宁夏地区地下苦咸水人饮淡化技术适宜性研究

2019-03-21田军仓

中国农村水利水电 2019年3期

刘娟，田军仓

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用工程研究中心，银川 750021)

0 引言

1 宁夏地区地下苦咸水资源分布及其成分分析

苦咸水随着地区和形成的机理不同，水中的成分不同，矿化度也不同。一般来讲，矿化度小于1g/L为淡水，1～3 g/L为微咸水和3～6 g/L为半咸水，6～10 g/L为中盐度苦咸水，10～50 g/L为高盐度苦咸水，大于50 g/L称为卤水[3]。根据相关资料宁夏地下水共有78种水化学类型[4-7]，并将地下水矿化度分为五级，即小于1、1～3、3～6、6～10、大于10 g/L。

(1)矿化度小于1 g/L的水。宁夏全区矿化度小于1 g/L的地下水资源量为17.15 亿m3，主要分布于贺兰山区及东麓山前倾斜平原、银川平原南部、卫宁平原、固原南部与六盘山至月亮山、南华山一带。总面积达1.79 万km2，占全区面积的34%。矿化度小于1 g/L的水主要为重碳酸盐水，其中又以钙盐和镁盐为主。水化学类型主要为HCO3-SO4-Ca-Mg和HCO3-SO4-Na-Mg。

(2)矿化度1～3 g/L的水。矿化度为1～3 g/L之间的地下水资源量为10.75 亿m3，是宁夏分布最广的一种微咸潜水。广泛分布于银川平原中北部，宁中山地、灵盐台地与宁南黄土丘陵的西部。总面积达2.33 万km2，占全区面积的45%。1～3 g/L的水化学类型比较复杂，同1 g/L的水比起来有显著差异。主要以硫酸盐与氯化物为主，阳离子成分以钠盐为主。水化学类型主要为Cl-SO4-Na-Mg。

(3)矿化度3～6 g/L的水。矿化度3～6 g/L之间的地下水资源量为2.63 亿m3，主要分布于宁夏中部。总面积0.78 万km2，约占全区面积的15%。矿化度3～6 g/L的水，全部为硫酸盐与氯化物水，水化学类型主要为SO4-Cl-Na-Mg和SO4-Cl-Na-Ca。

(4)矿化度6～10 g/L的水。矿化度6～10 g/L之间的地下水资源量为0.14 亿m3，主要分布于三营以北至同心一带。总面积0.21 万km2，约占全区面积的4%。水化学类型主要为SO4-Cl-Na-Mg。

(5)矿化度大于10 g/L的水。矿化度大于10 g/L的地下水资源量为0.06 亿m3，主要分布在固原北部、海原北部与同心北部等地。总面积0.11 万km2，占全区面积的2%。水化学类型主要为Cl-SO4-Na-Mg为主。

总的看来，宁夏地区地下水是南北两头好，中部差。能用的水多，不能用的水少，大于3 g/L的水分布面积仅占全区面积的21%。地下水的矿化作用方向是从小于1 g/L的重碳酸钙镁水，到1～3 g/L重碳酸钠镁、硫酸盐与氯化物钠镁水，到3～10 g/L的硫酸盐与氯化物钠镁水，到大于10 g/L的氯化物硫酸盐钠镁水。从阳离子成份来看，当矿化度大于1 g/L时，主要以钠盐和钠镁盐为主。

综上分析，1～10 g/L的苦咸水可作为水源来用，其分布约占全区总面积的64%，水资源量大。但这部分水如果直接利用，会对人体健康带来一定危害，因此必须经过处里后使用。

2 宁夏地区地下苦咸水人饮淡化技术适宜性分析

地下淡水或微咸水作为生活饮用水，即使矿化度小于1 g/L的水也应做适当处理，考虑到经济问题，不同的矿化度应采用不同的淡化方法。常见的苦咸水淡化方法主要有纳滤法(NF)、反渗透法(RO)、和膜蒸馏(MD)。

2.1 苦咸水人饮淡化技术选择

2.1.1 苦咸水处理机理

纳滤和反渗透属于压力驱动膜，其去除污染物的机理是溶解-扩散，受原液侧和渗透侧的浓度和渗透压的影响，去除的主要污染物是溶解性物质。膜蒸馏是膜法和热法相结合的水处理方法，只允许水蒸气通过，主要与原液侧和渗透侧的蒸气压差有关。

2.1.1.1 纳滤与反渗透

纳滤膜(NF)介于反渗透(RO)和超滤(UF)之间，截留分子量大约在 200～2 000之间，膜孔孔径约为1nm左右，分离大小约为1 nm的溶质[8,9]。纳滤膜的设计是被用来去除特定的离子种类，对二价离子的截留率很高，而对一价离子的截留率较低，这是因为NF膜表面分离层由聚电解质构成，电荷效应造成其对单价和多价离子的截留性能存在巨大差异，NF对单价离子具有相当大的渗透性，而对二价及多价盐离子的截留率均在90%以上[10]。反渗透对离子的去除则是任意的，对一价、二价离子截留率都很高。

对于纳滤和反渗透过程，根据改进的溶解-扩散模型，溶剂和溶质的通量分别为：

Jj=P(Δp-Δπ)

(1)

Jz=B(czf-czp)

(2)

式中：Jj和Jz分别为溶剂和溶质通量；P溶剂渗透系数；Δp为驱动压力；Δπ为原液侧和渗透侧的渗透压差；B为溶质渗透系数；czf和czp分别为原液侧和渗透侧中组分Z的摩尔分数。

2.1.1.2 膜蒸馏

膜蒸馏的传质过程分为原液侧浓盐水在膜表面的蒸发过程，蒸气在分压差的作用下透过膜孔从原液侧渗透到渗透侧的过程，蒸气在渗透侧的冷凝过程。因此质量传递的两个重要因素包括蒸气分压差和膜的渗透特性。则膜蒸馏的传质通量可以表示为[11,12]：

J=Bm(Pmf-Pp)

(3)

式中：Pmf-Pp为蒸气分压差；Pmf为原液侧膜表面蒸气压；Pp为渗透侧蒸气压；Bm为膜蒸馏渗透系数，它体现了膜的渗透特性，与膜的孔隙率、平均孔径、膜厚度、膜孔内的弯曲度等构造有关。不同的膜结构产生的传质过程也有所不同。膜孔内的传质过程包括knudsen(怒森)扩散、poiseuille(泊肃叶)扩散、分子扩散，或以上两种机制的组合。在膜孔内发生的是哪种机理，主要取决于膜孔内分子的平均自由程与膜孔直径大小有关。

2.1.2 苦咸水处理技术效果分析

2.1.2.1 纳滤

2.1.2.2 反渗透

2.1.2.3 膜蒸馏

膜蒸馏对高浓度的盐水具有很好的淡化作用。张建芳[21]采用聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)两种膜对高盐苦咸水进行减压膜蒸馏处理，研究表明在较高浓度范围内，随着浓度的增加膜的渗透通量随之降低，随着浓度的继续增加，膜的渗透通量减小趋势趋于平缓。但是馏出液的电导率依然很小，截留率达到99.9%以上。唐娜[22]利用PVDF中空纤维膜及PTFE微孔平板膜对反渗透浓水进行了真空膜蒸馏处理，在相同的温度和压力条件下，平板膜的膜通量大于中空纤维膜的膜通量，但脱盐率均在98%以上。陈利[23]利用真空膜蒸馏法对反渗透浓水进行处理，结果表明随着真空度增大、料液温度升高、料液流速的增加，膜通量均会增加，截留率呈减少趋势，但最大截留率可达99.99%。张觅[24]利用真空膜蒸馏对反渗透浓水进行处理，研究表明随着浓缩时间的增长，进料浓度增大，渗透通量开始呈微弱的下降趋势。当进料浓度达到定值时，渗透通量发生迅速的下降。通过检测渗透液电导率，可以知道，即使在较高的进料浓度下，真空膜蒸馆依旧表现出了卓越的截留率，其截留率近100%。王平[25]利用多效膜蒸馏对反渗透浓水进行处理，当浓缩比超过2.5时，冷凝液的电导率有所升高，但截留率仍然可以达到 99.9%以上。刘加云[26]利用PTFE中空纤维膜对浓海水进行真空膜蒸馏处理，研究表明随着进料液中盐浓度增大后，微量离子透过膜孔进入产水侧，使得产水电导率增大；但相比于进料液中的盐浓度来说，产水侧盐浓度很低，因此脱盐率仍保持在99.5%以上。

通过分析以上文献，将各处理技术对各种离子的处理效果列于表1。

表1 不同苦咸水淡化技术对各离子去除率对比表 %

2.1.3 苦咸水处理技术成本分析

作为解决农村地区苦咸水问题的有效手段，小规模纳滤、反渗透及膜蒸馏淡化处理技术有着广阔的发展前景。但是目前制约这些技术在国内农村推广的一个原因是成本过高、能耗过大、一次性投资较大，折损过快，在满足社会效益的同时不能兼顾经济效益。

陈晓英等[27]对地表高度苦咸水双级纳滤淡化工程进行了研究，结果表明双级纳滤脱盐率在95%以上，总硬度去除率在99%以上，吨水电耗为2.1 kWh，吨水电费约为1.1元。王文正[14]对纳滤膜技术在甘肃农村安全饮水工程中的产水成本进行了研究，吨水成本为1.32 元/t，其中包括系统成本0.28 元及运行费1.04 元。

全世界海水淡化装置中约有 30% 是利用反渗透技术实现的，以色列的反渗透海水淡化技术比较领先，利用反渗透系统产水成本约为 0.53 美元/m3，我国最大的反渗透海水淡化站位于大连市长海县，日产淡水1 000 m3，淡水成本6 元/m3[28]。张凯[29]对农村小规模反渗透淡化处理设备的折旧成本及运行成本进行了研究，结果表明设备每天运行8 h，总成本为5.74 元/t，其中设备折旧为4.08 元/t，设备人工及运行费为1.66 元/t；如果设备每套运行24 h，总成本为3.67 元/t，其中设备折旧为2.01 元/t，设备人工及运行费为1.66 元/t。杨景天等[30]对农村苦咸水反渗透淡化工程进行了研究，系统采用多介质过滤、活性炭过滤进行预处理，利用聚酰胺复合反渗透膜对生活饮用水进行处理，工程运行费用为1.65 元/m3。潘春佑[31]采用多介质过滤和保安过滤作为预处理，采用一级三段反渗透系统对甘肃某地下苦咸水进行淡化，工程运行费用为1.6 元/m3。

通过文献，将纳滤和反渗透处理技术的吨水成本列于表2。

由表2及文献分析可以看出，纳滤和反渗透的设备成本及运行成本影响因素很多，包括工艺流程、运行时间、装机容量、原水水量水质、原水掺水量、产水水量水质、膜水利用率、膜脱盐率等因素[32]，导致产水的成本没有可比性。对于纳滤来说，原水水质越好，产水水质要求越低，系统压力越小，运行费用就

表2 不同苦咸水淡化技术成本对比表Tab.2 Costs comparison of different brackish water desalination technology

越小；对于反渗透除压力因素外，原水掺水量越大，运行成本越低。总体来说纳滤的运行压力低于反渗透，因此纳滤的运行费较低，对于硬度较大的微咸水，应优先选用纳滤。对于以一价离子为主的微咸水，可以选用反渗透技术并掺和一定比例原水来降低成本。目前关于膜蒸馏成本费用方面的文献非常少，一般来说原料液温度、流速越大，渗透侧压力越小，膜通量越大，但运行成本也越高，对于纳滤、反渗透无法处理的高盐水，则可选用膜蒸馏。

2.2 宁夏地区地下苦咸水人饮淡化方案技术经济分析

经过分析选择出适合宁夏地区的苦咸水处理方法有纳滤法、反渗透法和膜蒸馏法，通过实验进行验证，并进行技术经济分析。

2.2.1 纳滤

对宁夏中宁市第二自来水厂的地下水水源(井水)进行纳滤处理，该地区位于卫宁平原，地下水主要以硫酸盐混合水为主，水化学类型主要为HCO3-SO4-Ca-Mg，矿化度小于1g/L，但作为饮用水来说硬度偏高，因此可采用纳滤技术进行处理。

2.2.1.1 处理工艺

2.2.1.2 处理效果

对原水及纳滤处理后的产水水质进行检测，处理前后的水质如表3所示。

表3 中宁纳滤微咸水淡化系统处理效果分析表 mg/L

2.2.1.3 处理成本

中宁水厂日处理量为1 万m3，可供中宁8万多人的人饮用水。纳滤膜系统设备成本为1 870 万元，其中膜组件为500 万，按5 a换一次膜组件计算，设备寿命按30 a计算，则设备成本折合到吨水为0.667 元/m3。该纳滤系统吨水能耗为2.5 kWh/m3，如果电费按0.44 元计算，则吨水电费为1.1 元/m3，再加上吨水加药费0.3 元/m3，则吨水运行费为1.4 元/m3。合计吨水成本为2.067 元/m3。

2.2.2 反渗透

对宁夏银川市贺兰县欣荣村的地下水进行反渗透处理，该地区位于银川平原北部，地下水为氯化物的混合水，矿化度在1～3 g/L，由于含Cl-、Na+偏高，因此采用反渗透技术进行处理。

2.2.2.1 处理工艺

2.2.2.2 处理效果

对原水和反渗透产水的水质进行检测，处理前后水质如表4所示。

表4 贺兰地区反渗透微咸水淡化系统处理效果分析表 mg/L

2.2.2.3 处理成本

该反渗透系统的处理量为5 m3/h，生产淡水4 m3/h，浓水1 m3/h，可供欣荣村800人的人饮用水。系统设备成本为12万元，其中膜组件为2.7万元。按3 a换一次膜组件，设备寿命按30 a计算，每天运行8 h，则设备成本折合到吨水为1.113 元/m3。系统正常运行时开启一个4 kW的高压泵，1个1.8 kW的原水泵，2个2.2 kW的循环泵，即每小时耗电量为10.2 kWh，则生产1吨淡水电费为1.12 元/m3，再加上加药费0.3 元/m3，1吨水的运行成本为1.422 元/m3。合计吨水成本为2.535 元/m3。

2.2.3 膜蒸馏

由于宁夏地区矿化度大于6 g/L的苦咸水主要分布在中部干旱带，且分布仅占全区的6%，很难取水进行膜蒸馏实验，因此用反渗透浓水代替高矿化度的苦咸水进行反渗透实验。

2.2.3.1 处理工艺

2.2.3.2 处理效果

对反渗透浓水和减压膜蒸馏处理后的淡水水质进行检测，处理前后水质如表5所示。

表5 贺兰地区反渗透浓水膜蒸馏淡化系统处理效果分析表 mg/L

如表5可以看出，反渗透浓水也是Na- HCO3-SO4-Cl型苦咸水，是对贺兰欣荣村地下水的进一步浓缩。由于膜蒸馏只允许水蒸气通过，因此出水接近蒸馏水，淡水中各种离子的含量都非常小，脱盐率在99%左右，原水浓度对膜蒸馏的影响不大，但运行时间长会导致膜孔堵塞，使得膜通量下降。

2.2.3.3 处理成本

该膜蒸馏系统的淡水产量200 kg/h，可供10户左右的人饮用水。系统由太阳能集热装置、膜蒸馏组件和冷凝装置组成，系统设备成本为7.2万元，其中膜组件为2.7万元。同样按5年换一次膜组件，设备寿命按30 a计算，每天运行8 h，则设备成本为13.36 元/m3。系统正常运行时，开启1个5.5 kW的真空泵，1个1.8 kW的循环泵，则生产淡水电费为16.06 元/m3。合计吨水成本为29.42 元/m3。

对比以上3种处理方法，纳滤和反渗透的成本相对较低，而膜蒸馏的成本比较高，不适用于一般苦咸水的处理，但对于宁夏偏远山区，地下高盐苦咸水是唯一的水源时，可利用膜蒸馏作为人饮水的处理方法。