反滲透技術在農村苦咸水淡化工程中的應用*

楊景天，趙虎群，賀全紅（1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅蘭州730020；2.甘肅省膜分離工程技術研究中心，甘肅蘭州730020）

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反滲透技術在農村苦咸水淡化工程中的應用*

楊景天1,2，趙虎群1,2，賀全紅1,2
（1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅蘭州730020；2.甘肅省膜分離工程技術研究中心，甘肅蘭州730020）

摘要：我國是一個干旱缺水的國家,人均淡水資源嚴重不足,尤其西北地區水資源嚴重匱乏尤為突出。但在西北地區,苦咸水資源盆藏豐畜。因此，利用科學合理的技術對苦咸水進行淡化處理是開辟淡水資源、解決水資源不足問題的重要途徑。苦咸水作為農村飲用水已嚴重危害著人們的身體健康，反滲透膜技術因其具有過程無相變、產水質量高、設備占地面積小、操作靈活簡便等特點，在苦咸水淡化過程中具有顯著優勢，本文介紹了反滲透膜技術在苦咸水淡化方面的應用和工程案例。

關鍵詞：反滲透；苦咸水；淡化工程；應用

水,是生命之源,是一種非常重要的資源,中國是水資源大國,但同時也是人均水資源貧國,其人均水資源量為2220m3,居世界第10位之后。在中國,通過飲水發生和傳播的疾病就有50多種。最近幾年,國家加大了農村飲水解困工作的力度,把解決飲水問題作為水利工作的首要任務。但是,飲水安全形勢仍然十分嚴峻。一些地區飲水存在水質嚴重不達標、供水保證率低、水性地方病等問題。尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水質問題，嚴重影響著人民群眾的身體健康。據衛生部門和水利部門的初步調查以及聯合國評估,我國還有3億多人飲水不安全。主要是高氟水、高砷水和苦咸水問題。高氟水主要分布在華北、西北、東北和黃淮海平原地區。苦咸水主要分布在北方特別是西部和東部沿海地區。通常將含鹽量高于1000mg/L并在15000mg/L以下的天然水、地面水和自流井水稱為苦咸水[1]。我國農村飲用苦咸水的人口為3800多萬,苦咸水主要是口感苦澀,很難直接飲用,長期飲用苦咸水會引起高血壓、心血管等方面的疾病[2]。此外,流行病學調查顯示,苦咸水對泌尿系統結石的形成有促進作用[3，4]。因此,解決維系生命存在的飲用水問題已刻不容緩。本文主要介紹反滲透膜技術在苦咸水淡化過程中的應用研究和工程案例。

1　苦咸水淡化的主要方法

1.1蒸餾法

蒸餾法就是把苦咸水或海水加熱使之沸騰蒸發,再把蒸汽冷凝成淡水的過程。蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化法,其主要優點是結構較簡單、操作容易、所得淡水水質好。蒸餾法有許多種，如多效蒸發、多級閃蒸、壓汽蒸餾、膜蒸餾等。

1.2電滲析法

電滲析法利用離子交換膜在電場作用下,分離鹽水中的陰、陽離子，從而使淡水室中鹽分濃度降低而得到淡水的一種膜分離技術。電滲析裝置是利用離子在電場的作用下定向遷移，通過選擇透過性的離子交換膜達到除鹽目的。電滲析苦咸水淡化技術已比較成熟，具有工藝簡單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環境等主要優點,但存在對水質要求較嚴格、需對原水進行預處理等缺點。20世紀50年代，美國、英國開始將這種方法用于苦咸水淡化，中國在20世紀80年代將此法用于苦咸水淡化、工業用純水和超純水制造。電滲析過程的能耗與給水含鹽量有密切關系,給水含鹽量越高,能耗越大,因此電滲析法適用于低鹽苦咸水的淡化[5]，根據我國目前國情,處理高鹽苦咸水的能耗過大,不經濟。

1.3反滲透法

反滲透是在濃溶液一邊加上比自然滲透更高的壓力，扭轉自然滲透方向，把溶液中的離子壓到半透膜的另一邊，這與自然界的正常滲透過程相反，故稱之為“反滲透”，這種裝置稱為反滲透裝置。反滲透苦咸水淡化法可以從水中除去90%以上的溶解性鹽類和99%以上的膠體微生物及有機物等。與其他水處理方法相比具有無相態變化、常溫操作、設備簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應范圍廣、自動化程度高和出水質量好等優點。

綜上,反滲透就是將溶液中的溶劑,在壓力下用一種對溶劑有選擇透過性的半透膜使其進人膜的低壓側，而溶液中的其它成分被阻留在膜的高壓側得到濃縮的過程。在一定的壓力下，水分子可以通過反滲透膜，而水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法通過，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來[6]。用反滲透膜技術淡化苦咸水,在諸多方面具有其他方法沒有的以下優點[7]。

1）反滲透是在常溫條件下,采用無相變的物理分離方法使水得以淡化,水的處理僅依靠壓力作為推動力能耗較低。

2）工藝流程簡單、操作方便,有利于實現水處理的連續化和自動化；產品水質穩定,出水質量較高。

3）適用于較大鹽度范圍的原水水質。

4）設備裝置結構緊湊,占地面積少,運行維護和設備維修工作量極少。

5）可以從水中去除95%以上的溶解性鹽類和9%以上的膠體、微生物及有機物等。

6）反滲透膜分離過程是清潔生產過程,不使用化學試劑,不排放再生廢液,不污染環境。

2　反滲透在苦咸水淡化中的應用實例

2.1項目概述

2.1.1原水水質

以下為甘肅省平涼地區，原水經原水泵增壓經過多介質過濾器+活性炭過濾器+高壓泵+反滲透膜組件到淡水池，最后有供水泵輸送至用水點。原水水質指標見表1。

表1　原水水質

2.1.2產水水質和水量要求

水質：達到《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006）。

水量：100m3/h。

脫鹽率：75%。

勾兌水量：30m3/h。

2.2工藝流程介紹

本套系統主要由預處理+反滲透RO+供水部分組成工藝，系統設計以反滲透為核心設備，多介質過濾器、活性炭過濾器、阻垢劑加藥系統、保安過濾器等為預處理，保證反滲透系統的正常運行，反滲透系統為脫鹽系統；保證出水水質指標，使產品水符合《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006）。后續處理將勾兌后的清水通過供水泵加壓輸送至供水管網，如圖1所示。

圖1　RO制水系統

2.3主要設備及功能說明

2.3.1原水池

原水池的作用是儲存一定量的原水，以保證后續供水穩定性。本系統中原水池采用地下式鋼精混泥土結構，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開關以檢測水池液位，含有電磁控制閥、管件及液位控制器。

2.3.2原水泵

原水泵的作用是將原水箱的出水經提升至后續處理單元。本系統選用3臺上海連成本泵（2用1備）,設計流量：70m3/h，設計揚程：32m，功率：15KW，過流部件材質：SUS304。

2.3.3多介質過濾器

采用多介質過濾器的作用是過濾去除水中較大顆粒的懸浮物，減小精密過濾器濾芯的更換頻率。多介質過濾器須定期反沖洗，以去除截留的懸浮物。

多介質過濾器由罐體、操作閥組、精選水處理無煙煤、多級石英砂和必要的管路組成。

本設計中采用多介質過濾器1臺，產水量140m3/h，運行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質為碳鋼防腐。

2.3.4活性炭過濾器

由于反滲透膜為高分子材料，水中的余氯很容易與其發生氧化反應從而造成膜性能的下降，甚至損壞反滲透膜組件，而活性炭過濾器可以很好地吸附去除管網自來水中的余氯。此外活性炭過濾器還可以有效地吸附去除水中的色度，以及部分有機物、膠體硅、異味。因此，有必要在反滲透裝置之前設置活性炭過濾器對原水進行處理。

活性炭過濾器由罐體、操作閥組、精選水處理優質活性炭和必要的管路組成。

本設計中采用活性炭過濾器1臺，產水量140m3/h，運行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質為碳鋼防腐。

2.3.5精密過濾器

原水經過多介質過濾器之后，部分大顆粒雜質被除去，水的濁度降低，為防止高壓泵的葉輪磨損和保證反滲透膜的安全，在高壓泵之前設精密過濾器，以去除細小的懸浮物和顆粒。過濾精度為5um，可有效保證出水濁度＜1NTU。

本系統采用直徑為1000mm的精密過濾器一臺，過流材質為SUS304。

2.3.6高壓泵

反滲透膜元件對水中的離子具有選擇透過性，因而在反滲透濃水側和產水側存在著滲透壓差，這樣就必須要有外界的壓力來克服滲透壓差才能夠使反滲透裝置正常工作并達到設計要求，外界的壓力通過高泵來提供。

高壓泵都采用丹麥格蘭富立式多級離心高壓泵，其具有運行壓力穩定，噪音小，使用壽命長等特點，共2臺，流量70m3/h，揚程210m，功率75KW,為材質為SUS304。

2.3.7反滲透（RO）脫鹽系統

反滲透系統主要去除水中溶解鹽類，同時去除一些有機大分子等。該系統包括反滲透裝置、清洗系統等。本工程中，采用美國陶氏公司性能優越的BW30-365系列聚酰胺復合膜共120支，單支膜穩定脫鹽率：99.5%,膜通量9500GPD,該膜具有高流量、高脫鹽率的優點。

反滲透裝置綜合脫鹽率＞98%，可脫除水中絕大部分的鹽份及大分子有機物，起到苦咸水淡化的作用。

反滲透裝置配有相關的流量計、壓力表、電導儀、取樣裝置和相關的控制元件。反滲透濃水側設置電動排放閥，在反滲透裝置開啟前進行低壓沖洗和停用時置換膜元件內的濃水，防止停用后無機鹽在膜元件內沉淀。

RO系統運行期間對水質進行分析，余氯0.005～0.01mg·L-1、pH為7.3～8.2，溶解性有機物（TOC，以C計）＜0.5mg·L-1，SDI＜5。石英砂、活性炭過濾前處理系統產水水質完全滿足反滲透進水要求。

反滲透膜運行一段時間后，膜表面會被鹽分污堵，會使反滲透膜元件的脫鹽率降低，膜通量減小，所以必須要定期進行清洗。清洗裝置由清洗泵、清洗箱以及相關的流量計、壓力表、精密過濾器、閥門、管路系統等。

RO系統操作條件見表2。

（三）學生情感的教育，對其影響和形成不是一蹴而就的事情，更不是在教師強行指導學習情景下能夠完成的。它需要的是教師和學生交流合作的基礎上，經過理論學習到實踐升華再到實際運用這樣一個周而復始的過程，所以在對初中學生的情感教育上，教師應該遵循由簡單到復雜、由容易到困難、由近期目標到長遠目標的合乎發展的教育教學規律，從培養一個積極向上、熱情奔放、善于助人的中學生到以后養成良好教育的優秀接班人的一個過程，這是符合孩子們身心發展規律的。因此，教師應注意從點滴做起，在細小之處關愛孩子們，這才是為孩子情感的成熟打下堅實的基礎。

2.3.8淡水池

淡水池的作用是儲存一定量的淡水，以保證后續供水穩定性。本系統中原水池采用地下式鋼精混泥土結構，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開關以檢測水池液位，含有電磁控制閥、管件及液位控制器。

表2　RO操作參數

2.4工程調試與運行效果

2.4.1工程調試

多介質過濾器、活性炭過濾器均為手動操作，當系統壓差達到0.05MPa時，分別對其進行反沖洗，沖洗步驟均為反沖洗25min，然后正沖洗15 min。系統采用PLC＋觸摸屏組合實現自動控制。系統內所有電機和其他元件均采用程控/手動兩種操作方式，除此以外系統配有調試模式以便檢修維護，集控操作統一由PLC實現。

高壓泵的啟停與一級供水水壓相關，實現二級反滲透的自動運行，RO沖洗閥選用慢開電動閥，保證RO系統壓力平滑增長，預防水錘現象損壞膜元件，延長膜元件的使用壽命。

反滲透裝置安裝完成后，在運行反滲透設備前，要進行必要的調試，下面介紹了反滲透設備的安裝調試步驟。

1）對裝置的金屬進行分析、測試，結果表明符合進水要求，方可進行裝置通水調試。

3）檢查裝置所有管道之間連接是否完善，壓力表是否齊全，低壓管道連接是否緊密，是否短缺。

4）全開個壓力表開關和總進水閥、濃水排放閥、產水排放閥。

5）啟動預處理設備，并調整供水量大于裝置總進水量。

6）待出水無甲醛氣味，關閉裝置總進水閥。

7）啟動高壓泵，并緩緩開啟裝置總進水閥，控制裝置總進水壓力小于0.5MPa，沖洗5min，并檢查各高、低壓管路、儀表是否正常。

8）調整進水閥、濃水排放閥，使進水壓力達到1.7～2.2MPa且產水量、濃排水量的比例為3:1。

9）檢測產品水電導率，符合要求時開啟產品出水水閥，關閉產水排放閥。

10）RO裝置的調試均是手動單步曹組，運行正常后，方可切換到自動狀態，由在線儀表及PLC自動控制運行。

2.4.2運行效果

本套反滲透系統投入使用至今，運行穩定，產水質量高。反滲透淡化水產量:100m3/h，系統回收率: 75%;鹽率:＞95%，反滲透淡化水水質:完全符合GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》指標。產水質指標見表3。

表3　產水水質

2.5經濟分析

該項目總投資為280萬元，其中土建工程投資120，設備工程投資為160萬元，技術服務及其它費用為25萬元。處理成本為1.65元/m3，含電費為1.1 元/m3、藥劑費為0.20元/m3、人工費為0.35元/m3，不含折舊、維修費用等。

2.6結論

通過上述工程實例證明，針對西部地區水資源缺乏,苦咸水資源豐富的特點,結合西部地區經濟較落后的現狀,采用反滲透技術使苦咸水淡化的技術是可行的[8]。反滲透膜技術因其諸多優勢而成為苦咸水淡化過程中的主流技術,為了更好地促進該技術的發展及優勢的發揮,也應考慮反滲透濃水處理及膜集成技術的研究和應用,反滲透膜技術在制取淡水的同時也對雜質進行了高度濃縮,因此需妥善處理好反滲透濃水,采取科學有效的技術和方法加強對濃水的處理和綜合利用,避免對土壤、地表水或海洋環境等帶來不利影響,從而實現濃水的無害化及資源化；在利用反滲透技術進行苦咸水淡化的應用過程中,應根據其他膜分離技術的特點將其集成于工藝系統中,發揮集成膜技術在苦咸水淡化中的優勢作用[9]。

參考文獻：

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[9]李江，孟慧琳.反滲透膜技術在我國苦咸水淡化中的應用[J].全國苦咸水淡化技術研討會文集,2013，7（8）：118-122.

*基金項目：甘肅省中小企業創新基金項目（1504JKCA045）。

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