地下水硝酸鹽超標(biāo)問(wèn)題處理方案實(shí)踐探究

趙文玲 孫國(guó)臣 李建偉

(濰坊市水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濰坊 261061)

濰坊市地處山東半島中部，人均水資源占有量298m3，不到全國(guó)人均占有量的1/7，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。農(nóng)村人口眾多、地形條件復(fù)雜、水源嚴(yán)重短缺、水質(zhì)情況多樣是濰坊市農(nóng)村飲水的真實(shí)寫(xiě)照。經(jīng)過(guò)多年努力，濰坊市農(nóng)村飲水安全得到解決，供水保證率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和群眾滿(mǎn)意度持續(xù)穩(wěn)定在較高水平。但以地下水為水源的青州市、壽光市，近年來(lái)通過(guò)監(jiān)測(cè)，硝酸鹽指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，已接近放寬限值。2017年，青州市、壽光市通過(guò)申請(qǐng)省市補(bǔ)助資金項(xiàng)目，實(shí)施了深度處理工程建設(shè)，處理效果十分明顯，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。

1 硝酸鹽指標(biāo)上升的原因及危害

濰坊市現(xiàn)有農(nóng)村“千噸萬(wàn)人”規(guī)?；┧畯S50處，水源以本地地表水和地下水為主，黃河水、長(zhǎng)江水等客水水源為輔。受水源限制，北部的青州市和壽光市均以地下水源為主，2017年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，青州市有10處農(nóng)村供水水源，均為地下水；壽光市有6處農(nóng)村供水水源，5處為地下水源。地下水源井四周多農(nóng)田，尤其是青州市和壽光市大棚種植面積擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)施肥、生活污水等含氮有機(jī)物通過(guò)農(nóng)田灌溉或雨水沖刷，下滲到地下，污染地下水，導(dǎo)致硝酸鹽濃度升高；畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，使禽獸養(yǎng)殖的糞便堆積后，經(jīng)雨水沖涮，污染地下水源；村鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)的含氮廢水未經(jīng)處理排出，對(duì)水源造成污染。2016—2017年濰坊市農(nóng)村供水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，地下水源中硝酸鹽指標(biāo)呈日趨增長(zhǎng)趨勢(shì)。

硝酸鹽污染危害分為對(duì)人體的危害和對(duì)動(dòng)物的危害[1]，降低水廠硝酸鹽指標(biāo)減少硝酸鹽污染是保障群眾飲水安全的重要措施。

2 典型水廠情況分析

濰坊市選取青州市龍泉水廠和壽光市東城水廠兩處典型水廠，增設(shè)硝酸鹽深度處理設(shè)施，探索研究消除地下水中硝酸鹽超標(biāo)問(wèn)題。

2.1 典型水廠現(xiàn)狀

a.水廠水源單一，供水范圍廣、任務(wù)重。青州市龍泉水廠水源為地下水，有深水井9眼，水處理能力為1萬(wàn)m3/d，水廠承擔(dān)著經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)30個(gè)村和徐七社區(qū)等4個(gè)社區(qū)3.81萬(wàn)人以及東夏鎮(zhèn)72個(gè)村4.88萬(wàn)人的供水任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)開(kāi)發(fā)區(qū)50家企業(yè)的供水任務(wù)。壽光市東城水廠設(shè)計(jì)日供水能力為3萬(wàn)m3，主要承擔(dān)羊口鎮(zhèn)、營(yíng)里鎮(zhèn)道口片區(qū)、侯鎮(zhèn)、洛城街道等鎮(zhèn)街、村共15.94萬(wàn)人的供水任務(wù)，是農(nóng)村飲水安全的重要組成部分。

b.水處理工藝簡(jiǎn)單，水質(zhì)難以保證。兩處水廠原水處理工藝簡(jiǎn)單，供水采取水源井抽水，經(jīng)過(guò)消毒后直接給用戶(hù)直供的方式，出廠水未經(jīng)過(guò)水處理設(shè)備處理，可能存在水源水水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象，出廠水難以保證水質(zhì)安全。

c.硝酸鹽超標(biāo)明顯，影響飲水安全。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2017年青州市龍泉水廠出廠水中硝酸鹽濃度曾達(dá)到21.43mg/L，壽光市東城水廠個(gè)別取水井硝酸鹽濃度達(dá)到23.00mg/L，超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)放寬限值，影響供水范圍內(nèi)飲水安全。

2.2 新增處理設(shè)施可行性分析

2.2.1 水源滿(mǎn)足要求

青州市龍泉水廠水質(zhì)凈化工程提升被列入“十三五”規(guī)劃，項(xiàng)目被列入省級(jí)地方資金項(xiàng)目庫(kù)，2017年已完成龍泉水廠水質(zhì)凈化工程建設(shè)。目前已實(shí)現(xiàn)與億邦供水中心聯(lián)網(wǎng)，龍泉供水中心將作為青州市中部較大規(guī)模的集中供水中心進(jìn)行規(guī)?；┧?，日供水量可達(dá)到3萬(wàn)m3以上。

壽光市東城水廠改造前設(shè)計(jì)供水能力為3萬(wàn)m3/d，改造前水源情況能滿(mǎn)足要求,擬定改造后水處理能力為2.3萬(wàn)m3/d。

2.2.2 凈水技術(shù)可行

兩處水廠新增處理設(shè)施均采用旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝，該種水處理工藝出水穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)水率高，對(duì)硝酸鹽和硬度處理效果理想，已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，且農(nóng)村飲水項(xiàng)目已實(shí)施多年，集中供水工程的輸水、供水技術(shù)成熟可靠。

2.2.3 資金來(lái)源有保障

青州市龍泉水廠項(xiàng)目投資2262.97萬(wàn)元，壽光市東城水廠項(xiàng)目投資2406.48萬(wàn)元，分別由省級(jí)財(cái)政、市級(jí)財(cái)政、縣級(jí)資金及公司自籌資金組成。

2.2.4 建后管理規(guī)范

工程建成后歸青州市龍泉水務(wù)有限公司和壽光市自來(lái)水有限責(zé)任公司所有及管理。

3 凈水工藝設(shè)計(jì)

3.1 膜分離技術(shù)原理

膜分離技術(shù)原理是使用天然或者人工合成的高分子膜，在外界推動(dòng)力(壓力差、電勢(shì)差、濃度差、化學(xué)位差)的作用下，依靠膜的選擇透過(guò)性特點(diǎn)，小分子物質(zhì)能夠自由通過(guò)半透膜，對(duì)于大分子物質(zhì)，選擇性膜不對(duì)其有透過(guò)性而被截留下來(lái)，從而完成對(duì)多組分中的物質(zhì)進(jìn)行分離、提純、濃縮[2]。

根據(jù)膜的不同構(gòu)造及功能作用，將膜技術(shù)分為微濾、超濾、納濾和反滲透等[3]，可應(yīng)用在飲用水、工業(yè)污水的處理及海水淡化中，在進(jìn)行飲用水處理過(guò)程中需要多個(gè)不同功能的薄膜形成一組集成膜，確保分離出的水質(zhì)質(zhì)量[4]。

3.2 凈水工藝比選

以青州市龍泉水廠為例，預(yù)處理選取傳統(tǒng)快濾工藝、中空纖維膜超濾工藝、旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾工藝進(jìn)行比選，通過(guò)對(duì)藥劑費(fèi)、反沖洗費(fèi)、濾材更換費(fèi)等進(jìn)行綜合測(cè)算可知，相比于傳統(tǒng)快濾工藝，旋轉(zhuǎn)式超濾工藝運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約127.8萬(wàn)元/年；相比于中空纖維膜超濾工藝，費(fèi)用可節(jié)約86.9萬(wàn)元/年。

深度處理工藝選取低壓納濾和反滲透過(guò)濾工藝進(jìn)行比選，通過(guò)對(duì)噸水濾膜更換費(fèi)、噸水藥劑費(fèi)、噸水水電費(fèi)等進(jìn)行綜合測(cè)算可知，相比于低壓納濾工藝，反滲透工藝運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約107.3萬(wàn)元/年。同時(shí)采用反滲透工藝，因出水水質(zhì)極優(yōu)，可將部分原水與超濾產(chǎn)水合理勾兌，其出水水質(zhì)仍可以達(dá)標(biāo)，進(jìn)而降低一次性投資和制水成本。

若凈水工藝采用旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝，井水可直接進(jìn)入超濾系統(tǒng)，無(wú)須設(shè)置任何過(guò)濾設(shè)備或保安過(guò)濾器；超濾設(shè)備通過(guò)膜組件的液下旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高效錯(cuò)流操作，消除濃差極化，實(shí)現(xiàn)膜表面自我清潔，防止顆粒物質(zhì)造成膜堵塞；綠色環(huán)保，無(wú)須使用絮凝劑等化學(xué)藥劑，制水過(guò)程無(wú)污泥排放。

經(jīng)綜合比選，兩處水廠采用旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 雙膜法工藝設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)原理

超濾膜可以有效去除水中的膠體、蛋白質(zhì)、微生物等大分子物質(zhì)，反滲透膜對(duì)于一價(jià)離子，如鈉離子、鉀離子、氯離子等有很高的截留率[3]，硝酸鹽作為一價(jià)的硝酸根離子，通過(guò)反滲透膜截留直接濾除，去除率達(dá)95%。并且通過(guò)超濾膜系統(tǒng)去除水中的懸浮物和膠體物質(zhì)，可以保護(hù)后面的反滲透膜，獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾設(shè)備，可以防止顆粒物質(zhì)造成的膜堵塞，為反滲透提供濁度小于0.1NTU的“超濾水”。反滲透膜系統(tǒng)不僅可以去除硝酸鹽，還可以有效地降低水硬度。

3.3.2 主要參數(shù)

超濾膜系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾膜，使用一體化不銹鋼膜箱，膜組件加載0.04μm進(jìn)口平板式PES材質(zhì)超濾膜片，支撐板材質(zhì)為聚丙烯(PP)，膜組件主體為304不銹鋼材質(zhì)，膜通量為60～70L/(m2·h)，出水量為432～504m3/h。

3.3.3 工藝流程

以青州市龍泉水廠為例，井群提水管網(wǎng)出水直接進(jìn)入超濾膜系統(tǒng)，利用超濾膜的篩濾、截留作用去除水中懸浮物、膠體類(lèi)物質(zhì)和細(xì)菌等，從而極大地延長(zhǎng)后續(xù)反滲透膜的使用壽命；超濾膜系統(tǒng)出水進(jìn)入中間水池，經(jīng)泵提升至反滲透膜系統(tǒng)，反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)水8200m3/d，與原水5800m3/d混合進(jìn)入清水池，清水池池水經(jīng)加氯消毒后由變頻供水機(jī)組提升，最終送入供水管網(wǎng)供給用戶(hù)(見(jiàn)圖1)。

圖1 青州市龍泉水廠水處理流程

3.3.4 廢水處理與排放

以青州市龍泉水廠為例，超濾和反滲透濃水混合后排放，新建濃水池和長(zhǎng)度約2km的DN150排放管道，預(yù)計(jì)總排放量為1550m3/d(指標(biāo)值見(jiàn)表1)，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)表4中其他排污單位的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)環(huán)保部門(mén)允準(zhǔn)后，工藝廢水排入污水處理廠經(jīng)統(tǒng)一處理后再利用。

表1 廢水排放情況與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

4 實(shí)際效果及效益分析

4.1 出廠水水質(zhì)分析

工程試運(yùn)行階段，建設(shè)單位委托第三方公司對(duì)出廠水進(jìn)行檢測(cè)，青州市龍泉水廠出廠水硝酸鹽檢測(cè)值為5.760mg/L，壽光市東城水廠出廠水硝酸鹽檢測(cè)值為4.053mg/L，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)要求。

自2018年11月處理設(shè)施運(yùn)行以來(lái)，青州市龍泉水廠為降低生產(chǎn)成本，采取隔天開(kāi)機(jī)組的方式，反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)水與深井原水勾兌比例為2∶3，硝酸鹽月檢測(cè)范圍在8.460～15.700mg/L之間；壽光市東城水廠為降低生產(chǎn)成本，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照供水量在2.3萬(wàn)m3以下的開(kāi)2套機(jī)組，在2.3萬(wàn)m3以上的開(kāi)3套機(jī)組的方式，反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)水與深井原水勾兌比例為4∶1，硝酸鹽檢測(cè)范圍在4.030～16.200mg/L之間，檢測(cè)值均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中地下水源限制要求。同時(shí)雙膜法有效地降低了出廠水的總硬度，青州市龍泉水廠總硬度檢測(cè)范圍在320～400mg/L之間，壽光市東城水廠總硬度檢測(cè)范圍在240～388mg/L之間，檢測(cè)值均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。

4.2 產(chǎn)生的相關(guān)效益分析

增設(shè)硝酸鹽深度處理設(shè)施后，兩處水廠出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，供水水質(zhì)明顯改善，供水保證率和群眾滿(mǎn)意度明顯提高，促進(jìn)了供水區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，社會(huì)效益較好。

a.保障供水水質(zhì)。通過(guò)工藝改造，兩處水廠供水水質(zhì)明顯改善，水質(zhì)均滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求，為農(nóng)村居民提供了安全放心的飲用水，居民與飲用水相關(guān)的各類(lèi)疾病(如胃腸道)明顯減少，村民的健康程度大大提高。

b.滿(mǎn)足供水需求。工藝改造后，兩處水廠保障了周邊村莊飲用水安全及企業(yè)的生產(chǎn)生活用水需求，建立了良好的供水秩序，轄區(qū)內(nèi)供水保證率達(dá)到95%以上。

c.維護(hù)社會(huì)安定。隨著飲用水質(zhì)量的提高和用水條件的改善，村民的生活環(huán)境和日常衛(wèi)生習(xí)慣也得到較大改變，村民可以節(jié)省大量時(shí)間用于發(fā)展經(jīng)濟(jì)和參與各項(xiàng)文化娛樂(lè)活動(dòng)，提高了群眾的滿(mǎn)意度和幸福感。同時(shí)有效地解決了由農(nóng)村水資源分配不當(dāng)而引發(fā)的各類(lèi)問(wèn)題，有利于村與村之間及村民之間的和諧相處，增強(qiáng)了村民的安全感和穩(wěn)定感，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村居民安居樂(lè)業(yè)，維護(hù)了社會(huì)安定。

5 結(jié) 語(yǔ)

總體來(lái)講，兩處水廠增設(shè)硝酸鹽深度處理設(shè)施，采用井水—超濾—中間水池—反滲透—清水池—用戶(hù)水處理工藝可以有效地解決硝酸鹽及總硬度偏高的問(wèn)題，解決成本高、處理效果不好的難題，改善了供水水質(zhì)，提高了供水保證率，保障了水廠出廠水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，對(duì)同類(lèi)型以地下水為水源，且硝酸鹽濃度較高的水廠改進(jìn)水處理工藝有較好的參考價(jià)值。