超濾-反滲透技術處理高氟地下水工藝研究

（濟南市清源水務集團有限公司，山東 濟南 250010）

氟化物廣泛存在于天然水體中，地下水中的氟化物主要來自于地下水流經含氟礦巖層時的長期滲透。長期飲用高氟水容易導致斑齒病和氟骨病。我國高氟地下水主要位于東北、西北、華北和黃淮海等干旱和半干旱平原地區[1-3]。

“十一五”國家水專項進行期間，為確保鵲山水庫中試基地生活和實驗用水水質安全，針對水庫滲漏地下水氟化物含量高的特點，2011 年安裝12 t/d 超濾-反滲透凈水處理平臺。該裝置采用水庫滲漏地下水進行深度處理試驗，對脫鹽率、系統運行壓力測試、氟化物去除效果等方面進行研究，評價該工藝流程的穩定性和對高氟地下水的總體凈化效果。

1 實驗部分

1.1 實驗用水

實驗原水為水庫滲漏地下水，依據國家標準GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》進行檢測，結果顯示該地下水中氟化物指標含量為2.5±0.5 mg/L，其他水質指標符合標準，氟化物含量太高無法直接作為飲用水使用。因采用常規絮凝沉淀等常規處理方法很難去除地下水中的氟化物，所以聯合超濾技術和反滲透技術處理工藝進行實驗。

1.2 實驗裝置

該凈水設備工藝流程為原水箱-石英砂過濾器-活性炭過濾器-5 μm 精濾器-超濾部件-超濾水箱-反滲透部件-純水箱，整套凈水設備的核心構件包括超濾部件和反滲透部件。超濾部件采用中空纖維式醋酸纖維膜，膜內有效面積大，工作效率高，可以去除膠體、蛋白質、微生物和大分子物質，其中微生物細菌去除率為99.99%，懸浮物去除率能達到100%。反滲透膜部件采用BW30-4040 苦咸水淡化反滲透膜，為中空纖維式聚酰胺低壓復合膜，它能阻擋所有溶解性鹽和大分子有機物，系統脫鹽率大于98%。氟化物指標檢測設備為Thermo Fisher ics-900 型離子色譜儀。

1.3 試驗方法

如果地下水原水中的氣泡、泥沙、膠體和懸浮物等如果直接進入超濾部件，容易造成水錘和膜堵塞，進而導致產水量減少和產水質量變差，因此進行超濾前先從原水箱除氣泡，加壓通過砂濾、活性炭吸附和精密過濾器進行初步過濾，從而保證系統穩定性。

初步處理的水通過增壓泵進入超濾部件，超濾的機理主要是篩濾為主，純水進入超濾水箱，通過浮球控制電動閥使系統自動運行。

經過超濾膜的水添加有機磷酸鹽阻垢劑，用于除去水中的鈣鎂離子等，防止附著在反滲透膜上，進而影響水通量和膜壽命。添加阻垢劑的水通過增壓泵進入反滲透部件，利用壓力差使水分子自然滲透方向逆轉，從濃溶液中分離出水分子，經過脫鹽后得到反滲透純水，依據GB/T5750.5—2006 中3.2《離子色譜法》對產水中氟化物指標進行檢測。

2 實驗結果與分析

2.1 除鹽效率和影響因素

系統脫鹽率是凈水系統對鹽分的整體脫除率，可以綜合評價凈水系統對于水中雜質的過濾能力，系統脫鹽率=（總給水電導率-總產水電導率）/總給水電導率×100%。

針對固定系統運行條件，系統脫鹽率和產水量是反滲透膜的本質特征，而膜的系統脫鹽率和產水量則主要受給水含鹽量、壓力、回收率、溫度和pH 值影響。該系統中水源為地下水，環境溫度、水溫、給水含鹽量和系統pH值都較穩定，該文只考慮回收率和給水壓力對系統脫鹽率的影響。

反滲透給水由高壓泵抽取超濾水提供，通過調節給水閥門的大小，可以控制給水壓力，影響凈水設備的脫鹽率，進而影響產水水質。給水壓力應該在30 s～60 s 的時間范圍內逐漸升高。產水量隨給水壓力增加逐漸增大，兩者存在明顯的線性關系。系統脫鹽率也隨著給水壓力增加而增大，但不是線性關系（如圖1 所示），給水壓力達到0.6 MPa 后系統脫鹽率不再持續增加。這是因為反滲透膜不可能完全截留水中所有的可溶性鹽類，總有少量鹽類滲漏過膜，在一定范圍內增加給水壓力，膜透過鹽分的速率要比透過水的速率慢，增加的產水量稀釋了滲漏過膜的鹽分，使得系統脫鹽率增加。但是通過增加給水壓力提高系統脫鹽率有一定的上限限制，如圖1 所示，當給水壓力太高時，水分子會和鹽分耦合共同透過反滲透膜，導致鹽分透過量和水通量增加相抵，系統脫鹽率不再升高，通過測試脫鹽率隨給水壓力變化情況，兼顧反滲透水處理系統采用50%回收率操作，確定給水壓力的合理范圍應該是0.5 MPa～0.6 MPa，如圖1 所示。

系統調試完成后，連續3 個月對該系統脫鹽率進行監控（如圖2 所示），監測結果顯示，經過處理后電導率明顯降低，該系統脫鹽率穩定在97%以上。

圖1 系統運行壓力和脫鹽率關系

圖2 連續3 個月運行下氟化物去除率和系統脫鹽率

2.2 氟化物去除效果

在穩定運行的情況下，連續3 個月對給水和產水氟化物含量進行檢測（如圖2 所示），結果顯示：處理后氟化物指標降到0.1 mg/L 以下，符合氟化物指標《生活飲用水衛生標準》標準限值，氟化物去除率始終穩定在96%以上，反滲透對一價離子比二價離子的脫除率低，膜將對二價離子有更出色的脫除率。隨著時間的推移，系統脫鹽率和氟化物去除率略呈下降趨勢。給水因采用地下水，給水氟化物含量較穩定，從而使得產水水中氟化物含量始終保持較低水平，總體凈化效果優異且穩定。

2.3 裝置穩定性分析

超濾膜堵塞會導致產水量下降，成為影響凈水裝置穩定性的關鍵因素。在超濾膜的清洗過程中，一般選用氫氧化鈉和檸檬酸鈉2 種試劑，用于清除附著的細菌、有機物等大分子雜質[2]。確定堿液清洗的最佳pH 為11～12，即1 g/L的氫氧化鈉溶液，當用檸檬酸鈉清洗時，最佳pH 為2～3，即2 g/L 的檸檬酸鈉溶液。針對該地下水，對于超濾膜的清洗控制在1 次/3 月，清洗太頻繁會損壞膜的壽命，間隔時間太長，膜上的附著物太多，既不容易清洗，也會破壞膜組件。

在系統正常運行中，因為膠體粒子、鹽垢、微生物和不溶性有機物等污染物在反滲透膜表面的沉積，導致膜系統本征產水量和系統脫鹽率降低。因此，主要從以下幾個方面改善反滲透膜的穩定性，反滲透膜對給水水質要求較高，經過超濾膜的超濾水要添加阻垢劑，用于除去水中的鈣鎂離子等。反滲透膜還需要定期清洗，對清洗劑要求同樣苛刻。在該凈水設備反滲透膜的清洗過程中，最終確定第一步清洗使用1%的Na4EDTA 作為清洗劑，第二步清洗采用0.2%鹽酸作為清洗劑，清洗頻率定位1 次/3 月。

給水管路中的氣泡容易導致水錘出現，對凈水設備管道，尤其容易對超濾膜和反滲透膜造成破壞。針對水錘現象，在進水前增加原水箱，原水箱可以起到很好的中繼作用。同時在管道節點安裝了排氣閥，防止氣泡生成。

3 結論

針對我國部分地區地下水氟化物含量高的問題，設計了超濾-反滲透工藝深度處理實驗平臺。采用超濾-反滲透聯用系統對高氟水進行處理，深度處理后的產水氟化物等污染物去除效果能夠滿足生活飲用水衛生標準。系統脫鹽率和產水量受系統運行壓力影響較為顯著，在最優化工藝下系統脫鹽率較高，運行穩定，自動化程度較高，具有廣闊的應用前景。