膜法水處理技術(shù)在農(nóng)村飲水安全中的應(yīng)用研究

姚志春

(蘭州商學(xué)院，蘭州 730020)

膜技術(shù)是一門新興的分離技術(shù)，在水處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，水處理中常用的膜技術(shù)包括微濾、超濾、反滲透和納濾。通?？舍槍?duì)不同的原水水質(zhì)，選用不同的膜技術(shù)用于水凈化、脫鹽、去除水中的有害物質(zhì)等［1-4］。農(nóng)村供水工程具有水源水質(zhì)差、供水量小、用戶分散、技術(shù)經(jīng)濟(jì)管理水平不高等特征，將膜技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村飲用水處理，具有以下優(yōu)點(diǎn):?出水水質(zhì)好，可使群眾喝上優(yōu)質(zhì)安全的飲用水;?供水規(guī)模靈活，幾乎可以適用于任何供水規(guī)模的凈化處理，并且后期的改擴(kuò)建也很容易，較適用于農(nóng)村分散型飲用水處理;?膜裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化與相對(duì)集約化，使水廠的施工周期縮短，減少占地面積;?對(duì)進(jìn)水水量和水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，極大地增強(qiáng)了出水水質(zhì)的可靠性;?主體設(shè)備可靈活轉(zhuǎn)移，對(duì)洪澇、干旱、人為污染等水質(zhì)突發(fā)事件有較好的應(yīng)急能力;?工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，自動(dòng)化程度高，符合農(nóng)村的實(shí)際技術(shù)管理水平［5-10］。但是，膜技術(shù)在農(nóng)村飲水處理中也存在一些問題，筆者認(rèn)為有必要對(duì)其進(jìn)行深入的分析和研究。

1 農(nóng)村飲用水凈化膜處理工藝介紹

水資源緊缺一直是我國(guó)面臨的主要問題，尤其是西北地區(qū)，水資源極為匱乏。甘肅地處西北內(nèi)陸腹地，多年平均降水量280.6mm，人均水資源量只有1099m3，不到全國(guó)平均水平的1/2。截至2010年底，全省飲水不安全人口985.66萬(wàn)。其中，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)占36%;水量不達(dá)標(biāo)占24%;飲水方便程度不達(dá)標(biāo)占21%;水源保證率不達(dá)標(biāo)占19%。水質(zhì)不達(dá)標(biāo)人口中，氟超標(biāo)71.25萬(wàn)人，砷超標(biāo)2.73萬(wàn)人，苦咸水126.95萬(wàn)人，汞鎘鉻鉛超標(biāo)3萬(wàn)人，污染水等其他水質(zhì)問題121.99萬(wàn)人，僅細(xì)菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)32.66萬(wàn)人［1-4］。針對(duì)甘肅苦咸水、高氟水、淺層地下水水源的污染問題，膜法水處理技術(shù)是解決飲水安全問題的有效途徑。在農(nóng)村飲用水處理中常見的膜法水處理工藝有以下幾種。

1.1 高濃度苦咸水淡化工藝

1.1.1 設(shè)計(jì)工藝

預(yù)處理+反滲透脫鹽工藝。

1.1.2 工藝說(shuō)明

“預(yù)處理+反滲透脫鹽”工藝是我國(guó)苦咸水淡化最常用的工藝，一般采用一級(jí)二段的布置形式，系統(tǒng)運(yùn)行壓力高。在該工藝中，原水經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入反滲透裝置進(jìn)行脫鹽，反滲透膜的脫鹽率大于97%，可脫除水中絕大部分的鹽分及大分子有機(jī)物;反滲透裝置出水的總?cè)芙庑怨腆w不大于150mg/L，水利用率為70%左右。出水水質(zhì)均可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。當(dāng)原水TDS含量在3000～5000mg/L時(shí)，可采用這種工藝。由于濃水的 TDS含量可達(dá)到12000～20000mg/L，第二段的膜組件容易出現(xiàn)結(jié)垢問題。膜進(jìn)水中必須添加阻垢劑防止膜結(jié)垢。

1.2 一般苦咸水淡化工藝

預(yù)處理+反滲透脫鹽+部分原水摻和工藝。

1.2.2 工藝說(shuō)明

“預(yù)處理+反滲透脫鹽+部分原水摻和”工藝在苦咸水淡化制備生活飲用水時(shí)經(jīng)常采用，一般采用一級(jí)二段的布置形式，系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高。在該工藝中，將反滲透裝置的出水與部分原水進(jìn)行摻和，保證系統(tǒng)出水的總?cè)芙庑怨腆w不大于750mg/L，系統(tǒng)水利用率為78%左右。出水水質(zhì)均可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。當(dāng)原水TDS含量在2000mg/L以下時(shí)，可采用這種工藝。由于濃水的TDS含量可達(dá)到8000mg/L，第二段的膜組件可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢問題。膜進(jìn)水中必須添加一點(diǎn)量的阻垢劑以防止膜結(jié)垢。

1.3 苦咸水納濾軟化工藝

1.3.1 設(shè)計(jì)工藝

預(yù)處理+納濾軟化工藝。

1.3.2 工藝說(shuō)明

“預(yù)處理+納濾軟化”工藝在苦咸水淡化制備生活飲用水時(shí)經(jīng)常采用，一般采用一級(jí)二段的布置形式，系統(tǒng)運(yùn)行壓力較低。原水經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入納濾裝置進(jìn)行脫鹽，納濾膜的脫鹽率約為80%，可脫除水中絕大部分的二價(jià)離子及大分子有機(jī)物;納濾裝置出水的總?cè)芙庑怨腆w不大于500mg/L，水利用率為75%左右。出水水質(zhì)均可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。當(dāng)原水TDS含量在2000～3000mg/L以下時(shí)，可采用這種工藝。由于濃水的 TDS含量可達(dá)到8000～12000mg/L，第二段的膜組件可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢問題。膜進(jìn)水中必須添加一定量的阻垢劑防止膜結(jié)垢。

1.4 苦咸水納濾軟化+部分原水摻和工藝

1.4.1 設(shè)計(jì)工藝

在精細(xì)復(fù)雜的工藝流程中，她首先依照設(shè)計(jì)草圖用金絲勾勒出形象輪廓，以特制粘膠固定，劃分出無(wú)數(shù)個(gè)小格，作為琺瑯顏料的填色依據(jù)。完成上色之后，將琺瑯放入烘爐中，在超過800℃的高溫中反復(fù)烘烤，隨后將表面打磨壓平，涂上一層透明琺瑯，閃現(xiàn)淡淡的微光。僅在表盤的方寸之間，Anita Porchet依舊能夠演繹出豐富的光影效果，展現(xiàn)最細(xì)微的色澤差異與極其逼真的毛發(fā)質(zhì)感。

預(yù)處理+納濾軟化+部分原水摻和工藝。

1.4.2 工藝說(shuō)明

“預(yù)處理+納濾軟化+部分原水摻和”工藝在苦咸水淡化制備生活飲用水時(shí)經(jīng)常采用，一般采用一級(jí)二段的布置形式，系統(tǒng)運(yùn)行壓力較低。當(dāng)原水TDS含量在1500mg/L以下時(shí)，可采用將納濾裝置的出水與部分原水進(jìn)行摻和這種工藝。保證系統(tǒng)出水的總?cè)芙庑怨腆w不大于900mg/L，系統(tǒng)水利用率為78%左右。出水水質(zhì)均可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。由于濃水的TDS含量為6000mg/L左右，第二段的膜組件一般不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢問題。膜進(jìn)水中不需要添加阻垢劑。

2 膜處理系統(tǒng)工藝參數(shù)比較

下表所列為甘肅農(nóng)村飲水處理中的8套反滲透或納濾膜苦咸水淡化系統(tǒng)的工藝參數(shù)，其中包括設(shè)計(jì)規(guī)模、水源類型、原水量、膜產(chǎn)水量、膜水利用率、系統(tǒng)水利用率、膜產(chǎn)水水質(zhì)、系統(tǒng)出水水質(zhì)、膜脫鹽率、系統(tǒng)脫鹽率、裝機(jī)容量、膜組件數(shù)量和運(yùn)行成本等參數(shù)。在這8套苦咸水淡化系統(tǒng)中，水源有地下水和地表水，有多種工藝流程，產(chǎn)水量有大有小，進(jìn)水TDS有高有低，出水要求基本一致。經(jīng)對(duì)這8套反滲透或納濾膜水處理裝置各參數(shù)的分析比較，表明采用以反滲透膜或納濾膜為主的水處理系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)村井水、河水進(jìn)行凈化處理，具有很好的深度處理功能，能夠滿足分散型農(nóng)村供水技術(shù)的需求。它對(duì)于飲用水源的感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)、微生物指標(biāo)、有機(jī)物指標(biāo)，均具有較好的處理效果。特別是對(duì)于硬度、氟去除效果很好。對(duì)照國(guó)家生活飲用水指標(biāo)，8套反滲透膜或納濾膜水處理裝置處理出水水質(zhì)，均可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。采用膜技術(shù)進(jìn)行苦咸水淡化，實(shí)現(xiàn)苦咸水資源化，解決農(nóng)村飲水安全問題技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。

工藝參數(shù)比較表

3 膜技術(shù)在農(nóng)村飲水處理過程中存在的問題

將膜技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村飲用水處理，雖具有出水水質(zhì)好、供水規(guī)模靈活、工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，但是在膜技術(shù)的應(yīng)用過程中，也存在一些問題。

a.預(yù)處理問題。反滲透或納濾系統(tǒng)由反滲透膜(RO)或納濾膜(NF)、高壓泵及為保護(hù)膜而設(shè)置的保安過濾器組成。保安過濾器內(nèi)裝有過濾孔徑為5μm的濾芯。這些濾芯會(huì)過濾掉尺寸大于5μm的顆粒。對(duì)工藝下游的RO膜或納濾膜起到保護(hù)作用，否則膜表面極易結(jié)垢。目前較常用的滲透膜類別為聚酰胺膜，膜型式為卷式復(fù)合膜，該種型式膜的除鹽率可達(dá)99.5%。由于RO膜易受水中pH值、余氯及水溫的影響，故RO膜運(yùn)行前對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有嚴(yán)格要求:pH值:3～10;余氯含量小于0.1mg/L;SDI15值小于5.0;水溫小于45℃。以上任一指標(biāo)超出范圍，均有可能使?jié)B透膜產(chǎn)生變化，從而影響出水水質(zhì)和縮短膜的使用壽命。并且膜的種類不同對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求也有所不同。反滲透或納濾膜苦咸水淡化工程，必須針對(duì)具體的水源和水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意水處理系統(tǒng)的預(yù)處理工藝，一定要根據(jù)原水水質(zhì)的不同進(jìn)行預(yù)處理，以滿足反滲透膜或納濾膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求，延長(zhǎng)膜的使用壽命，保證系統(tǒng)的正常使用。

b.膜的選擇問題。反滲透或納濾膜苦咸水淡化工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮節(jié)能降耗，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。納濾(NF)是一種低壓反滲透。納濾膜介于RO與UF膜之間，截留分子量為100～1000，在較低的壓力下具有較高的脫鹽性能。對(duì)特定溶質(zhì)如Ca、Mg、Na、SO2、NH3、NO2、NO3、F 等具有更好的脫鹽效果。同時(shí)，納濾膜在飲用水領(lǐng)域主要脫除三鹵甲烷中間體(加氯消毒時(shí)的副產(chǎn)物為致癌物質(zhì))、低分子有機(jī)物、農(nóng)藥、合成洗滌劑、砷等有害物質(zhì)，加之出水效率高、能耗低、濃縮水排放較反滲透少，反滲透系統(tǒng)在苦咸水淡化中最突出的濃縮水排放及制水成本較高問題將會(huì)隨著納濾膜(NF)的應(yīng)用而解決，納濾將是制取優(yōu)質(zhì)飲用水的有效途徑［9-12］。如果出水能達(dá)到設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，首先應(yīng)該考慮選用納濾膜。納濾膜的運(yùn)行壓力比反滲透膜低，可以減少能耗，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

c.膜工藝選擇問題。從上頁(yè)表可見，反滲透或納濾膜水處理系統(tǒng)投資較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，對(duì)西部經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)而言，其制水成本有些偏高。為降低系統(tǒng)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，可以采用反滲透或納濾出水和原水摻和工藝。這種做法不但可以減少投資、降低運(yùn)行費(fèi)用，而且系統(tǒng)出水水質(zhì)仍可達(dá)到或優(yōu)于生活飲用水的指標(biāo)限值。如上頁(yè)表中項(xiàng)目1、2和4。

d.膜的結(jié)垢防止問題。在農(nóng)村飲水安全工程中，原水往往是高濃度苦咸水，CaCO3、CaSO4、SIO2是膜結(jié)垢的三種主要物質(zhì)。防止CaCO3、CaSO4和SiO2的沉淀是運(yùn)行維護(hù)的主要任務(wù)。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，常在預(yù)處理單元加酸調(diào)節(jié)pH值來(lái)防止CaCO3的沉淀、加入阻垢劑來(lái)防止CaSO4的沉淀和通過提高進(jìn)水溫度或降低回收率來(lái)防止SiO2的沉淀。但由于原水中的各種離子是隨季節(jié)的變化而變化，特別是在水源改變后，變化更大。因此，己投入運(yùn)行的反滲透系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)水和排放水需每半年進(jìn)行一次全面分析，通過計(jì)算 LSI指數(shù)、CaSO4濃度積來(lái)預(yù)測(cè)反滲透膜是否產(chǎn)生CaCO3、CaSO4的沉淀是十分必要的。

e.運(yùn)行維護(hù)問題。反滲透系統(tǒng)具有設(shè)備精密、運(yùn)行壓力高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)的運(yùn)行狀況將直接影響到最終出水水質(zhì)，故做好反滲透系統(tǒng)的維護(hù)工作顯得尤為重要。膜處理技術(shù)的系統(tǒng)維護(hù)問題較為突出，農(nóng)村沒有技術(shù)人員，基本上所有農(nóng)村都沒有技術(shù)力量去對(duì)水處理設(shè)施進(jìn)行運(yùn)維。如果托管給專業(yè)公司進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，絕大部分農(nóng)村不愿負(fù)擔(dān)這部分費(fèi)用。農(nóng)村飲水安全工程在建設(shè)水處理設(shè)施的同時(shí)，必須做好技術(shù)培訓(xùn)，由農(nóng)民對(duì)水處理設(shè)施進(jìn)行正常運(yùn)行維護(hù)。

f.水質(zhì)問題。膜處理后的水既去掉了水中影響人體健康的有毒有害的物質(zhì)，同時(shí)也去除了對(duì)人體十分有益的礦物質(zhì)和微量元素。長(zhǎng)期飲用這類高純度的飲水可能會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生不良的負(fù)面效應(yīng)。建議系統(tǒng)出水的TDS在500mg/L左右。

g.膜技術(shù)在農(nóng)村飲水安全處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是膜組件的使用條件和壽命、膜出水水質(zhì)、膜結(jié)垢及防止等問題還需要進(jìn)一步研究和觀察。同時(shí)，還要進(jìn)一步研究探索不同膜工藝在農(nóng)村飲用水領(lǐng)域的適用性，并加大先進(jìn)適用技術(shù)的推廣力度，以緩解水資源供需矛盾，加快我國(guó)農(nóng)村飲水安全問題的解決。

h.濃縮水的處理利用問題。目前，西部農(nóng)村飲水安全中用于苦咸水淡化的膜裝置，系統(tǒng)出力多為15～40m3/H，系統(tǒng)回收率多為50% ～75%，系統(tǒng)運(yùn)行每天以12h計(jì)，每天排放濃縮水180～480m3?？嘞趟到y(tǒng)排放的濃縮水TDS大都超過4000mg/L，甚或高達(dá)8000mg/L，不能用于農(nóng)田灌溉和生活雜用，任其排放在嚴(yán)重缺水的西部地區(qū)不但浪費(fèi)水資源，而且會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成二次污染。濃縮水的處理與利用問題應(yīng)當(dāng)妥善解決［9-12］。

i.水價(jià)問題。在膜法制水成本中，投資費(fèi)和能耗費(fèi)占絕大部分。能耗費(fèi)用的大小和系統(tǒng)的進(jìn)水溫度、含鹽量、回收率等操作條件有關(guān)。西部地區(qū)水溫普遍較低，冬季室溫很低，苦咸水的含鹽量普遍較高，這就導(dǎo)致能耗較高，加之設(shè)備開機(jī)率不高，最終致使制水成本增大，農(nóng)村無(wú)法接受，制約了膜技術(shù)在苦咸水淡化中的推廣應(yīng)用［9-12］。

j.冬季水處理設(shè)備間的保溫問題。反滲透或納濾膜的使用條件要求進(jìn)水溫度在5～45℃。西北地區(qū)水溫普遍較低，冬季氣溫很低，一般在零下幾度到幾十度。如果不采取保暖措施，室溫會(huì)降至零下。這樣冬季水處理設(shè)備間的保溫就成了一個(gè)主要問題，必須妥善解決。

k.農(nóng)村飲水安全的長(zhǎng)效機(jī)制。一般講，農(nóng)村缺水地區(qū)的經(jīng)濟(jì)都比較落后，對(duì)農(nóng)民無(wú)法收取成本水價(jià)。2013年國(guó)家農(nóng)村飲水安全工程結(jié)束，沒有了國(guó)家投資，水處理系統(tǒng)正常換膜的資金無(wú)法落實(shí)。因此，需要研究農(nóng)村飲水安全的長(zhǎng)效機(jī)制，保證國(guó)家農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)的水處理系統(tǒng)能長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

a.膜技術(shù)作為一種新的水處理技術(shù)，在苦咸水、高氟水等劣質(zhì)水凈水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。利用膜處理技術(shù)，是從根本上解決廣大農(nóng)民群眾飲水安全問題的有效途徑之一，可充分發(fā)揮飲水工程的作用和效益，改善農(nóng)村飲水質(zhì)量和衛(wèi)生條件，確保飲水安全。

b.利用膜處理技術(shù)為充分開發(fā)利用劣質(zhì)水資源開辟了一條新途徑。

c.在膜技術(shù)的應(yīng)用過程中，存在處理膜選擇、處理工藝選擇、預(yù)處理、膜的結(jié)垢防止、能耗及制水成本、濃縮水的處理利用、冬季水處理設(shè)備間的保溫和水處理設(shè)施運(yùn)行和維護(hù)等方面的問題，必須妥善解決。

d.應(yīng)該加大膜處理技術(shù)在苦咸水、高氟水等劣質(zhì)水凈化處理上的應(yīng)用研究，多途徑地探討農(nóng)村飲水安全問題的解決方式，加快我國(guó)農(nóng)村飲水安全問題的解決?！?/p>

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