膜法水处理技术在农村饮水安全中的应用研究

2014-04-28姚志春

水利建设与管理 2014年5期

姚志春

(兰州商学院，兰州 730020)

膜技术是一门新兴的分离技术，在水处理领域已经得到了非常广泛的应用，水处理中常用的膜技术包括微滤、超滤、反渗透和纳滤。通常可针对不同的原水水质，选用不同的膜技术用于水净化、脱盐、去除水中的有害物质等［1-4］。农村供水工程具有水源水质差、供水量小、用户分散、技术经济管理水平不高等特征，将膜技术应用于农村饮用水处理，具有以下优点:ⓐ出水水质好，可使群众喝上优质安全的饮用水;ⓑ供水规模灵活，几乎可以适用于任何供水规模的净化处理，并且后期的改扩建也很容易，较适用于农村分散型饮用水处理;ⓒ膜装置的标准化、模块化与相对集约化，使水厂的施工周期缩短，减少占地面积;ⓓ对进水水量和水质的适应性强，极大地增强了出水水质的可靠性;ⓔ主体设备可灵活转移，对洪涝、干旱、人为污染等水质突发事件有较好的应急能力;ⓕ工艺简单，运行方便，自动化程度高，符合农村的实际技术管理水平［5-10］。但是，膜技术在农村饮水处理中也存在一些问题，笔者认为有必要对其进行深入的分析和研究。

1 农村饮用水净化膜处理工艺介绍

水资源紧缺一直是我国面临的主要问题，尤其是西北地区，水资源极为匮乏。甘肃地处西北内陆腹地，多年平均降水量280.6mm，人均水资源量只有1099m3，不到全国平均水平的1/2。截至2010年底，全省饮水不安全人口985.66万。其中，水质不达标占36%;水量不达标占24%;饮水方便程度不达标占21%;水源保证率不达标占19%。水质不达标人口中，氟超标71.25万人，砷超标2.73万人，苦咸水126.95万人，汞镉铬铅超标3万人，污染水等其他水质问题121.99万人，仅细菌学指标超标32.66万人［1-4］。针对甘肃苦咸水、高氟水、浅层地下水水源的污染问题，膜法水处理技术是解决饮水安全问题的有效途径。在农村饮用水处理中常见的膜法水处理工艺有以下几种。

1.1 高浓度苦咸水淡化工艺

1.1.1 设计工艺

预处理+反渗透脱盐工艺。

1.1.2 工艺说明

“预处理+反渗透脱盐”工艺是我国苦咸水淡化最常用的工艺，一般采用一级二段的布置形式，系统运行压力高。在该工艺中，原水经预处理后进入反渗透装置进行脱盐，反渗透膜的脱盐率大于97%，可脱除水中绝大部分的盐分及大分子有机物;反渗透装置出水的总溶解性固体不大于150mg/L，水利用率为70%左右。出水水质均可达到或优于生活饮用水的指标限值。当原水TDS含量在3000～5000mg/L时，可采用这种工艺。由于浓水的 TDS含量可达到12000～20000mg/L，第二段的膜组件容易出现结垢问题。膜进水中必须添加阻垢剂防止膜结垢。

1.2 一般苦咸水淡化工艺

预处理+反渗透脱盐+部分原水掺和工艺。

1.2.2 工艺说明

“预处理+反渗透脱盐+部分原水掺和”工艺在苦咸水淡化制备生活饮用水时经常采用，一般采用一级二段的布置形式，系统运行压力较高。在该工艺中，将反渗透装置的出水与部分原水进行掺和，保证系统出水的总溶解性固体不大于750mg/L，系统水利用率为78%左右。出水水质均可达到或优于生活饮用水的指标限值。当原水TDS含量在2000mg/L以下时，可采用这种工艺。由于浓水的TDS含量可达到8000mg/L，第二段的膜组件可能会出现结垢问题。膜进水中必须添加一点量的阻垢剂以防止膜结垢。

1.3 苦咸水纳滤软化工艺

1.3.1 设计工艺

预处理+纳滤软化工艺。

1.3.2 工艺说明

“预处理+纳滤软化”工艺在苦咸水淡化制备生活饮用水时经常采用，一般采用一级二段的布置形式，系统运行压力较低。原水经预处理后进入纳滤装置进行脱盐，纳滤膜的脱盐率约为80%，可脱除水中绝大部分的二价离子及大分子有机物;纳滤装置出水的总溶解性固体不大于500mg/L，水利用率为75%左右。出水水质均可达到或优于生活饮用水的指标限值。当原水TDS含量在2000～3000mg/L以下时，可采用这种工艺。由于浓水的 TDS含量可达到8000～12000mg/L，第二段的膜组件可能会出现结垢问题。膜进水中必须添加一定量的阻垢剂防止膜结垢。

1.4 苦咸水纳滤软化+部分原水掺和工艺

1.4.1 设计工艺

在精细复杂的工艺流程中，她首先依照设计草图用金丝勾勒出形象轮廓，以特制粘胶固定，划分出无数个小格，作为珐琅颜料的填色依据。完成上色之后，将珐琅放入烘炉中，在超过800℃的高温中反复烘烤，随后将表面打磨压平，涂上一层透明珐琅，闪现淡淡的微光。仅在表盘的方寸之间，Anita Porchet依旧能够演绎出丰富的光影效果，展现最细微的色泽差异与极其逼真的毛发质感。

预处理+纳滤软化+部分原水掺和工艺。

1.4.2 工艺说明

“预处理+纳滤软化+部分原水掺和”工艺在苦咸水淡化制备生活饮用水时经常采用，一般采用一级二段的布置形式，系统运行压力较低。当原水TDS含量在1500mg/L以下时，可采用将纳滤装置的出水与部分原水进行掺和这种工艺。保证系统出水的总溶解性固体不大于900mg/L，系统水利用率为78%左右。出水水质均可达到或优于生活饮用水的指标限值。由于浓水的TDS含量为6000mg/L左右，第二段的膜组件一般不会出现结垢问题。膜进水中不需要添加阻垢剂。

2 膜处理系统工艺参数比较

下表所列为甘肃农村饮水处理中的8套反渗透或纳滤膜苦咸水淡化系统的工艺参数，其中包括设计规模、水源类型、原水量、膜产水量、膜水利用率、系统水利用率、膜产水水质、系统出水水质、膜脱盐率、系统脱盐率、装机容量、膜组件数量和运行成本等参数。在这8套苦咸水淡化系统中，水源有地下水和地表水，有多种工艺流程，产水量有大有小，进水TDS有高有低，出水要求基本一致。经对这8套反渗透或纳滤膜水处理装置各参数的分析比较，表明采用以反渗透膜或纳滤膜为主的水处理系统，对农村井水、河水进行净化处理，具有很好的深度处理功能，能够满足分散型农村供水技术的需求。它对于饮用水源的感官性状和一般化学指标、微生物指标、有机物指标，均具有较好的处理效果。特别是对于硬度、氟去除效果很好。对照国家生活饮用水指标，8套反渗透膜或纳滤膜水处理装置处理出水水质，均可达到或优于生活饮用水的指标限值。采用膜技术进行苦咸水淡化，实现苦咸水资源化，解决农村饮水安全问题技术可行，经济合理。

工艺参数比较表

3 膜技术在农村饮水处理过程中存在的问题

将膜技术应用于农村饮用水处理，虽具有出水水质好、供水规模灵活、工艺简单、运行方便等优点，但是在膜技术的应用过程中，也存在一些问题。

a.预处理问题。反渗透或纳滤系统由反渗透膜(RO)或纳滤膜(NF)、高压泵及为保护膜而设置的保安过滤器组成。保安过滤器内装有过滤孔径为5μm的滤芯。这些滤芯会过滤掉尺寸大于5μm的颗粒。对工艺下游的RO膜或纳滤膜起到保护作用，否则膜表面极易结垢。目前较常用的渗透膜类别为聚酰胺膜，膜型式为卷式复合膜，该种型式膜的除盐率可达99.5%。由于RO膜易受水中pH值、余氯及水温的影响，故RO膜运行前对进水水质有严格要求:pH值:3～10;余氯含量小于0.1mg/L;SDI15值小于5.0;水温小于45℃。以上任一指标超出范围，均有可能使渗透膜产生变化，从而影响出水水质和缩短膜的使用寿命。并且膜的种类不同对进水水质要求也有所不同。反渗透或纳滤膜苦咸水淡化工程，必须针对具体的水源和水质进行系统设计，设计时要特别注意水处理系统的预处理工艺，一定要根据原水水质的不同进行预处理，以满足反渗透膜或纳滤膜对进水水质的要求，延长膜的使用寿命，保证系统的正常使用。

b.膜的选择问题。反渗透或纳滤膜苦咸水淡化工程设计时应该重点考虑节能降耗，降低系统运行费用。纳滤(NF)是一种低压反渗透。纳滤膜介于RO与UF膜之间，截留分子量为100～1000，在较低的压力下具有较高的脱盐性能。对特定溶质如Ca、Mg、Na、SO2、NH3、NO2、NO3、F 等具有更好的脱盐效果。同时，纳滤膜在饮用水领域主要脱除三卤甲烷中间体(加氯消毒时的副产物为致癌物质)、低分子有机物、农药、合成洗涤剂、砷等有害物质，加之出水效率高、能耗低、浓缩水排放较反渗透少，反渗透系统在苦咸水淡化中最突出的浓缩水排放及制水成本较高问题将会随着纳滤膜(NF)的应用而解决，纳滤将是制取优质饮用水的有效途径［9-12］。如果出水能达到设计要求指标，首先应该考虑选用纳滤膜。纳滤膜的运行压力比反渗透膜低，可以减少能耗，从而降低系统运行费用。

c.膜工艺选择问题。从上页表可见，反渗透或纳滤膜水处理系统投资较大，运行费用较高，对西部经济落后地区而言，其制水成本有些偏高。为降低系统造价和运行费用，可以采用反渗透或纳滤出水和原水掺和工艺。这种做法不但可以减少投资、降低运行费用，而且系统出水水质仍可达到或优于生活饮用水的指标限值。如上页表中项目1、2和4。

d.膜的结垢防止问题。在农村饮水安全工程中，原水往往是高浓度苦咸水，CaCO3、CaSO4、SIO2是膜结垢的三种主要物质。防止CaCO3、CaSO4和SiO2的沉淀是运行维护的主要任务。在工程设计时，常在预处理单元加酸调节pH值来防止CaCO3的沉淀、加入阻垢剂来防止CaSO4的沉淀和通过提高进水温度或降低回收率来防止SiO2的沉淀。但由于原水中的各种离子是随季节的变化而变化，特别是在水源改变后，变化更大。因此，己投入运行的反渗透系统，对进水和排放水需每半年进行一次全面分析，通过计算 LSI指数、CaSO4浓度积来预测反渗透膜是否产生CaCO3、CaSO4的沉淀是十分必要的。

e.运行维护问题。反渗透系统具有设备精密、运行压力高的特点。该系统的运行状况将直接影响到最终出水水质，故做好反渗透系统的维护工作显得尤为重要。膜处理技术的系统维护问题较为突出，农村没有技术人员，基本上所有农村都没有技术力量去对水处理设施进行运维。如果托管给专业公司进行运行维护，绝大部分农村不愿负担这部分费用。农村饮水安全工程在建设水处理设施的同时，必须做好技术培训，由农民对水处理设施进行正常运行维护。

f.水质问题。膜处理后的水既去掉了水中影响人体健康的有毒有害的物质，同时也去除了对人体十分有益的矿物质和微量元素。长期饮用这类高纯度的饮水可能会对身体产生不良的负面效应。建议系统出水的TDS在500mg/L左右。

g.膜技术在农村饮水安全处理中具有广阔的应用前景。但是膜组件的使用条件和寿命、膜出水水质、膜结垢及防止等问题还需要进一步研究和观察。同时，还要进一步研究探索不同膜工艺在农村饮用水领域的适用性，并加大先进适用技术的推广力度，以缓解水资源供需矛盾，加快我国农村饮水安全问题的解决。

h.浓缩水的处理利用问题。目前，西部农村饮水安全中用于苦咸水淡化的膜装置，系统出力多为15～40m3/H，系统回收率多为50% ～75%，系统运行每天以12h计，每天排放浓缩水180～480m3。苦咸水淡化系统排放的浓缩水TDS大都超过4000mg/L，甚或高达8000mg/L，不能用于农田灌溉和生活杂用，任其排放在严重缺水的西部地区不但浪费水资源，而且会对生态环境造成二次污染。浓缩水的处理与利用问题应当妥善解决［9-12］。

i.水价问题。在膜法制水成本中，投资费和能耗费占绝大部分。能耗费用的大小和系统的进水温度、含盐量、回收率等操作条件有关。西部地区水温普遍较低，冬季室温很低，苦咸水的含盐量普遍较高，这就导致能耗较高，加之设备开机率不高，最终致使制水成本增大，农村无法接受，制约了膜技术在苦咸水淡化中的推广应用［9-12］。

j.冬季水处理设备间的保温问题。反渗透或纳滤膜的使用条件要求进水温度在5～45℃。西北地区水温普遍较低，冬季气温很低，一般在零下几度到几十度。如果不采取保暖措施，室温会降至零下。这样冬季水处理设备间的保温就成了一个主要问题，必须妥善解决。

k.农村饮水安全的长效机制。一般讲，农村缺水地区的经济都比较落后，对农民无法收取成本水价。2013年国家农村饮水安全工程结束，没有了国家投资，水处理系统正常换膜的资金无法落实。因此，需要研究农村饮水安全的长效机制，保证国家农村饮水安全工程建设的水处理系统能长期安全运行。