反滲透除氟除氨氮技術在飲用水中的應用

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計研究院有限公司，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固，降低齲齒的發病率，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，即為高氟水。長期飲用高氟水，則會引起氟斑牙、骨質松脆、關節僵硬甚至癱瘓[1]。當飲用水中氨氮濃度過高時，水中的氨氮易被硝化細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]，也易產生令人不快的嗅和味。同時，出廠水中的氨氮給供水管網中的自養菌提供條件，造成管道腐蝕和水質惡化。隨著經濟發展和生活水平的提高，人們對自身健康尤為關注，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。設計供水規模為7.0萬m3/d，日均供水量為4.5萬m3/d，水源為地下水。根據水資源論證報告，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，地質條件較差，地質構造的變化影響了氟化物的形態轉化，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。此外，水源地距人工湖較近，受農業種植和水體污染的影響，水源地出水中的氨氮含量也出現超標現象。A水廠出水僅經二氧化氯消毒，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，規模為4.0萬m3/d；二期工程于2010年開工建設，規模為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，一期工程供水規模為4.0萬m3/d，二期工程擴建規模為3.0萬m3/d，總供水規模達到7.0萬m3/d。

A水廠現有的建構筑物包括：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：水源地進水→清水池(二氧化氯消毒)→吸水井→送水泵房→城區供水管網。

2014年—2015年的B市水質監測站檢測報告顯示，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《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的指標要求(氟化物≤1.0 mg/L，氨氮≤0.5 mg/L)，其他指標滿足標準要求。

2 工藝改造方案

2.1 飲用水除氟技術

目前，國內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、優缺點、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

目前，國內去除微污染飲用水水源中氨氮的技術方法有：折點加氯法、吸附法、生物處理法和膜分離法。各種方法的原理、優缺點、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

根據工藝改造方案中飲用水除氟除氨氮技術的論述，結合本工程的實際情況，綜合考慮原材料采購的便利性、運行管理的自控程度、人員工作環境、后續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。反滲透預處理單元包括濾池、過濾器及超濾膜。考慮到本工程可用于改造的占地面積小，且工程投資預算有限，采用多介質過濾器。多介質過濾器具有夏季藻類暴發風險小、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且穩定，滿足反滲透進水指標要求等優點。

3 工程設計

3.1 設計進水、出水水質

根據A水廠不同月份水質超標的情況，提標改造設計進水、出水水質如表3所示。

表3 設計進水、出水水質Tab.3 Inflow and Outflow Water Quality in Design

3.2 規模確定

考慮到建設投資及運行成本的問題，同時為了達到節能、節水的目的，本工程采用反滲透膜處理+原水勾兌的處理方案，使出水水質達標。根據反滲透膜產品的相關資料，反滲透設備對氨氮的去除率可達85%以上，對氟化物的去除率可達97%以上，系統回收率為70%以上。

綜合考慮投資、運行成本及操作難易程度等因素，經計算，確定工程規模如下：近期預處理單元處理規模為1.35×104m3/d，反滲透設備除鹽率為97%以上，回收率為75%，產水量為1.0×104m3/d，與剩余原水3.5×104m3/d混合后，達到總供水規模為4.5×104m3/d，原水與膜處理出水的勾兌比例為3.5∶1；遠期預處理單元處理規模為2.0×104m3/d，反滲透設備除鹽率為97%以上，回收率為75%，產水量為1.5×104m3/d，與剩余原水5.0×104m3/d混合后，達到總供水規模為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

提標改造工藝流程如圖1所示。

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

3.4 構筑物設計

A水廠水質提標改造工程新增的建構筑物包括：原水池、凈水間、反洗水池。

3.4.1 原水池

原水池作為多介質過濾器的進水池，儲存系統1 h的用水量，按遠期規模建設。新建半地下式鋼砼水池1座，結構尺寸為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，包括多介質過濾器、反滲透裝置、水泵間、加藥間、配電控制室、水質分析室。新建框架建筑1座，總建筑面積為1 015.36 m2。設備間軸線尺寸為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多介質過濾器

多介質過濾器為反滲透進水的預處理設施。設計濾速為8.9 m/h，強制濾速為10.2 m/h，直徑為3.4 m。近期安裝8臺，預留4臺位置。濾料為石英砂和無煙煤，濾料高度為1.2 m。采用氣水聯合反沖洗方式，反洗周期為24～48 h，當出水渾濁度>2.0 NTU時，自動反沖洗；當進水渾濁度>3 NTU時，在進水總管上投加絮凝劑PAC，設計投加量為5.0 mg/L。

②反滲透裝置

反滲透裝置采用2段式。設計水溫≥10 ℃。采用東麗TM7低壓反滲透膜元件，運行通量為22～25 L/(m2·h)。運行壓力為1.55 MPa。根據進水冬夏季水溫不同，可適當調整運行壓力。

近期安裝4套，預留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。

進水SDI<5；系統回收率≥75%；系統脫鹽率≥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、絮凝劑投加裝置、反滲透清洗裝置各1套。

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

④泵房

多介質過濾器給水泵5臺，4用1備，單泵參數為Q=150 m3/h，H=30.0 m，N=45 kW；

多介質過濾器反沖洗水泵2臺，1用1備，單泵參數為Q=400 m3/h，H=20.0 m，N=30 kW；

濾池反沖洗用羅茨鼓風機2臺，1用1備，單臺風機參數為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備的濃水，部分用于多介質過濾器的反沖洗水，其余部分用泵提升排至第一中水廠超越管。儲存系統2 h的系統用水量，供多介質過濾器反沖洗水泵吸水池用。按遠期規模建設，新建地下式鋼砼水池1座，結構尺寸為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，1用1備，泵參數為Q=150 m3/h，H=10 m，N=5.5 kW。

4 成本分析

A水廠提標改造工程的運行需消耗電能及藥劑。運行成本分析按照4.0萬m3/d規模計算，運行成本如表4所示。

表4 運行成本 Tab.4 Running Cost

5 運行效果

寧夏B市A水廠水質提標改造工程于2017年年底建設完成，截至目前已運行近3年。因冬夏季地下水源井進水溫度變化不大，均在13～16 ℃，膜系統運行壓力不調整。考慮到進水水質偏堿性，為滿足反滲透進水要求，需投加鹽酸進行pH調節，調整至進水pH值為6.95左右。經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，滿足現行生活飲用水衛生標準的要求，反滲透系統運行良好。

6 膜污染及化學清洗

通過對反滲透膜SDI測試膜片上的殘留物進行鑒別，殘留物為晶狀體外形殘留物，無氣味，為無機膠體和鈣垢的顯著特征。因此，本項目運行造成的膜污染類型主要為無機鹽垢。當跨膜壓差增加到初始值的1.5倍或產水量降低10%時，均自動進行化學清洗，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 ℃。

化學清洗的程序為：(1)采用反滲透膜產水大流量對膜元件進行沖洗，沖洗時間為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)將清洗液進行低壓循環，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，使用反滲透產水，徹底清除所有殘留的清洗液。運行表明，清洗周期為3個月左右。

7 結論

(1)A水廠提標改造工程采用的反滲透除氟除氨氮技術可以滿足現行生活飲用水衛生標準要求，運行成本僅增加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)本工程為國內首次較大規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的原有水廠提標改擴建、新建水廠除氟除氨氮具有推廣及示范意義。