反滲透工藝在生活飲用水處理工程中的應用

摘要：某城鎮水廠生活飲用水供水規模為3 000 m3/d，水源為地下水。根據水源水質開展工藝設計，采用“多介質過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝處理原水。反滲透后水與濾池后水摻混供水，水質穩定達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022），為類似新建或改造項目提供參考。

關鍵詞：生活飲用水；地下水；反滲透；處理

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.071

Application of Reverse Osmosis Process in Drinking Water Treatment Engineering

HOU Jiang1， XIAO Chuanjing2， YAO Kuowei2

（1. Jinan Zhangqiu District Water Supply Co.， Ltd.， Jinan 250200， China;

2. Jinan Municipal Engineering Design amp; Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： The drinking water supply scale of a certain urban water plant is 3 000 m3/d， and the water source is groundwater. According to the water quality of the water source， process design is carried out， and the raw water is treated by using the “multi-media filter + ultrafiltration membrane + reverse osmosis membrane + sodium hypochlorite disinfection” process. The mixed water after reverse osmosis and filter tank is used for water supply， and the water quality is stably meets the Standards for Drinking Water Quality （GB 5749—2022）， thus providing reference for similar new construction or renovation projects.

Keywords： drinking water; groundwater; reverse osmosis; treatment

某城鎮水廠生活飲用水供水規模為3 000 m3/d，水源為地下水，硝酸鹽含量高于10 mg/L，并逐年升高，經檢測，最高含量為19.5 mg/L。同時，現狀水源井的溶解性總固體和總硬度存在階段性超標問題。由于僅做消毒處理無法去除原水中的溶解性總固體、總硬度和硝酸鹽，現狀供水水質不能穩定達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022），存在安全隱患，因此實施水廠水質提升工程。

1 原水及出水水質

根據水源水質監測報告，考慮最不利情況，設定原水水質指標，出水水質必須達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）。設計原水、出水水質主要指標及綜合評價如表1所示。其中，硝酸鹽以N計，總硬度以CaCO3計。

2 處理工藝選擇

生活飲用水水質提升工程需要去除的主要污染物為硝酸鹽，同時考慮同步去除原水中溶解性總固體和總硬度。該項目的硝酸鹽去除率要求最高，去除率應不小于28.35%，總硬度去除率應不小于18.2%，溶解性總固體去除率應不小于9.1%。

2.1 核心工藝確定

溶解性總固體去除工藝包括納濾法、反滲透法、電滲析法、離子交換法和蒸發法等。硝酸鹽去除工藝包括生物反硝化法、反滲透法、電滲析法、脫硝陰離子交換法和化學還原法等。常用的除硬工藝包括石灰-碳酸鈉雙堿法、樹脂軟化法、納濾法和反滲透法等。如表2所示，反滲透膜和致密型納濾膜可同時去除溶解性總固體、硝酸鹽與總硬度，因此可選擇的核心工藝為膜分離法。膜分離法是指不同粒徑分子的混合物通過具有一定選擇透過性的半透膜時，在能量、濃度或化學位差的作用下實現選擇性分離[1]。依據孔徑的不同，半透膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。

反滲透膜孔徑小，能夠有效去除水中的溶解鹽、膠體和微生物等。反滲透綜合脫鹽率通常不小于97%，對水中的一價鹽和高價鹽都有較高的截留率[2]。納濾膜孔徑一般在1 nm左右，分離原理近似機械篩分。納濾膜主要截留分子量高于200的有機物以及二價和多價無機鹽，而對一價鹽的截留率較低[3]。因此，納濾常用于水質軟化、高濃度有機廢水中有機物去除以及制藥、生物化工、食品工業等領域的物料分離[4]。納濾膜對硝酸鹽的脫除率遠低于反滲透膜，從設備投資、運行成本和供水安全等方面考慮，反滲透法更為經濟可靠[5]。反滲透法能同步完成硬度去除、脫鹽、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）脫除等，出水品質高，水質穩定，供水安全性高。反滲透膜脫鹽率高，因此只需要處理部分原水，出水與未處理水混合后供水，可以降低水廠投資和運行成本。膜分離為純物理過程，無相變、無化學反應，所以雙膜法是一種清潔生產工藝。膜系統可全自動運行，操作簡單，易于控制和維修，技術成熟，工程應用廣泛。因此，選用反滲透膜作為核心工藝。

2.2 反滲透膜前端的預處理工藝選擇

反滲透膜進水水質要求高，通常前端需要設置超濾膜進行預處理，組成“超濾+反滲透”雙膜系統。項目現狀地下水濁度和色度較高，水質存在不同程度的污染，原水進入雙膜系統前進行過濾，可以保證進水水質，降低膜元件污堵，大幅提高膜系統效率和使用壽命，實現產水量、脫鹽率、回收率和運行費用的最優設計。最常用的超濾膜為中空纖維超濾膜，根據安裝和運行方式，一般分為2種，如表3所示。

浸沒式超濾膜與外置式超濾膜材質均為聚偏二氟乙烯，土建投資基本相同，運行費用基本一致。與浸沒式超濾膜相比，外置式超濾膜通量較高，因此同樣處理規模的需膜量低，設備投資較低，總體投資也低。浸沒式超濾膜適用于原水水質較好，水中污染物以懸浮物和膠體為主，而硬度及二氧化硅、鐵、錳含量較低的工況。項目原水COD和總硬度高，同時含有較多的二氧化硅、鐵與錳，因此原水進入超濾膜前需要經過“高效沉淀池+臭氧催化氧化池+炭砂雙層濾池”進行預處理。超濾膜進水濁度低，水質好，無須采用浸沒式超濾膜。為了降低工程投資，提高產水水質，確保系統穩定運行，采用外置式超濾膜。

2.3 工藝流程

該項目采用“多介質過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝，基本流程如圖1所示。項目設計供水規模為3 000 m3/d，包括2 200 m3/d反滲透產水和800 m3/d濾池產水。居民不能長期飲用純凈水，考慮水廠運行成本和經濟效益，該項目采用混摻供水方式。混摻前后的水質對比如表4所示。

3 主要構筑物設計

3.1 凈水間

凈水間長和寬均為21 m，高為13 m，提供多介質過濾器、超濾和反滲透設備的安裝空間，并集原水調節池、中間水池、超濾產水池、提升泵房、風機房、空壓機間、清洗間、加藥間、值班室、配電室和中控室等于一體，節約占地面積，方便工藝控制及管理。綜合水池分為原水池和超濾產水池，容積分別為190 m3和160 m3。提升泵房配置原水提升泵、多介質反洗泵、超濾反洗泵和反滲透給水泵各2臺。一層設備間配置4臺多介質過濾器，以石英砂和無煙煤為過濾介質。采用氣水聯合反洗，氣洗強度為15 L/（s·m2），水洗強度為10 L/（s·m2）。

二層設備間配置2臺自清洗過濾器、2套超濾裝置、2套反滲透裝置和2臺反滲透沖洗水泵，分為鼓風機房、空壓機間、清洗間、加藥間和輔助生產房間等。單套超濾裝置凈產水量為85 m3/h，平均膜通量不大于40 L/（m2·h），回收率不小于92%。單套反滲透裝置產水流量為50 m3/h，回收率不小于75%，配套反滲透高壓泵2臺。鼓風機房配置羅茨鼓風機（多介質反洗用）2臺，空壓機間配置螺桿式空壓機2臺，工藝用空氣儲罐、儀表用空氣儲罐各有1個。清洗間配置化學清洗裝置1套。加藥間配置聚合氯化鋁、還原劑、阻垢劑、酸、堿和次氯酸鈉加藥裝置各1套。輔助生產房間細分為值班控制室、化驗室和變配電室。

3.2 其他單體構筑物

新建清水池1座，有效容積為250 m3。供水泵房有1座，配套設置5套供水泵。回用水池及廢水池各有1座，有效容積合計250 m3。回用水池用于儲存超濾膜系統反洗廢水，上清液回收至系統前端。廢水池用于收集化學清洗廢水，調節水量和水質后排至城鎮排水管網。

4 結論

該城鎮水廠以地下水為水源，水中硝酸鹽含量高，溶解性總固體和總硬度存在階段性超標問題。經論證，采用“多介質過濾器+超濾膜+反滲透膜+次氯酸鈉消毒”工藝，實施生活飲用水水質提升工程。項目實施后，硝酸鹽、總硬度和溶解性總固體的去除率可以達到相關要求，供水可以滿足居民用水需求。

參考文獻

1 何興斌.雙膜法工藝在礦井水深度處理中的應用實例[J].凈水技術，2024（1）：118-124.

2 韓嘉瑋，苑宏英，石雪莉，等.二級反滲透系統的工藝結構特征分析[J].工業水處理，2020（11）：120-122.

3 趙 沖，員 建，苑宏英，等.反滲透系統的運行調節及其能耗分析[J].工業水處理，2020（7）：116-120.

4 楊珮瑤，李 鍵，劉 淵.膜技術理論及其在給水深度處理中的應用[J].城鎮供水，2022（3）：4-11.

5 程 峰，員 建，苑宏英，等.反滲透系統倒向運行工藝的技術特點[J].天津城建大學學報，2022（2）：137-140.

作者簡介：侯將（1973—），女，山東濟南人，高級工程師。研究方向：供水處理技術應用及水廠管理。