農(nóng)村高鐵、錳地下水凈化及恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

王曉麗，周 沖，黃鵬飛，單 科，楊樹軍，蔣立冬，王生輝

(國家海洋局 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

我國有很多地區(qū)的地下水中鐵和錳的含量較高，超過或大大超過了生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。含鐵、錳水有鐵腥味，使用中會在各種家用器具上產(chǎn)生棕色銹斑，洗滌衣服會被染成黃色或棕黃色污漬，沉淀在管道內(nèi)壁的鐵質(zhì)可使鐵菌生長等，使水龍頭放出“紅水”；含鐵(錳)水用于造紙、紡織、軟片制造或制革等，會使產(chǎn)品產(chǎn)生污點，降低產(chǎn)品質(zhì)量。長期使用或飲用會給人們的生產(chǎn)和生活帶來不同程度的不便和危害[1-2]。

海南省地質(zhì)結(jié)構(gòu)較特殊，很多農(nóng)村位于巖層上，地下水更容易出現(xiàn)鐵、錳含量超標(biāo)的情況，海南省水務(wù)廳黨組高度重視，將農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程作為海南重點惠民工程之一，列入省、市“十三五”規(guī)劃、為民辦實事項目。文章以陵水某村為例，針對地下水鐵、錳嚴(yán)重超標(biāo)、集中供水設(shè)施不完善、村民生活用水未經(jīng)消毒凈化，水質(zhì)長期不達(dá)標(biāo)等問題，結(jié)合現(xiàn)狀和水質(zhì)指標(biāo)，通過對地下井水進行預(yù)處理，除掉鐵、錳，經(jīng)超濾進一步凈化后，產(chǎn)水水質(zhì)滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。另外，在農(nóng)村供水方面，為了保障村民飲用水供水安全，產(chǎn)水經(jīng)消毒后采用變頻恒壓方式進行供水，避免傳統(tǒng)水塔供水可能產(chǎn)生的二次污染[3]，使每家每戶都能喝到干凈的水，解決了困擾村民多年的用水問題。

2 凈化供水工藝設(shè)計

該系統(tǒng)原水取自陵水縣農(nóng)村地下井水，水質(zhì)情況見表1，凈化及供水工藝流程見圖1。地下水鐵、錳含量超標(biāo)，濁度及懸浮物含量較高，預(yù)處理采用錳砂過濾和石英砂過濾，除去地下水中鐵、錳、顆粒物、懸浮物，經(jīng)保安過濾器進入超濾過濾系統(tǒng)，水中細(xì)菌、膠體、顆粒物、有機分子等被截留，從而達(dá)到地下井水進一步凈化的目的。超濾回收率按93%進行設(shè)計。產(chǎn)水規(guī)模為144 m3/d，即6 m3/h，經(jīng)超濾處理后，符合生活飲用標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)水進入產(chǎn)水水箱進行緩沖儲存，經(jīng)消毒后通過恒壓供水系統(tǒng)進入輸水管網(wǎng)，產(chǎn)水水質(zhì)見表2所示。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

圖1 地下水凈化及供水工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of groundwater purification and water supply

表2 產(chǎn)水水質(zhì)Tab.2 Quality of water production

2.1 預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊由錳砂過濾器、砂濾過濾器及曝氣裝置組成，錳砂過濾器采用天然錳砂作為過濾介質(zhì)，天然錳砂是一種很強的氧化劑，主要成分是二氧化錳，它是二價鐵氧化成三價鐵良好的催化劑，常用于地下水除鐵除錳。只要水中pH值大于5.5時，與錳砂接觸，即可將二價鐵氧化成三價鐵。生成的三價鐵立即水解生成絮狀氫氧化鐵沉淀，經(jīng)錳砂過濾后被除去，因此，錳砂濾層起著催化和過濾的雙重作用。

砂濾過濾器由不同粒徑的石英砂作為過濾介質(zhì)，可有效去除水中的懸浮物，并對水中的膠體、有機物、農(nóng)藥、細(xì)菌、病毒等污染物有明顯的去除作用。pH值適用范圍為2～13，具有過濾阻力小，比表面積大，耐酸堿性強，耐氧化，抗污染性好等優(yōu)點。

濾速：10 m/h ，濾料粒徑規(guī)格：0.5 mm～1 mm，罐體直徑：900 mm(見圖2)。

圖2 預(yù)處理設(shè)備圖Fig.2 Diagram of pretreatment equipment

含鐵、錳的地下水在進錳砂過濾器前，經(jīng)射流器吸入空氣，把空氣通入水中，空氣中的O2體積含量占21%，而CO2的體積占0.03%。地下水中不含溶解氧，但CO2含量較高，當(dāng)曝氣時，空氣中的O2溶于水而水中的CO2逸出到大氣中，以保持平衡，提高pH值。在過濾器內(nèi)水中的二價鐵與空氣中的氧，在催化劑的作用下充分反應(yīng)使二價鐵被氧化生成難溶于水的三價鐵化合物析出，并被濾池濾出，出水含鐵錳量達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 超濾模塊

超濾一種加壓膜分離技術(shù)，即在一定的壓力下，使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜，而使大分子溶質(zhì)不能透過，留在膜的一邊，從而使大分子物質(zhì)得到部分的純化。

超濾系統(tǒng)是核心凈化設(shè)備，是利用超濾膜多孔材料的攔截能力，以機械篩分原理為基礎(chǔ)，以膜兩側(cè)壓差為驅(qū)動力，以物理截留的方式去除水中雜質(zhì)顆粒。當(dāng)被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時，水分子透過膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留，從而使水得到凈化。分離過程不發(fā)生相變化，耗能少，設(shè)備及工藝流程簡單，易于操作、管理及維修[4～6](見圖3)。

圖3 地下水預(yù)處理設(shè)備圖Fig.3 Diagram of groundwater pretreatment equipment

根據(jù)水質(zhì)水量特點，該工程超濾過濾方式按錯流設(shè)計，回收率≥93%，產(chǎn)水水質(zhì)SDI≤2、濁度≤0.20 NTU。濾膜為外壓式膜，采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料，工程膜孔徑0.03 μm，可有效去除細(xì)菌、病毒、顆粒物以及膠體等[7]。

2.3 清洗模塊

超濾在正常運行一段時間后，就會在超濾膜內(nèi)積聚一些污染物，主要為小顆粒懸浮物、大分子有機物、膠體、微生物、難溶鹽類沉淀等污染。由于被截留的雜質(zhì)在膜表面上不斷積累，會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，當(dāng)膜面溶質(zhì)濃度達(dá)到某一極限時,即生成凝膠層，使膜的透水量急劇下降，這使得超濾的使用受到一定程度的限制，需要清洗。

常用的物理清洗方法：順沖，將超濾膜內(nèi)孔中的濃水排盡，靠增大流速沖洗膜表面；反洗，將膜內(nèi)表面的污染物沖松散或剝落，將已松散或從膜內(nèi)表面上剝落的被截留物沖出膜組件外，一般設(shè)為自動定時形式。

雖然定時的物理清洗能較好地維持膜性能的相對穩(wěn)定，但反洗不能使通量達(dá)到100%的恢復(fù)。就需要化學(xué)清洗，利用化學(xué)藥品與膜表面雜質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)來清洗膜，一般采用酸洗和堿洗。堿洗殺菌：配制氫氧化鈉溶液控制pH值12左右，并加入500 mg/kg～1 000 mg/kg的次氯酸鈉進行循環(huán)藥洗30 min、浸泡1 h，浸泡過程中，每20 min進氣30 s。浸泡結(jié)束后排盡藥液；酸洗：配制鹽酸至pH值為2,酸洗循環(huán)過程中不斷加入鹽酸保持pH值控制為2，循環(huán)30 min后浸泡1 h，每20 min進氣30 s。

2.4 恒壓變頻供水工藝設(shè)計(見圖4)

圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram of variable frequency constant pressure water supply system

農(nóng)村地區(qū)多采用水塔進行存水，靠重力自留至用水點，這種傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，水壓也不能保持恒定。近年來，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，其顯著的節(jié)能效果和可靠穩(wěn)定的控制方式，在供水系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，恒壓變頻供水能夠保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓變頻供水多用在自來水廠、居民生活區(qū)、賓館、企業(yè)生產(chǎn)用水、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)等[8]。

該工程共設(shè)置4臺變頻啟動供水泵及配套控制系統(tǒng)對整村用戶進行恒壓供水，保障村民峰值用水。

3 經(jīng)濟分析

3.1 工程裝機功率(見表3)

表3 主要設(shè)備能耗表Tab.3 Engineering Installed Power

整體裝機功率10.2 kW，正常運行功率6.6 kW，1 t水耗電1.1 kW·h，電費按照0.6元/kW·h計，1 t水耗電費0.66元。

3.2 藥劑費用

一般地下水凈化系統(tǒng)運行中，使用的化學(xué)藥劑主要是超濾膜的化學(xué)清洗消耗，主要有次氯酸鈉、堿和酸，一般1個月～2個月清洗一次，折合成1 t水消耗的化學(xué)藥劑費用為0.04元。

綜合制水成本約0.7 元/t。

4 小結(jié)

通過錳砂過濾+石英砂過濾+超濾+消毒+變頻恒壓供水，系統(tǒng)產(chǎn)水量144 m3/d， 回收率高達(dá)93%，1 t水能耗1.1 kW·h，工程運行費用0.7 元/m3，產(chǎn)水水質(zhì)符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。解決了海南農(nóng)村地下水凈化和供水問題，為我國農(nóng)村飲水安全項目工程建設(shè)提供參考。