雙膜法在瑞源水廠處理氟化物和硫酸鹽中的應用

奚影影，韓慶祥, 張家銘, 張云海

(山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101)

生活飲用水中離子超標會帶來很多疾病，時刻威脅人民群眾生命健康安全。自來水氟離子超標，即稱高氟水，長期飲用會使牙齒發黑、患很多牙齒疾病。自來水硫酸鹽超標可引起腹瀉、脫水和消化道疾病，有研究表明，肝癌與飲用水中的硫酸鹽濃度呈現正相關的現象[1]，同時，也會對管網造成腐蝕破壞。氟離子去除方法有吸附法、離子交換法、膜處理法等[2]，硫酸鹽的去除有吸附法、生物化學法、鋇離子和鈣離子法等[3]。結合兩種離子特性與現有處理數據，近幾年運用較多的處理方法為超濾+反滲透雙膜法。

目前，國內外對于雙膜法應用頗多，且都取得了穩定良好的處理效果。在甘肅某礦井水的處理中，雙膜法出水氟離子濃度為0.13 mg/L，硫酸鹽濃度為77.4 mg/L，水質優異[4]。在舟山某海島可能由于海水滲入或者干旱引起含鹽量超標的飲用水處理中，雙膜法更是實現了高脫鹽效果，硫酸鹽濃度低至0.1 mg/L[5]。濟南市濟陽縣濟北自來水廠采用超濾+反滲透脫鹽除氟并降低硬度，取得了優異效果，出廠水硬度在340 mg/L左右，溶解性總固體在740 mg/L左右，硫酸鹽在140 mg/L左右，氟化物在0.55 mg/L左右[6]。泰安市寧陽縣自來水廠采用超濾+反滲透去除地下水中超標硬度與硝酸鹽，反滲透出水電導率為38 μS/cm，硬度為27 mg/L，硝酸鹽為1.0 mg/L，出水10 000 m3/d與原深井水5 000 m3/d混合出廠，經檢驗完全符合生活飲用水衛生標準[7]。

超濾+反滲透雙膜法在處理海水、生活飲用水、工業水等方面效果顯著，使自然水體利用率大大提升。本文介紹了武城瑞源水廠膜處理車間的設計參數及運行特點，為各水廠處理相似原水提供了經驗。

1 工程概況及工藝選擇

本工程位于山東省德州市武城縣，瑞源水廠供水規模30 000 m3/d，以南水北調工程東段魯北輸水線末端重要調蓄水庫大屯水庫為水源。德州市地區地下水氟離子濃度一直較高，地質原因導致地下水與水庫水相互滲透，從而致使水廠進水氟離子超標。南水北調工程沿途地質復雜，地下水滲透，瑞源水廠原水硫酸鹽超標。原水廠出水水質如表1所示。由表1可知，出水要達到國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，需對水中硫酸鹽和氟化物進行深度處理。

表1 原水廠出水水質Tab.1 Finished Water Quality of Original Waterworks

瑞源水廠原工藝處理流程為預氧化+機械攪拌澄清池+砂濾池+臭氧生物活性炭。水廠原處理工藝無法去除超標的氟化物和硫酸鹽，因此，另需增加脫鹽除氟工藝。常用的脫鹽除氟工藝有納濾、反滲透、離子交換法等，綜合考慮原水水質、處理效果、后續維護以及國內外處理經驗，該工程設計決定采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法進行脫鹽除氟。該裝置占地面積小，技術先進，自動化程度高且處理效果好[5]。雙膜法可將污染嚴重或者含鹽量較高的水凈化過濾，有效除去水中硫酸鹽和氟化物，進一步改善了生活飲用水水質[8]。

2 工藝設計

2.1 主要工藝選擇

2.1.1 自清洗過濾器

自清洗過濾器用以截流活性炭濾池出水中殘留物及細菌懸浮物，如藻類、鐵銹、黏泥、微生物等，保護超濾膜不被破壞和堵塞，繼而保障超濾膜正常工作。過濾方式為水先經過粗濾網過濾掉較大雜質，然后到達細濾網。自清洗過濾器發揮作用關鍵部位的是濾網，用于攔截大顆粒物等雜質，同時還可以自動排污，方便快捷[7]。采用壓差、時間及手動方式進行控制，運行連續供液，截流雜質過多時，壓力損失增加，進出水口壓差達到設定值時，開始反沖洗。進入自清洗過濾器的水管最低點設排放閥。

2.1.2 超濾+反滲透

超濾是對活性炭濾池出水進行脫鹽前處理，可有效去除原水中的雜質、大分子懸浮顆粒物和有害物質等，可有效保證反滲透的脫鹽率及延長膜的使用壽命[4]。超濾現已被廣泛應用于水處理多處領域，如造紙污水處理、飲用水凈化、電鍍廢水處理、油質廢水處理、城市污水的回收利用等[9]。反滲透具有相當高的截留率，可過濾掉水中離子級別的雜質，完全滿足瑞源水廠原出水中的超標離子雜質的去除。雙膜法中超濾作為反滲透膜的預處理，保證了反滲透膜前水質，可防止雜質堆積堵塞造成對膜的污染。

2.1.3 防垢與清洗

反滲透膜幾乎可以過濾水中所有的物質，但對膜前壓力要求較高。倘若水質、運行條件不好，易造成膜的污堵及破壞現象[10]。造成反滲透膜污堵的原因有很多，濃差極化、結垢、微生物污染、膠體污染以及無機和有機污染，其中主要原因是濃差極化，另外，微生物在膜上生長發育釋放出的有機物質會逐漸形成凝膠層堵塞膜[11]。反滲透膜運行一段時間后，水中鈣鎂離子會不斷析出附著在膜的表面，為防止原水中的碳酸鈣、碳酸鎂等在反滲透膜表面或者管道中結垢，導致膜元件堵塞，需在超濾膜出水后投加阻垢劑。阻垢劑是一種有機化合物質，主要作用是相對增加水中結垢物質的溶解性，以防止碳酸鈣、硫酸鈣等物質對膜的阻礙，同時，可降低鐵離子堵塞膜的微孔。阻垢劑的投加可有效預防發生膜污染，保證反滲透系統的正常產水工作[12]。

為了保證膜系統穩定運行，要定期進行清洗，最終的清洗效果可能決定膜的處理效果和使用壽命[8]。本項目超濾反洗周期為30～40 min/次，當反洗不能恢復超濾膜的通量時，需進行化學加藥增強反洗，化學增強反洗周期為12～24 h/次。當反滲透裝置產水下降10%或進水與濃水壓差增加15%時，說明膜已污染，需進行化學清洗，一般周期為3～12個月清洗1次。

2.2 工藝流程

新建膜處理車間進水采用原有活性炭濾池的出水，設計產水量為10 000 m3/d，新建膜處理車間進水量為14 500 m3/d。工藝流程中的預處理包括自清洗過濾器和超濾系統，主要去除水中的大分子懸浮物、膠體和有機物等，以滿足反滲透膜的進水水質要求。超濾設備出水經加壓后進入反滲透設備，對水中氟化物、硫酸鹽以及其他無機鹽離子的去除。最后，膜車間出水規模10 000 m3/d與活性炭濾池后進水池中溢流的20 000 m3/d水量以1∶2進行混合，水廠總供水規模達到30 000 m3/d，出水經消毒后供給市政管網。詳細的工藝流程如圖1所示。

圖1 超濾-反滲透裝置工藝流程Fig.1 Process Flow of UF-RO Unit

2.3 工藝設計參數

2.3.1 反滲透預處理

(1)提升泵

設置有5臺進水泵，4用1冷備，每臺流量為160 m3/h，揚程為28 m，配有電機功率18.5 kW。提升泵的作用為提供動力，保證系統所需壓力及克服沿程阻力，將活性炭池出水送至超濾系統進行反滲透前的預處理。泵與系統有聯動裝置，一旦出現問題，便反饋到系統及時做出調整。

(2)自清洗過濾器

本工程采用4組自清洗過濾器，過濾精度為100 μm，每組產水能力為3 625 m3/d。受場地、投資額及其他因素限制，未設置備用，損壞時需快速聯系廠家更換維修。

(3)超濾系統

本工程采用4組超濾過濾器，每組采用70支超濾膜，膜孔徑為0.1 μm，每組產水能力為3 375 m3/d，每組設計產廢水量為250 m3/d，回收率≥93.5%。本系統采用內壓式中空纖維超濾膜，型號為UF1IA250，有效膜面積為50 m2，設計膜通量為45 L/(m2·h)。

(4)超濾反洗泵

設置有2臺臥式反洗水泵，1用1備，每臺流量為350 m3/h，揚程為28 m，配有電機功率45 kW，反洗水進入水廠原有反洗回收池，設置1套化學清洗系統。

2.3.2 反滲透系統

常見雙膜法超濾膜后設置濁度儀測定超濾出水渾濁度以保證反滲透膜的入水水質，瑞源水廠設計濁度儀+在線激光顆粒物分析儀聯合使用，進一步保證了水質監測。

(1)保安過濾器

又稱精密過濾器。本工程采用4組纖維增強復合材料(FRP)壓力膜殼式過濾器，φ600 mm，濾芯過濾精度為5 μm，流量為150 m3/h。主要目的是攔截超濾膜意外破損時出水中攜帶的顆粒、膠體、懸浮物雜質等，防止進入反滲透膜，影響其運行[2]。

(2)反滲透高壓泵

本工程共采用5臺高壓泵，4用1冷備，每套反滲透裝置配套一臺高壓泵。每臺流量為141 m3/h，揚程為140 m3，配有電機功率90 kW。

(3)反滲透系統

本工程共采用4組反滲透裝置，按照一級2段設計運行，每組裝備配備132支低壓反滲透膜，22支膜殼，6支裝，排列方式為15∶7(采用2∶1)，設置濃水排量為3 500 m3/d，產水能力為416 m3/h。型號為TM720D—400，回收率≥75%，設計膜通量為21.5 L/(m2·h)。

(4)反滲透防垢與清洗

本項目投加阻垢劑類型為膦酸鹽復合物，投加方式為計量泵投加。

本項目對反滲透膜元件進行在線循環浸泡清洗，藥劑采用酸性和堿性清洗藥劑，實時監測清洗狀況，直到清洗完成。

(5)反滲透濃水池

本工程共設計1座半地上式鋼筋混凝土構筑物用于收集反滲透膜廢水，后續用于澆灑道路。內置兩臺潛水泵，泵流量為50 m3/h，揚程為20 m，配用電機功率為30 kW。

3 運行效果及分析

(1)超濾系統在運行期間，處理效果穩定。超濾出水渾濁度小于<0.1 NTU，SDI<1，有效去除了膠體、懸浮物及微生物大顆粒，為反滲透膜裝置的產水奠定了有力的基礎。

反滲透系統出水氟化物出水濃度為0.05～0.10 mg/L，全年去除率均在95%以上，硫酸鹽出水濃度為1.5～4.5 mg/L，全年去除率均在98%以上，對氟化物及硫酸鹽的去除有好的效果。原水、中間產水、出水水質對比如表2所示。

表2 水質對比Tab.2 Comparison of Water Qualities

(2)膜車間出水與活性炭濾池出水按照1∶2混合后，經消毒加壓后供給用戶。混合出水經檢測，其中總硬度211 mg/L，溶解性總固體762 mg/L，硝酸鹽0.28 mg/L，氟化物0.32～1.0 mg/L，硫酸鹽216.5～217.5 mg/L，出水各指標均達到了國家生活飲用水衛生標準。

(3)雙膜系統采用計算機與PLC系統遠端控制，整個系統可實現自動控制，也可調至手動控制。控制裝置前配有有進水電磁閥，主要功能是開機運行壓力緩慢上升，以防瞬間高壓損壞膜元件。自動控制閥、液位開關系統以及自動開關機功能，可有效根據水位控制系統啟閉，當原水水位高產水位低，系統自動開機運行產水，當原水水位低產水高位，系統自動關機停止產水[5]。為防止高壓泵啟動瞬間高壓沖擊反滲透膜，高壓泵設計有電動慢開關。泵前泵后設計壓力開關，泵前壓力過低時，報警自動停泵，泵后壓力過高時，報警自動停泵。整個系統工作穩定，至今未出過狀況。阻垢劑、還原劑、化學清洗加藥等計量泵和對應工藝流程泵聯鎖啟停。

(4)瑞源水廠膜車間總投資1 405萬元，每年平均凈利潤為97.04萬元，系統平均制水成本為1.26元/m3，主要包括電費、膜清洗藥劑費、維修費用及人員工資等。全年電費共計190.75萬元，全年藥劑費用共計36.50萬元。酸堿調和劑投加量為60 mg/L，還原劑投加量為4 mg/L，阻垢劑投加量為50 mg/L。

4 結論與建議

瑞源水廠采用超濾-反滲透雙膜法去除水中硫酸鹽和氟化物，技術先進、處理效果良好。運行至今，穩定產水，對硫酸鹽、氟化物的去除達到了預期效果，出水水質均達到了國家標準。此次武城水廠的升級改造工程，為以南水北調水為水源的水廠改造提供了設計經驗。

超濾膜及反滲透膜造價較高，后續對維修人員要求較高及維修費用較高，這就要求水廠必須加強數據監控，及時進行膜清洗及護理工作，以延長膜組件的使用壽命。

雙膜法可以較好地保證高鹽水的出水水質穩定性，為企業節省更多的水資源，減少了制水成本。