寧夏地區(qū)地下苦咸水人飲淡化技術(shù)適宜性研究

劉 娟，田軍倉(cāng)

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

1 寧夏地區(qū)地下苦咸水資源分布及其成分分析

苦咸水隨著地區(qū)和形成的機(jī)理不同，水中的成分不同，礦化度也不同。一般來(lái)講，礦化度小于1g/L為淡水，1～3 g/L為微咸水和3～6 g/L為半咸水，6～10 g/L為中鹽度苦咸水，10～50 g/L為高鹽度苦咸水，大于50 g/L稱(chēng)為鹵水[3]。根據(jù)相關(guān)資料寧夏地下水共有78種水化學(xué)類(lèi)型[4-7]，并將地下水礦化度分為五級(jí)，即小于1、1～3、3～6、6～10、大于10 g/L。

(1)礦化度小于1 g/L的水 。寧夏全區(qū)礦化度小于1 g/L的地下水資源量為17.15 億m3，主要分布于賀蘭山區(qū)及東麓山前傾斜平原、銀川平原南部、衛(wèi)寧平原、固原南部與六盤(pán)山至月亮山、南華山一帶。總面積達(dá)1.79 萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的34%。礦化度小于1 g/L的水主要為重碳酸鹽水，其中又以鈣鹽和鎂鹽為主。水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-SO4-Ca-Mg和HCO3-SO4-Na-Mg。

(2)礦化度1～3 g/L的水 。礦化度為1～3 g/L之間的地下水資源量為10.75 億m3，是寧夏分布最廣的一種微咸潛水。廣泛分布于銀川平原中北部，寧中山地、靈鹽臺(tái)地與寧南黃土丘陵的西部?？偯娣e達(dá)2.33 萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的45%。1～3 g/L的水化學(xué)類(lèi)型比較復(fù)雜，同1 g/L的水比起來(lái)有顯著差異。主要以硫酸鹽與氯化物為主，陽(yáng)離子成分以鈉鹽為主。水化學(xué)類(lèi)型主要為Cl-SO4-Na-Mg。

(3)礦化度3～6 g/L的水。礦化度3～6 g/L之間的地下水資源量為2.63 億m3，主要分布于寧夏中部?？偯娣e0.78 萬(wàn)km2，約占全區(qū)面積的15%。礦化度3～6 g/L的水，全部為硫酸鹽與氯化物水，水化學(xué)類(lèi)型主要為SO4-Cl-Na-Mg和SO4-Cl-Na-Ca。

(4)礦化度6～10 g/L的水。礦化度6～10 g/L之間的地下水資源量為0.14 億m3，主要分布于三營(yíng)以北至同心一帶?？偯娣e0.21 萬(wàn)km2，約占全區(qū)面積的4%。水化學(xué)類(lèi)型主要為SO4-Cl-Na-Mg。

(5)礦化度大于10 g/L的水。礦化度大于10 g/L的地下水資源量為0.06 億m3，主要分布在固原北部、海原北部與同心北部等地?？偯娣e0.11 萬(wàn)km2，占全區(qū)面積的2%。水化學(xué)類(lèi)型主要為Cl-SO4-Na-Mg為主。

總的看來(lái)，寧夏地區(qū)地下水是南北兩頭好，中部差。能用的水多，不能用的水少，大于3 g/L的水分布面積僅占全區(qū)面積的21%。地下水的礦化作用方向是從小于1 g/L的重碳酸鈣鎂水，到1～3 g/L重碳酸鈉鎂、硫酸鹽與氯化物鈉鎂水，到3～10 g/L的硫酸鹽與氯化物鈉鎂水，到大于10 g/L的氯化物硫酸鹽鈉鎂水。從陽(yáng)離子成份來(lái)看，當(dāng)?shù)V化度大于1 g/L時(shí)，主要以鈉鹽和鈉鎂鹽為主。

綜上分析，1～10 g/L的苦咸水可作為水源來(lái)用，其分布約占全區(qū)總面積的64%，水資源量大。但這部分水如果直接利用，會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)一定危害，因此必須經(jīng)過(guò)處里后使用。

2 寧夏地區(qū)地下苦咸水人飲淡化技術(shù)適宜性分析

地下淡水或微咸水作為生活飲用水，即使礦化度小于1 g/L的水也應(yīng)做適當(dāng)處理，考慮到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，不同的礦化度應(yīng)采用不同的淡化方法。常見(jiàn)的苦咸水淡化方法主要有納濾法(NF)、反滲透法(RO)、和膜蒸餾(MD)。

2.1 苦咸水人飲淡化技術(shù)選擇

2.1.1 苦咸水處理機(jī)理

納濾和反滲透屬于壓力驅(qū)動(dòng)膜，其去除污染物的機(jī)理是溶解-擴(kuò)散，受原液側(cè)和滲透?jìng)?cè)的濃度和滲透壓的影響，去除的主要污染物是溶解性物質(zhì)。膜蒸餾是膜法和熱法相結(jié)合的水處理方法，只允許水蒸氣通過(guò)，主要與原液側(cè)和滲透?jìng)?cè)的蒸氣壓差有關(guān)。

2.1.1.1 納濾與反滲透

納濾膜(NF)介于反滲透(RO)和超濾(UF)之間，截留分子量大約在 200～2 000之間，膜孔孔徑約為1nm左右，分離大小約為1 nm的溶質(zhì)[8,9]。納濾膜的設(shè)計(jì)是被用來(lái)去除特定的離子種類(lèi)，對(duì)二價(jià)離子的截留率很高，而對(duì)一價(jià)離子的截留率較低，這是因?yàn)镹F膜表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，電荷效應(yīng)造成其對(duì)單價(jià)和多價(jià)離子的截留性能存在巨大差異，NF對(duì)單價(jià)離子具有相當(dāng)大的滲透性，而對(duì)二價(jià)及多價(jià)鹽離子的截留率均在90%以上[10]。反滲透對(duì)離子的去除則是任意的，對(duì)一價(jià)、二價(jià)離子截留率都很高。

對(duì)于納濾和反滲透過(guò)程，根據(jù)改進(jìn)的溶解-擴(kuò)散模型，溶劑和溶質(zhì)的通量分別為：

Jj=P(Δp-Δπ)

(1)

Jz=B(czf-czp)

(2)

式中：Jj和Jz分別為溶劑和溶質(zhì)通量；P溶劑滲透系數(shù)；Δp為驅(qū)動(dòng)壓力；Δπ為原液側(cè)和滲透?jìng)?cè)的滲透壓差；B為溶質(zhì)滲透系數(shù)；czf和czp分別為原液側(cè)和滲透?jìng)?cè)中組分Z的摩爾分?jǐn)?shù)。

2.1.1.2 膜蒸餾

膜蒸餾的傳質(zhì)過(guò)程分為原液側(cè)濃鹽水在膜表面的蒸發(fā)過(guò)程，蒸氣在分壓差的作用下透過(guò)膜孔從原液側(cè)滲透到滲透?jìng)?cè)的過(guò)程，蒸氣在滲透?jìng)?cè)的冷凝過(guò)程。因此質(zhì)量傳遞的兩個(gè)重要因素包括蒸氣分壓差和膜的滲透特性。則膜蒸餾的傳質(zhì)通量可以表示為[11,12]：

J=Bm(Pmf-Pp)

(3)

式中：Pmf-Pp為蒸氣分壓差；Pmf為原液側(cè)膜表面蒸氣壓；Pp為滲透?jìng)?cè)蒸氣壓；Bm為膜蒸餾滲透系數(shù)，它體現(xiàn)了膜的滲透特性，與膜的孔隙率、平均孔徑、膜厚度、膜孔內(nèi)的彎曲度等構(gòu)造有關(guān)。不同的膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傳質(zhì)過(guò)程也有所不同。膜孔內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程包括knudsen(怒森)擴(kuò)散、poiseuille(泊肅葉)擴(kuò)散、分子擴(kuò)散，或以上兩種機(jī)制的組合。在膜孔內(nèi)發(fā)生的是哪種機(jī)理，主要取決于膜孔內(nèi)分子的平均自由程與膜孔直徑大小有關(guān)。

2.1.2 苦咸水處理技術(shù)效果分析

2.1.2.1 納 濾

2.1.2.2 反滲透

2.1.2.3 膜蒸餾

膜蒸餾對(duì)高濃度的鹽水具有很好的淡化作用。張建芳[21]采用聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)兩種膜對(duì)高鹽苦咸水進(jìn)行減壓膜蒸餾處理，研究表明在較高濃度范圍內(nèi)，隨著濃度的增加膜的滲透通量隨之降低，隨著濃度的繼續(xù)增加，膜的滲透通量減小趨勢(shì)趨于平緩。但是餾出液的電導(dǎo)率依然很小，截留率達(dá)到99.9%以上。唐娜[22]利用PVDF中空纖維膜及PTFE微孔平板膜對(duì)反滲透濃水進(jìn)行了真空膜蒸餾處理，在相同的溫度和壓力條件下，平板膜的膜通量大于中空纖維膜的膜通量，但脫鹽率均在98%以上。陳利[23]利用真空膜蒸餾法對(duì)反滲透濃水進(jìn)行處理，結(jié)果表明隨著真空度增大、料液溫度升高、料液流速的增加，膜通量均會(huì)增加，截留率呈減少趨勢(shì)，但最大截留率可達(dá)99.99%。張覓[24]利用真空膜蒸餾對(duì)反滲透濃水進(jìn)行處理，研究表明隨著濃縮時(shí)間的增長(zhǎng)，進(jìn)料濃度增大，滲透通量開(kāi)始呈微弱的下降趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)料濃度達(dá)到定值時(shí)，滲透通量發(fā)生迅速的下降。通過(guò)檢測(cè)滲透液電導(dǎo)率，可以知道，即使在較高的進(jìn)料濃度下，真空膜蒸館依舊表現(xiàn)出了卓越的截留率，其截留率近100%。王平[25]利用多效膜蒸餾對(duì)反滲透濃水進(jìn)行處理，當(dāng)濃縮比超過(guò)2.5時(shí)，冷凝液的電導(dǎo)率有所升高，但截留率仍然可以達(dá)到 99.9%以上。劉加云[26]利用PTFE中空纖維膜對(duì)濃海水進(jìn)行真空膜蒸餾處理，研究表明隨著進(jìn)料液中鹽濃度增大后，微量離子透過(guò)膜孔進(jìn)入產(chǎn)水側(cè)，使得產(chǎn)水電導(dǎo)率增大；但相比于進(jìn)料液中的鹽濃度來(lái)說(shuō)，產(chǎn)水側(cè)鹽濃度很低，因此脫鹽率仍保持在99.5%以上。

通過(guò)分析以上文獻(xiàn)，將各處理技術(shù)對(duì)各種離子的處理效果列于表1。

表1 不同苦咸水淡化技術(shù)對(duì)各離子去除率對(duì)比表 %

2.1.3 苦咸水處理技術(shù)成本分析

作為解決農(nóng)村地區(qū)苦咸水問(wèn)題的有效手段，小規(guī)模納濾、反滲透及膜蒸餾淡化處理技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。但是目前制約這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)農(nóng)村推廣的一個(gè)原因是成本過(guò)高、能耗過(guò)大、一次性投資較大，折損過(guò)快，在滿(mǎn)足社會(huì)效益的同時(shí)不能兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

陳曉英等[27]對(duì)地表高度苦咸水雙級(jí)納濾淡化工程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明雙級(jí)納濾脫鹽率在95%以上，總硬度去除率在99%以上，噸水電耗為2.1 kWh，噸水電費(fèi)約為1.1元。王文正[14]對(duì)納濾膜技術(shù)在甘肅農(nóng)村安全飲水工程中的產(chǎn)水成本進(jìn)行了研究，噸水成本為1.32 元/t，其中包括系統(tǒng)成本0.28 元及運(yùn)行費(fèi)1.04 元。

全世界海水淡化裝置中約有 30% 是利用反滲透技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，以色列的反滲透海水淡化技術(shù)比較領(lǐng)先，利用反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水成本約為 0.53 美元/m3，我國(guó)最大的反滲透海水淡化站位于大連市長(zhǎng)?？h，日產(chǎn)淡水1 000 m3，淡水成本6 元/m3[28]。張凱[29]對(duì)農(nóng)村小規(guī)模反滲透淡化處理設(shè)備的折舊成本及運(yùn)行成本進(jìn)行了研究，結(jié)果表明設(shè)備每天運(yùn)行8 h，總成本為5.74 元/t，其中設(shè)備折舊為4.08 元/t，設(shè)備人工及運(yùn)行費(fèi)為1.66 元/t；如果設(shè)備每套運(yùn)行24 h，總成本為3.67 元/t，其中設(shè)備折舊為2.01 元/t，設(shè)備人工及運(yùn)行費(fèi)為1.66 元/t。楊景天等[30]對(duì)農(nóng)村苦咸水反滲透淡化工程進(jìn)行了研究，系統(tǒng)采用多介質(zhì)過(guò)濾、活性炭過(guò)濾進(jìn)行預(yù)處理，利用聚酰胺復(fù)合反滲透膜對(duì)生活飲用水進(jìn)行處理，工程運(yùn)行費(fèi)用為1.65 元/m3。潘春佑[31]采用多介質(zhì)過(guò)濾和保安過(guò)濾作為預(yù)處理，采用一級(jí)三段反滲透系統(tǒng)對(duì)甘肅某地下苦咸水進(jìn)行淡化，工程運(yùn)行費(fèi)用為1.6 元/m3。

通過(guò)文獻(xiàn)，將納濾和反滲透處理技術(shù)的噸水成本列于表2。

由表2及文獻(xiàn)分析可以看出，納濾和反滲透的設(shè)備成本及運(yùn)行成本影響因素很多，包括工藝流程、運(yùn)行時(shí)間、裝機(jī)容量、原水水量水質(zhì)、原水摻水量、產(chǎn)水水量水質(zhì)、膜水利用率、膜脫鹽率等因素[32]，導(dǎo)致產(chǎn)水的成本沒(méi)有可比性。對(duì)于納濾來(lái)說(shuō)，原水水質(zhì)越好，產(chǎn)水水質(zhì)要求越低，系統(tǒng)壓力越小，運(yùn)行費(fèi)用就

表2 不同苦咸水淡化技術(shù)成本對(duì)比表Tab.2 Costs comparison of different brackish water desalination technology

越??；對(duì)于反滲透除壓力因素外，原水摻水量越大，運(yùn)行成本越低?？傮w來(lái)說(shuō)納濾的運(yùn)行壓力低于反滲透，因此納濾的運(yùn)行費(fèi)較低，對(duì)于硬度較大的微咸水，應(yīng)優(yōu)先選用納濾。對(duì)于以一價(jià)離子為主的微咸水，可以選用反滲透技術(shù)并摻和一定比例原水來(lái)降低成本。目前關(guān)于膜蒸餾成本費(fèi)用方面的文獻(xiàn)非常少，一般來(lái)說(shuō)原料液溫度、流速越大，滲透?jìng)?cè)壓力越小，膜通量越大，但運(yùn)行成本也越高，對(duì)于納濾、反滲透無(wú)法處理的高鹽水，則可選用膜蒸餾。

2.2 寧夏地區(qū)地下苦咸水人飲淡化方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

經(jīng)過(guò)分析選擇出適合寧夏地區(qū)的苦咸水處理方法有納濾法、反滲透法和膜蒸餾法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

2.2.1 納 濾

對(duì)寧夏中寧市第二自來(lái)水廠(chǎng)的地下水水源(井水)進(jìn)行納濾處理，該地區(qū)位于衛(wèi)寧平原，地下水主要以硫酸鹽混合水為主，水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-SO4-Ca-Mg，礦化度小于1g/L，但作為飲用水來(lái)說(shuō)硬度偏高，因此可采用納濾技術(shù)進(jìn)行處理。

2.2.1.1 處理工藝

2.2.1.2 處理效果

對(duì)原水及納濾處理后的產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，處理前后的水質(zhì)如表3所示。

表3 中寧納濾微咸水淡化系統(tǒng)處理效果分析表 mg/L

2.2.1.3 處理成本

中寧水廠(chǎng)日處理量為1 萬(wàn)m3，可供中寧8萬(wàn)多人的人飲用水。納濾膜系統(tǒng)設(shè)備成本為1 870 萬(wàn)元，其中膜組件為500 萬(wàn)，按5 a換一次膜組件計(jì)算，設(shè)備壽命按30 a計(jì)算，則設(shè)備成本折合到噸水為0.667 元/m3。該納濾系統(tǒng)噸水能耗為2.5 kWh/m3，如果電費(fèi)按0.44 元計(jì)算，則噸水電費(fèi)為1.1 元/m3，再加上噸水加藥費(fèi)0.3 元/m3，則噸水運(yùn)行費(fèi)為1.4 元/m3。合計(jì)噸水成本為2.067 元/m3。

2.2.2 反滲透

對(duì)寧夏銀川市賀蘭縣欣榮村的地下水進(jìn)行反滲透處理，該地區(qū)位于銀川平原北部，地下水為氯化物的混合水，礦化度在1～3 g/L，由于含Cl-、Na+偏高，因此采用反滲透技術(shù)進(jìn)行處理。

2.2.2.1 處理工藝

2.2.2.2 處理效果

對(duì)原水和反滲透產(chǎn)水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，處理前后水質(zhì)如表4所示。

表4 賀蘭地區(qū)反滲透微咸水淡化系統(tǒng)處理效果分析表 mg/L

2.2.2.3 處理成本

該反滲透系統(tǒng)的處理量為5 m3/h，生產(chǎn)淡水4 m3/h，濃水1 m3/h，可供欣榮村800人的人飲用水。系統(tǒng)設(shè)備成本為12萬(wàn)元，其中膜組件為2.7萬(wàn)元。按3 a換一次膜組件，設(shè)備壽命按30 a計(jì)算，每天運(yùn)行8 h，則設(shè)備成本折合到噸水為1.113 元/m3。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟一個(gè)4 kW的高壓泵，1個(gè)1.8 kW的原水泵，2個(gè)2.2 kW的循環(huán)泵，即每小時(shí)耗電量為10.2 kWh，則生產(chǎn)1噸淡水電費(fèi)為1.12 元/m3，再加上加藥費(fèi)0.3 元/m3，1噸水的運(yùn)行成本為1.422 元/m3。合計(jì)噸水成本為2.535 元/m3。

2.2.3 膜蒸餾

由于寧夏地區(qū)礦化度大于6 g/L的苦咸水主要分布在中部干旱帶，且分布僅占全區(qū)的6%，很難取水進(jìn)行膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，因此用反滲透濃水代替高礦化度的苦咸水進(jìn)行反滲透實(shí)驗(yàn)。

2.2.3.1 處理工藝

2.2.3.2 處理效果

對(duì)反滲透濃水和減壓膜蒸餾處理后的淡水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，處理前后水質(zhì)如表5所示。

表5 賀蘭地區(qū)反滲透濃水膜蒸餾淡化系統(tǒng)處理效果分析表 mg/L

如表5可以看出，反滲透濃水也是Na- HCO3-SO4-Cl型苦咸水，是對(duì)賀蘭欣榮村地下水的進(jìn)一步濃縮。由于膜蒸餾只允許水蒸氣通過(guò)，因此出水接近蒸餾水，淡水中各種離子的含量都非常小，脫鹽率在99%左右，原水濃度對(duì)膜蒸餾的影響不大，但運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致膜孔堵塞，使得膜通量下降。

2.2.3.3 處理成本

該膜蒸餾系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量200 kg/h，可供10戶(hù)左右的人飲用水。系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱裝置、膜蒸餾組件和冷凝裝置組成，系統(tǒng)設(shè)備成本為7.2萬(wàn)元，其中膜組件為2.7萬(wàn)元。同樣按5年換一次膜組件，設(shè)備壽命按30 a計(jì)算，每天運(yùn)行8 h，則設(shè)備成本為13.36 元/m3。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟1個(gè)5.5 kW的真空泵，1個(gè)1.8 kW的循環(huán)泵，則生產(chǎn)淡水電費(fèi)為16.06 元/m3。合計(jì)噸水成本為29.42 元/m3。

對(duì)比以上3種處理方法，納濾和反滲透的成本相對(duì)較低，而膜蒸餾的成本比較高，不適用于一般苦咸水的處理，但對(duì)于寧夏偏遠(yuǎn)山區(qū)，地下高鹽苦咸水是唯一的水源時(shí)，可利用膜蒸餾作為人飲水的處理方法。

3 結(jié) 論

(2)1～3 g/L的微咸水主要以Na+和Cl-為主，可采用反滲透進(jìn)行處理，產(chǎn)水水質(zhì)好，噸水成本為2.5 元/m3左右，可用于城鄉(xiāng)人飲工程或中小型飲水機(jī)。

(4)大于6 g/L的苦咸水，在寧夏分布很少，一般不建議使用。但在偏遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有其他可用的水源時(shí)，可采用膜蒸餾法進(jìn)行處理。膜蒸餾法成本相對(duì)較高，可用于家庭戶(hù)用小型飲水機(jī)。

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