反滲透工藝在生活飲用水處理工程中的應(yīng)用

摘要：某城鎮(zhèn)水廠生活飲用水供水規(guī)模為3 000 m3/d，水源為地下水。根據(jù)水源水質(zhì)開展工藝設(shè)計(jì)，采用“多介質(zhì)過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝處理原水。反滲透后水與濾池后水摻混供水，水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022），為類似新建或改造項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：生活飲用水；地下水；反滲透；處理

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.071

Application of Reverse Osmosis Process in Drinking Water Treatment Engineering

HOU Jiang1， XIAO Chuanjing2， YAO Kuowei2

（1. Jinan Zhangqiu District Water Supply Co.， Ltd.， Jinan 250200， China;

2. Jinan Municipal Engineering Design amp; Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： The drinking water supply scale of a certain urban water plant is 3 000 m3/d， and the water source is groundwater. According to the water quality of the water source， process design is carried out， and the raw water is treated by using the “multi-media filter + ultrafiltration membrane + reverse osmosis membrane + sodium hypochlorite disinfection” process. The mixed water after reverse osmosis and filter tank is used for water supply， and the water quality is stably meets the Standards for Drinking Water Quality （GB 5749—2022）， thus providing reference for similar new construction or renovation projects.

Keywords： drinking water; groundwater; reverse osmosis; treatment

某城鎮(zhèn)水廠生活飲用水供水規(guī)模為3 000 m3/d，水源為地下水，硝酸鹽含量高于10 mg/L，并逐年升高，經(jīng)檢測，最高含量為19.5 mg/L。同時(shí)，現(xiàn)狀水源井的溶解性總固體和總硬度存在階段性超標(biāo)問題。由于僅做消毒處理無法去除原水中的溶解性總固體、總硬度和硝酸鹽，現(xiàn)狀供水水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022），存在安全隱患，因此實(shí)施水廠水質(zhì)提升工程。

1 原水及出水水質(zhì)

根據(jù)水源水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告，考慮最不利情況，設(shè)定原水水質(zhì)指標(biāo)，出水水質(zhì)必須達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）。設(shè)計(jì)原水、出水水質(zhì)主要指標(biāo)及綜合評價(jià)如表1所示。其中，硝酸鹽以N計(jì)，總硬度以CaCO3計(jì)。

2 處理工藝選擇

生活飲用水水質(zhì)提升工程需要去除的主要污染物為硝酸鹽，同時(shí)考慮同步去除原水中溶解性總固體和總硬度。該項(xiàng)目的硝酸鹽去除率要求最高，去除率應(yīng)不小于28.35%，總硬度去除率應(yīng)不小于18.2%，溶解性總固體去除率應(yīng)不小于9.1%。

2.1 核心工藝確定

溶解性總固體去除工藝包括納濾法、反滲透法、電滲析法、離子交換法和蒸發(fā)法等。硝酸鹽去除工藝包括生物反硝化法、反滲透法、電滲析法、脫硝陰離子交換法和化學(xué)還原法等。常用的除硬工藝包括石灰-碳酸鈉雙堿法、樹脂軟化法、納濾法和反滲透法等。如表2所示，反滲透膜和致密型納濾膜可同時(shí)去除溶解性總固體、硝酸鹽與總硬度，因此可選擇的核心工藝為膜分離法。膜分離法是指不同粒徑分子的混合物通過具有一定選擇透過性的半透膜時(shí)，在能量、濃度或化學(xué)位差的作用下實(shí)現(xiàn)選擇性分離[1]。依據(jù)孔徑的不同，半透膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。

反滲透膜孔徑小，能夠有效去除水中的溶解鹽、膠體和微生物等。反滲透綜合脫鹽率通常不小于97%，對水中的一價(jià)鹽和高價(jià)鹽都有較高的截留率[2]。納濾膜孔徑一般在1 nm左右，分離原理近似機(jī)械篩分。納濾膜主要截留分子量高于200的有機(jī)物以及二價(jià)和多價(jià)無機(jī)鹽，而對一價(jià)鹽的截留率較低[3]。因此，納濾常用于水質(zhì)軟化、高濃度有機(jī)廢水中有機(jī)物去除以及制藥、生物化工、食品工業(yè)等領(lǐng)域的物料分離[4]。納濾膜對硝酸鹽的脫除率遠(yuǎn)低于反滲透膜，從設(shè)備投資、運(yùn)行成本和供水安全等方面考慮，反滲透法更為經(jīng)濟(jì)可靠[5]。反滲透法能同步完成硬度去除、脫鹽、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）脫除等，出水品質(zhì)高，水質(zhì)穩(wěn)定，供水安全性高。反滲透膜脫鹽率高，因此只需要處理部分原水，出水與未處理水混合后供水，可以降低水廠投資和運(yùn)行成本。膜分離為純物理過程，無相變、無化學(xué)反應(yīng)，所以雙膜法是一種清潔生產(chǎn)工藝。膜系統(tǒng)可全自動(dòng)運(yùn)行，操作簡單，易于控制和維修，技術(shù)成熟，工程應(yīng)用廣泛。因此，選用反滲透膜作為核心工藝。

2.2 反滲透膜前端的預(yù)處理工藝選擇

反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)要求高，通常前端需要設(shè)置超濾膜進(jìn)行預(yù)處理，組成“超濾+反滲透”雙膜系統(tǒng)。項(xiàng)目現(xiàn)狀地下水濁度和色度較高，水質(zhì)存在不同程度的污染，原水進(jìn)入雙膜系統(tǒng)前進(jìn)行過濾，可以保證進(jìn)水水質(zhì)，降低膜元件污堵，大幅提高膜系統(tǒng)效率和使用壽命，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水量、脫鹽率、回收率和運(yùn)行費(fèi)用的最優(yōu)設(shè)計(jì)。最常用的超濾膜為中空纖維超濾膜，根據(jù)安裝和運(yùn)行方式，一般分為2種，如表3所示。

浸沒式超濾膜與外置式超濾膜材質(zhì)均為聚偏二氟乙烯，土建投資基本相同，運(yùn)行費(fèi)用基本一致。與浸沒式超濾膜相比，外置式超濾膜通量較高，因此同樣處理規(guī)模的需膜量低，設(shè)備投資較低，總體投資也低。浸沒式超濾膜適用于原水水質(zhì)較好，水中污染物以懸浮物和膠體為主，而硬度及二氧化硅、鐵、錳含量較低的工況。項(xiàng)目原水COD和總硬度高，同時(shí)含有較多的二氧化硅、鐵與錳，因此原水進(jìn)入超濾膜前需要經(jīng)過“高效沉淀池+臭氧催化氧化池+炭砂雙層濾池”進(jìn)行預(yù)處理。超濾膜進(jìn)水濁度低，水質(zhì)好，無須采用浸沒式超濾膜。為了降低工程投資，提高產(chǎn)水水質(zhì)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，采用外置式超濾膜。

2.3 工藝流程

該項(xiàng)目采用“多介質(zhì)過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝，基本流程如圖1所示。項(xiàng)目設(shè)計(jì)供水規(guī)模為3 000 m3/d，包括2 200 m3/d反滲透產(chǎn)水和800 m3/d濾池產(chǎn)水。居民不能長期飲用純凈水，考慮水廠運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益，該項(xiàng)目采用混摻供水方式?；鞊角昂蟮乃|(zhì)對比如表4所示。

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

3.1 凈水間

凈水間長和寬均為21 m，高為13 m，提供多介質(zhì)過濾器、超濾和反滲透設(shè)備的安裝空間，并集原水調(diào)節(jié)池、中間水池、超濾產(chǎn)水池、提升泵房、風(fēng)機(jī)房、空壓機(jī)間、清洗間、加藥間、值班室、配電室和中控室等于一體，節(jié)約占地面積，方便工藝控制及管理。綜合水池分為原水池和超濾產(chǎn)水池，容積分別為190 m3和160 m3。提升泵房配置原水提升泵、多介質(zhì)反洗泵、超濾反洗泵和反滲透給水泵各2臺。一層設(shè)備間配置4臺多介質(zhì)過濾器，以石英砂和無煙煤為過濾介質(zhì)。采用氣水聯(lián)合反洗，氣洗強(qiáng)度為15 L/（s·m2），水洗強(qiáng)度為10 L/（s·m2）。

二層設(shè)備間配置2臺自清洗過濾器、2套超濾裝置、2套反滲透裝置和2臺反滲透沖洗水泵，分為鼓風(fēng)機(jī)房、空壓機(jī)間、清洗間、加藥間和輔助生產(chǎn)房間等。單套超濾裝置凈產(chǎn)水量為85 m3/h，平均膜通量不大于40 L/（m2·h），回收率不小于92%。單套反滲透裝置產(chǎn)水流量為50 m3/h，回收率不小于75%，配套反滲透高壓泵2臺。鼓風(fēng)機(jī)房配置羅茨鼓風(fēng)機(jī)（多介質(zhì)反洗用）2臺，空壓機(jī)間配置螺桿式空壓機(jī)2臺，工藝用空氣儲罐、儀表用空氣儲罐各有1個(gè)。清洗間配置化學(xué)清洗裝置1套。加藥間配置聚合氯化鋁、還原劑、阻垢劑、酸、堿和次氯酸鈉加藥裝置各1套。輔助生產(chǎn)房間細(xì)分為值班控制室、化驗(yàn)室和變配電室。

3.2 其他單體構(gòu)筑物

新建清水池1座，有效容積為250 m3。供水泵房有1座，配套設(shè)置5套供水泵?；赜盟丶皬U水池各有1座，有效容積合計(jì)250 m3。回用水池用于儲存超濾膜系統(tǒng)反洗廢水，上清液回收至系統(tǒng)前端。廢水池用于收集化學(xué)清洗廢水，調(diào)節(jié)水量和水質(zhì)后排至城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)。

4 結(jié)論

該城鎮(zhèn)水廠以地下水為水源，水中硝酸鹽含量高，溶解性總固體和總硬度存在階段性超標(biāo)問題。經(jīng)論證，采用“多介質(zhì)過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝，實(shí)施生活飲用水水質(zhì)提升工程。項(xiàng)目實(shí)施后，硝酸鹽、總硬度和溶解性總固體的去除率可以達(dá)到相關(guān)要求，供水可以滿足居民用水需求。

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作者簡介：侯將（1973—），女，山東濟(jì)南人，高級工程師。研究方向：供水處理技術(shù)應(yīng)用及水廠管理。