反滲透除氟除氨氮技術(shù)在飲用水中的應(yīng)用

段作山，王向舉，馬小蕾，雷克剛，蔡之峰

(1.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000；2.石嘴山市潤澤供排水有限公司，寧夏石嘴山 753099)

氟是人體必不可少的微量元素之一，適量的氟可以使牙齒堅(jiān)固，降低齲齒的發(fā)病率，人體所需的氟主要來源于飲用水。飲用水適宜的氟濃度為0.5～1.0 mg/L，氟濃度高于1.0 mg/L則為氟超標(biāo)，即為高氟水。長期飲用高氟水，則會(huì)引起氟斑牙、骨質(zhì)松脆、關(guān)節(jié)僵硬甚至癱瘓[1]。當(dāng)飲用水中氨氮濃度過高時(shí)，水中的氨氮易被硝化細(xì)菌利用生成亞硝酸鹽。而含較高濃度亞硝酸鹽的自來水被人體飲用后，將對人體健康產(chǎn)生極大的危害，尤其是嬰兒很容易患上高鐵血紅蛋白癥[2]，也易產(chǎn)生令人不快的嗅和味。同時(shí)，出廠水中的氨氮給供水管網(wǎng)中的自養(yǎng)菌提供條件，造成管道腐蝕和水質(zhì)惡化。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，人們對自身健康尤為關(guān)注，氟污染和氟中毒問題引起人們的高度重視。

寧夏B市A水廠供水范圍為B市老城區(qū)。設(shè)計(jì)供水規(guī)模為7.0萬m3/d，日均供水量為4.5萬m3/d，水源為地下水。根據(jù)水資源論證報(bào)告，開采水取自第II含水層巖組，取水井采用管井形式。由于水源所在地為地震活躍地帶，地質(zhì)條件較差，地質(zhì)構(gòu)造的變化影響了氟化物的形態(tài)轉(zhuǎn)化，隨著地下水量的不斷開采，溶解性的氟化物逐漸增多，使出水氟化物含量超標(biāo)。此外，水源地距人工湖較近，受農(nóng)業(yè)種植和水體污染的影響，水源地出水中的氨氮含量也出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。A水廠出水僅經(jīng)二氧化氯消毒，再無其他處理工藝。無替代水源，因此急需增設(shè)除氟除氨氮的工藝。

1 工程概況

A水廠的水源地一期工程于1998年開工建設(shè)，規(guī)模為4.0萬m3/d；二期工程于2010年開工建設(shè)，規(guī)模為3.0萬m3/d。水源井均采用管井型式。水廠與水源地同期建設(shè)，一期工程供水規(guī)模為4.0萬m3/d，二期工程擴(kuò)建規(guī)模為3.0萬m3/d，總供水規(guī)模達(dá)到7.0萬m3/d。

A水廠現(xiàn)有的建構(gòu)筑物包括：清水池3座、吸水井1座、送水泵房及配電室1座、加氯間1座、綜合樓1座。處理工藝為：水源地進(jìn)水→清水池(二氧化氯消毒)→吸水井→送水泵房→城區(qū)供水管網(wǎng)。

2014年—2015年的B市水質(zhì)監(jiān)測站檢測報(bào)告顯示，A水廠出水氟化物濃度為0.78～1.27 mg/L，出水氨氮濃度為0.20～0.66 mg/L，超出了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的指標(biāo)要求(氟化物≤1.0 mg/L，氨氮≤0.5 mg/L)，其他指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 工藝改造方案

2.1 飲用水除氟技術(shù)

目前，國內(nèi)飲用水除氟的主要方法有：吸附法、混凝沉淀法、電凝聚法、膜分離法等。各種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用性、投資及成本比較如表1所示。

表1 飲用水除氟方法比較Tab.1 Comparison of Fluoride Removal Methods for Drinking Water

2.2 飲用水除氨氮技術(shù)

目前，國內(nèi)去除微污染飲用水水源中氨氮的技術(shù)方法有：折點(diǎn)加氯法、吸附法、生物處理法和膜分離法。各種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用性、投資及成本比較如表2所示。

表2 飲用水除氨氮方法比較Tab.2 Comparison of Ammonia Nitrogen Removal Methods for Drinking Water

2.3 改造方案確定

根據(jù)工藝改造方案中飲用水除氟除氨氮技術(shù)的論述，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，綜合考慮原材料采購的便利性、運(yùn)行管理的自控程度、人員工作環(huán)境、后續(xù)供水安全的可靠性等因素，本工程除氟除氨氮的改造方案采用反滲透法。反滲透預(yù)處理單元包括濾池、過濾器及超濾膜?？紤]到本工程可用于改造的占地面積小，且工程投資預(yù)算有限，采用多介質(zhì)過濾器。多介質(zhì)過濾器具有夏季藻類暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小、冬季有利于保持水溫、過濾器與反滲透之間無需中間水池、避免二次污染、出水SDI<3且穩(wěn)定，滿足反滲透進(jìn)水指標(biāo)要求等優(yōu)點(diǎn)。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水、出水水質(zhì)

根據(jù)A水廠不同月份水質(zhì)超標(biāo)的情況，提標(biāo)改造設(shè)計(jì)進(jìn)水、出水水質(zhì)如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)進(jìn)水、出水水質(zhì)Tab.3 Inflow and Outflow Water Quality in Design

3.2 規(guī)模確定

考慮到建設(shè)投資及運(yùn)行成本的問題，同時(shí)為了達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的目的，本工程采用反滲透膜處理+原水勾兌的處理方案，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。根據(jù)反滲透膜產(chǎn)品的相關(guān)資料，反滲透設(shè)備對氨氮的去除率可達(dá)85%以上，對氟化物的去除率可達(dá)97%以上，系統(tǒng)回收率為70%以上。

綜合考慮投資、運(yùn)行成本及操作難易程度等因素，經(jīng)計(jì)算，確定工程規(guī)模如下：近期預(yù)處理單元處理規(guī)模為1.35×104m3/d，反滲透設(shè)備除鹽率為97%以上，回收率為75%，產(chǎn)水量為1.0×104m3/d，與剩余原水3.5×104m3/d混合后，達(dá)到總供水規(guī)模為4.5×104m3/d，原水與膜處理出水的勾兌比例為3.5∶1；遠(yuǎn)期預(yù)處理單元處理規(guī)模為2.0×104m3/d，反滲透設(shè)備除鹽率為97%以上，回收率為75%，產(chǎn)水量為1.5×104m3/d，與剩余原水5.0×104m3/d混合后，達(dá)到總供水規(guī)模為6.5×104m3/d，原水與膜處理出水的勾兌比例為10∶3。

3.3 工藝流程

提標(biāo)改造工藝流程如圖1所示。

圖1 A水廠提標(biāo)改造流程框圖Fig.1 Flow Block Diagram of Upgrading and Reconstruction for Plant A

3.4 構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

A水廠水質(zhì)提標(biāo)改造工程新增的建構(gòu)筑物包括：原水池、凈水間、反洗水池。

3.4.1 原水池

原水池作為多介質(zhì)過濾器的進(jìn)水池，儲(chǔ)存系統(tǒng)1 h的用水量，按遠(yuǎn)期規(guī)模建設(shè)。新建半地下式鋼砼水池1座，結(jié)構(gòu)尺寸為10.9 m×15.7 m×6.0 m，有效水深為5.0 m，有效容積為750 m3。

3.4.2 凈水間

凈水間為綜合處理車間，包括多介質(zhì)過濾器、反滲透裝置、水泵間、加藥間、配電控制室、水質(zhì)分析室。新建框架建筑1座，總建筑面積為1 015.36 m2。設(shè)備間軸線尺寸為30.0 m×22.8 m，層高為8.4 m。水泵間軸線尺寸為17.4 m×6.6 m，地上部分層高為4.5 m，地下部分深為3.20 m。加藥間軸線尺寸為12.0 m×6.0 m，層高為4.5 m。配電室及控制室軸線尺寸為18.0 m×6.0 m，層高為4.5 m。

①多介質(zhì)過濾器

多介質(zhì)過濾器為反滲透進(jìn)水的預(yù)處理設(shè)施。設(shè)計(jì)濾速為8.9 m/h，強(qiáng)制濾速為10.2 m/h，直徑為3.4 m。近期安裝8臺(tái)，預(yù)留4臺(tái)位置。濾料為石英砂和無煙煤，濾料高度為1.2 m。采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，反洗周期為24～48 h，當(dāng)出水渾濁度>2.0 NTU時(shí)，自動(dòng)反沖洗；當(dāng)進(jìn)水渾濁度>3 NTU時(shí)，在進(jìn)水總管上投加絮凝劑PAC，設(shè)計(jì)投加量為5.0 mg/L。

②反滲透裝置

反滲透裝置采用2段式。設(shè)計(jì)水溫≥10 ℃。采用東麗TM7低壓反滲透膜元件，運(yùn)行通量為22～25 L/(m2·h)。運(yùn)行壓力為1.55 MPa。根據(jù)進(jìn)水冬夏季水溫不同，可適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行壓力。

近期安裝4套，預(yù)留2套位置。單套含24支膜殼，每支膜殼有6支膜元件，共144支膜元件，1段和2段的膜元件比例為2∶1，單個(gè)膜元件有效膜面積為37 m2。配套4套保安過濾器，過濾精度為5 μm。

進(jìn)水SDI<5；系統(tǒng)回收率≥75%；系統(tǒng)脫鹽率≥95%；出水氟離子含量≤0.03 mg/L；出水氨氮含量≤0.08 mg/L。

③加藥間

加藥間內(nèi)安裝非氧化殺菌劑投加裝置、鹽酸投加裝置、阻垢劑投加裝置、次氯酸鈉投加系統(tǒng)、絮凝劑投加裝置、反滲透清洗裝置各1套。

非氧化殺菌劑設(shè)計(jì)投加量為4 mg/L，鹽酸設(shè)計(jì)投加量為450 mg/L，阻垢劑設(shè)計(jì)投加量為3 mg/L，次氯酸鈉設(shè)計(jì)投加量為5 mg/L。藥劑投加量最終由調(diào)試確定，清洗周期根據(jù)膜污染情況確定。

④泵房

多介質(zhì)過濾器給水泵5臺(tái)，4用1備，單泵參數(shù)為Q=150 m3/h，H=30.0 m，N=45 kW；

多介質(zhì)過濾器反沖洗水泵2臺(tái)，1用1備，單泵參數(shù)為Q=400 m3/h，H=20.0 m，N=30 kW；

濾池反沖洗用羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)風(fēng)機(jī)參數(shù)為Q=9.95 m3/min，P=58.8 kPa，N=15 kW。

3.4.3 反洗水池

反洗水池接納反滲透設(shè)備的濃水，部分用于多介質(zhì)過濾器的反沖洗水，其余部分用泵提升排至第一中水廠超越管。儲(chǔ)存系統(tǒng)2 h的系統(tǒng)用水量，供多介質(zhì)過濾器反沖洗水泵吸水池用。按遠(yuǎn)期規(guī)模建設(shè)，新建地下式鋼砼水池1座，結(jié)構(gòu)尺寸為18.7 m×6.7 m×4.5 m，有效水深為3.8 m，有效容積為400 m3。安裝潛污泵2臺(tái)，1用1備，泵參數(shù)為Q=150 m3/h，H=10 m，N=5.5 kW。

4 成本分析

A水廠提標(biāo)改造工程的運(yùn)行需消耗電能及藥劑。運(yùn)行成本分析按照4.0萬m3/d規(guī)模計(jì)算，運(yùn)行成本如表4所示。

表4 運(yùn)行成本 Tab.4 Running Cost

5 運(yùn)行效果

寧夏B市A水廠水質(zhì)提標(biāo)改造工程于2017年年底建設(shè)完成，截至目前已運(yùn)行近3年。因冬夏季地下水源井進(jìn)水溫度變化不大，均在13～16 ℃，膜系統(tǒng)運(yùn)行壓力不調(diào)整?？紤]到進(jìn)水水質(zhì)偏堿性，為滿足反滲透進(jìn)水要求，需投加鹽酸進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，調(diào)整至進(jìn)水pH值為6.95左右。經(jīng)反滲透除氟除氨氮后，出廠水氟化物濃度在0.91 mg/L左右，氨氮濃度在0.35 mg/L左右，出廠水渾濁度在0.5 NTU以下，滿足現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，反滲透系統(tǒng)運(yùn)行良好。

6 膜污染及化學(xué)清洗

通過對反滲透膜SDI測試膜片上的殘留物進(jìn)行鑒別，殘留物為晶狀體外形殘留物，無氣味，為無機(jī)膠體和鈣垢的顯著特征。因此，本項(xiàng)目運(yùn)行造成的膜污染類型主要為無機(jī)鹽垢。當(dāng)跨膜壓差增加到初始值的1.5倍或產(chǎn)水量降低10%時(shí)，均自動(dòng)進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗藥劑采用檸檬酸和氫氧化鈉，清洗液水溫需保持在30～35 ℃。

化學(xué)清洗的程序?yàn)椋?1)采用反滲透膜產(chǎn)水大流量對膜元件進(jìn)行沖洗，沖洗時(shí)間為0.5～1.0 h；(2)配置2.0%檸檬酸溶液，清洗水箱容積為10 m3，投加200 kg檸檬酸藥品，對溶液進(jìn)行攪拌使檸檬酸迅速充分溶解，隨后投加氫氧化鈉，使溶液pH值為3.5左右；(3)將清洗液進(jìn)行低壓循環(huán)，壓力約0.1 MPa，排放最初10%～15%的清洗液，直至完成清洗；(4)排放所有清洗液，將清洗水箱完全排空，使用反滲透產(chǎn)水，徹底清除所有殘留的清洗液。運(yùn)行表明，清洗周期為3個(gè)月左右。

7 結(jié)論

(1)A水廠提標(biāo)改造工程采用的反滲透除氟除氨氮技術(shù)可以滿足現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行成本僅增加0.313 5元/(t水)。

(2)反滲透膜污染類型主要為無機(jī)鹽垢，采用檸檬酸及氫氧化鈉清洗液清洗后，膜污染基本消除。

(3)本工程為國內(nèi)首次較大規(guī)模采用反滲透除氟除氨氮的供水廠，對于以地下水為水源，且氟化物、氨氮等特征因子超標(biāo)的原有水廠提標(biāo)改擴(kuò)建、新建水廠除氟除氨氮具有推廣及示范意義。