引起腹瀉、脫水和消化道疾病，有研究表明，肝癌與飲用水中的硫酸鹽濃度呈現(xiàn)正相關(guān)的現(xiàn)象[1]，同時，也會對管網(wǎng)造成腐蝕破壞。氟離子去除方法有吸附法、離子交換法、膜處理法等[2]，硫酸鹽的去除有吸附法、生物化學(xué)法、鋇離子和鈣離子法等[3]。結(jié)合兩種離子特性與現(xiàn)有處理數(shù)據(jù)，近幾年運(yùn)用較多的處理方法為超濾+反滲透雙膜法。

目前，國內(nèi)外對于雙膜法應(yīng)用頗多，且都取得了穩(wěn)定良好的處理效果。在甘肅某礦井水的處理中，雙膜法出水氟離子濃度為0.13 mg/L，硫酸鹽濃度為77.4 mg/L，水質(zhì)優(yōu)異[4]。在舟山某海島可能由于海水滲入或者干旱引起含鹽量超標(biāo)的飲用水處理中，雙膜法更是實(shí)現(xiàn)了高脫鹽效果，硫酸鹽濃度低至0.1 mg/L[5]。濟(jì)南市濟(jì)陽縣濟(jì)北自來水廠采用超濾+反滲透脫鹽除氟并降低硬度，取得了優(yōu)異效果，出廠水硬度在340 mg/L左右，溶解性總固體在740 mg/L左右，硫酸鹽在140 mg/L左右，氟化物在0.55 mg/L左右[6]。泰安市寧陽縣自來水廠采用超濾+反滲透去除地下水中超標(biāo)硬度與硝酸鹽，反滲透出水電導(dǎo)率為38 μS/cm，硬度為27 mg/L，硝酸鹽為1.0 mg/L，出水10 000 m3/d與原深井水5 000 m3/d混合出廠，經(jīng)檢驗(yàn)完全符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[7]。

超濾+反滲透雙膜法在處理海水、生活飲用水、工業(yè)水等方面效果顯著，使自然水體利用率大大提升。本文介紹了武城瑞源水廠膜處理車間的設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行特點(diǎn)，為各水廠處理相似原水提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及工藝選擇

本工程位于山東省德州市武城縣，瑞源水廠供水規(guī)模30 000 m3/d，以南水北調(diào)工程東段魯北輸水線末端重要調(diào)蓄水庫大屯水庫為水源。德州市地區(qū)地下水氟離子濃度一直較高，地質(zhì)原因?qū)е碌叵滤c水庫水相互滲透，從而致使水廠進(jìn)水氟離子超標(biāo)。南水北調(diào)工程沿途地質(zhì)復(fù)雜，地下水滲透，瑞源水廠原水硫酸鹽超標(biāo)。原水廠出水水質(zhì)如表1所示。由表1可知，出水要達(dá)到國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，需對水中硫酸鹽和氟化物進(jìn)行深度處理。

表1 原水廠出水水質(zhì)Tab.1 Finished Water Quality of Original Waterworks

瑞源水廠原工藝處理流程為預(yù)氧化+機(jī)械攪拌澄清池+砂濾池+臭氧生物活性炭。水廠原處理工藝無法去除超標(biāo)的氟化物和硫酸鹽，因此，另需增加脫鹽除氟工藝。常用的脫鹽除氟工藝有納濾、反滲透、離子交換法等，綜合考慮原水水質(zhì)、處理效果、后續(xù)維護(hù)以及國內(nèi)外處理經(jīng)驗(yàn)，該工程設(shè)計(jì)決定采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法進(jìn)行脫鹽除氟。該裝置占地面積小，技術(shù)先進(jìn)，自動化程度高且處理效果好[5]。雙膜法可將污染嚴(yán)重或者含鹽量較高的水凈化過濾，有效除去水中硫酸鹽和氟化物，進(jìn)一步改善了生活飲用水水質(zhì)[8]。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 主要工藝選擇

2.1.1 自清洗過濾器

自清洗過濾器用以截流活性炭濾池出水中殘留物及細(xì)菌懸浮物，如藻類、鐵銹、黏泥、微生物等，保護(hù)超濾膜不被破壞和堵塞，繼而保障超濾膜正常工作。過濾方式為水先經(jīng)過粗濾網(wǎng)過濾掉較大雜質(zhì)，然后到達(dá)細(xì)濾網(wǎng)。自清洗過濾器發(fā)揮作用關(guān)鍵部位的是濾網(wǎng)，用于攔截大顆粒物等雜質(zhì)，同時還可以自動排污，方便快捷[7]。采用壓差、時間及手動方式進(jìn)行控制，運(yùn)行連續(xù)供液，截流雜質(zhì)過多時，壓力損失增加，進(jìn)出水口壓差達(dá)到設(shè)定值時，開始反沖洗。進(jìn)入自清洗過濾器的水管最低點(diǎn)設(shè)排放閥。

2.1.2 超濾+反滲透

超濾是對活性炭濾池出水進(jìn)行脫鹽前處理，可有效去除原水中的雜質(zhì)、大分子懸浮顆粒物和有害物質(zhì)等，可有效保證反滲透的脫鹽率及延長膜的使用壽命[4]。超濾現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水處理多處領(lǐng)域，如造紙污水處理、飲用水凈化、電鍍廢水處理、油質(zhì)廢水處理、城市污水的回收利用等[9]。反滲透具有相當(dāng)高的截留率，可過濾掉水中離子級別的雜質(zhì)，完全滿足瑞源水廠原出水中的超標(biāo)離子雜質(zhì)的去除。雙膜法中超濾作為反滲透膜的預(yù)處理，保證了反滲透膜前水質(zhì)，可防止雜質(zhì)堆積堵塞造成對膜的污染。

2.1.3 防垢與清洗

反滲透膜幾乎可以過濾水中所有的物質(zhì)，但對膜前壓力要求較高。倘若水質(zhì)、運(yùn)行條件不好，易造成膜的污堵及破壞現(xiàn)象[10]。造成反滲透膜污堵的原因有很多，濃差極化、結(jié)垢、微生物污染、膠體污染以及無機(jī)和有機(jī)污染，其中主要原因是濃差極化，另外，微生物在膜上生長發(fā)育釋放出的有機(jī)物質(zhì)會逐漸形成凝膠層堵塞膜[11]。反滲透膜運(yùn)行一段時間后，水中鈣鎂離子會不斷析出附著在膜的表面，為防止原水中的碳酸鈣、碳酸鎂等在反滲透膜表面或者管道中結(jié)垢，導(dǎo)致膜元件堵塞，需在超濾膜出水后投加阻垢劑。阻垢劑是一種有機(jī)化合物質(zhì)，主要作用是相對增加水中結(jié)垢物質(zhì)的溶解性，以防止碳酸鈣、硫酸鈣等物質(zhì)對膜的阻礙，同時，可降低鐵離子堵塞膜的微孔。阻垢劑的投加可有效預(yù)防發(fā)生膜污染，保證反滲透系統(tǒng)的正常產(chǎn)水工作[12]。

為了保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，要定期進(jìn)行清洗，最終的清洗效果可能決定膜的處理效果和使用壽命[8]。本項(xiàng)目超濾反洗周期為30～40 min/次，當(dāng)反洗不能恢復(fù)超濾膜的通量時，需進(jìn)行化學(xué)加藥增強(qiáng)反洗，化學(xué)增強(qiáng)反洗周期為12～24 h/次。當(dāng)反滲透裝置產(chǎn)水下降10%或進(jìn)水與濃水壓差增加15%時，說明膜已污染，需進(jìn)行化學(xué)清洗，一般周期為3～12個月清洗1次。

2.2 工藝流程

新建膜處理車間進(jìn)水采用原有活性炭濾池的出水，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為10 000 m3/d，新建膜處理車間進(jìn)水量為14 500 m3/d。工藝流程中的預(yù)處理包括自清洗過濾器和超濾系統(tǒng)，主要去除水中的大分子懸浮物、膠體和有機(jī)物等，以滿足反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)要求。超濾設(shè)備出水經(jīng)加壓后進(jìn)入反滲透設(shè)備，對水中氟化物、硫酸鹽以及其他無機(jī)鹽離子的去除。最后，膜車間出水規(guī)模10 000 m3/d與活性炭濾池后進(jìn)水池中溢流的20 000 m3/d水量以1∶2進(jìn)行混合，水廠總供水規(guī)模達(dá)到30 000 m3/d，出水經(jīng)消毒后供給市政管網(wǎng)。詳細(xì)的工藝流程如圖1所示。

圖1 超濾-反滲透裝置工藝流程Fig.1 Process Flow of UF-RO Unit

2.3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 反滲透預(yù)處理

(1)提升泵

設(shè)置有5臺進(jìn)水泵，4用1冷備，每臺流量為160 m3/h，揚(yáng)程為28 m，配有電機(jī)功率18.5 kW。提升泵的作用為提供動力，保證系統(tǒng)所需壓力及克服沿程阻力，將活性炭池出水送至超濾系統(tǒng)進(jìn)行反滲透前的預(yù)處理。泵與系統(tǒng)有聯(lián)動裝置，一旦出現(xiàn)問題，便反饋到系統(tǒng)及時做出調(diào)整。

(2)自清洗過濾器

本工程采用4組自清洗過濾器，過濾精度為100 μm，每組產(chǎn)水能力為3 625 m3/d。受場地、投資額及其他因素限制，未設(shè)置備用，損壞時需快速聯(lián)系廠家更換維修。

(3)超濾系統(tǒng)

本工程采用4組超濾過濾器，每組采用70支超濾膜，膜孔徑為0.1 μm，每組產(chǎn)水能力為3 375 m3/d，每組設(shè)計(jì)產(chǎn)廢水量為250 m3/d，回收率≥93.5%。本系統(tǒng)采用內(nèi)壓式中空纖維超濾膜，型號為UF1IA250，有效膜面積為50 m2，設(shè)計(jì)膜通量為45 L/(m2·h)。

(4)超濾反洗泵

設(shè)置有2臺臥式反洗水泵，1用1備，每臺流量為350 m3/h，揚(yáng)程為28 m，配有電機(jī)功率45 kW，反洗水進(jìn)入水廠原有反洗回收池，設(shè)置1套化學(xué)清洗系統(tǒng)。

2.3.2 反滲透系統(tǒng)

常見雙膜法超濾膜后設(shè)置濁度儀測定超濾出水渾濁度以保證反滲透膜的入水水質(zhì)，瑞源水廠設(shè)計(jì)濁度儀+在線激光顆粒物分析儀聯(lián)合使用，進(jìn)一步保證了水質(zhì)監(jiān)測。

(1)保安過濾器

又稱精密過濾器。本工程采用4組纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)壓力膜殼式過濾器，φ600 mm，濾芯過濾精度為5 μm，流量為150 m3/h。主要目的是攔截超濾膜意外破損時出水中攜帶的顆粒、膠體、懸浮物雜質(zhì)等，防止進(jìn)入反滲透膜，影響其運(yùn)行[2]。

(2)反滲透高壓泵

本工程共采用5臺高壓泵，4用1冷備，每套反滲透裝置配套一臺高壓泵。每臺流量為141 m3/h，揚(yáng)程為140 m3，配有電機(jī)功率90 kW。

(3)反滲透系統(tǒng)

本工程共采用4組反滲透裝置，按照一級2段設(shè)計(jì)運(yùn)行，每組裝備配備132支低壓反滲透膜，22支膜殼，6支裝，排列方式為15∶7(采用2∶1)，設(shè)置濃水排量為3 500 m3/d，產(chǎn)水能力為416 m3/h。型號為TM720D—400，回收率≥75%，設(shè)計(jì)膜通量為21.5 L/(m2·h)。

(4)反滲透防垢與清洗

本項(xiàng)目投加阻垢劑類型為膦酸鹽復(fù)合物，投加方式為計(jì)量泵投加。

本項(xiàng)目對反滲透膜元件進(jìn)行在線循環(huán)浸泡清洗，藥劑采用酸性和堿性清洗藥劑，實(shí)時監(jiān)測清洗狀況，直到清洗完成。

(5)反滲透濃水池

本工程共設(shè)計(jì)1座半地上式鋼筋混凝土構(gòu)筑物用于收集反滲透膜廢水，后續(xù)用于澆灑道路。內(nèi)置兩臺潛水泵，泵流量為50 m3/h，揚(yáng)程為20 m，配用電機(jī)功率為30 kW。

3 運(yùn)行效果及分析

(1)超濾系統(tǒng)在運(yùn)行期間，處理效果穩(wěn)定。超濾出水渾濁度小于<0.1 NTU，SDI<1，有效去除了膠體、懸浮物及微生物大顆粒，為反滲透膜裝置的產(chǎn)水奠定了有力的基礎(chǔ)。

反滲透系統(tǒng)出水氟化物出水濃度為0.05～0.10 mg/L，全年去除率均在95%以上，硫酸鹽出水濃度為1.5～4.5 mg/L，全年去除率均在98%以上，對氟化物及硫酸鹽的去除有好的效果。原水、中間產(chǎn)水、出水水質(zhì)對比如表2所示。

表2 水質(zhì)對比Tab.2 Comparison of Water Qualities

(2)膜車間出水與活性炭濾池出水按照1∶2混合后，經(jīng)消毒加壓后供給用戶?；旌铣鏊?jīng)檢測，其中總硬度211 mg/L，溶解性總固體762 mg/L，硝酸鹽0.28 mg/L，氟化物0.32～1.0 mg/L，硫酸鹽216.5～217.5 mg/L，出水各指標(biāo)均達(dá)到了國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(3)雙膜系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與PLC系統(tǒng)遠(yuǎn)端控制，整個系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動控制，也可調(diào)至手動控制?？刂蒲b置前配有有進(jìn)水電磁閥，主要功能是開機(jī)運(yùn)行壓力緩慢上升，以防瞬間高壓損壞膜元件。自動控制閥、液位開關(guān)系統(tǒng)以及自動開關(guān)機(jī)功能，可有效根據(jù)水位控制系統(tǒng)啟閉，當(dāng)原水水位高產(chǎn)水位低，系統(tǒng)自動開機(jī)運(yùn)行產(chǎn)水，當(dāng)原水水位低產(chǎn)水高位，系統(tǒng)自動關(guān)機(jī)停止產(chǎn)水[5]。為防止高壓泵啟動瞬間高壓沖擊反滲透膜，高壓泵設(shè)計(jì)有電動慢開關(guān)。泵前泵后設(shè)計(jì)壓力開關(guān)，泵前壓力過低時，報(bào)警自動停泵，泵后壓力過高時，報(bào)警自動停泵。整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，至今未出過狀況。阻垢劑、還原劑、化學(xué)清洗加藥等計(jì)量泵和對應(yīng)工藝流程泵聯(lián)鎖啟停。

(4)瑞源水廠膜車間總投資1 405萬元，每年平均凈利潤為97.04萬元，系統(tǒng)平均制水成本為1.26元/m3，主要包括電費(fèi)、膜清洗藥劑費(fèi)、維修費(fèi)用及人員工資等。全年電費(fèi)共計(jì)190.75萬元，全年藥劑費(fèi)用共計(jì)36.50萬元。酸堿調(diào)和劑投加量為60 mg/L，還原劑投加量為4 mg/L，阻垢劑投加量為50 mg/L。

4 結(jié)論與建議

瑞源水廠采用超濾-反滲透雙膜法去除水中硫酸鹽和氟化物，技術(shù)先進(jìn)、處理效果良好。運(yùn)行至今，穩(wěn)定產(chǎn)水，對硫酸鹽、氟化物的去除達(dá)到了預(yù)期效果，出水水質(zhì)均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。此次武城水廠的升級改造工程，為以南水北調(diào)水為水源的水廠改造提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

超濾膜及反滲透膜造價較高，后續(xù)對維修人員要求較高及維修費(fèi)用較高，這就要求水廠必須加強(qiáng)數(shù)據(jù)監(jiān)控，及時進(jìn)行膜清洗及護(hù)理工作，以延長膜組件的使用壽命。

雙膜法可以較好地保證高鹽水的出水水質(zhì)穩(wěn)定性，為企業(yè)節(jié)省更多的水資源，減少了制水成本。