地下水硝酸鹽超標問題處理方案實踐探究

趙文玲 孫國臣 李建偉

(濰坊市水利事業發展中心，山東 濰坊 261061)

濰坊市地處山東半島中部，人均水資源占有量298m3，不到全國人均占有量的1/7，屬于嚴重缺水地區。農村人口眾多、地形條件復雜、水源嚴重短缺、水質情況多樣是濰坊市農村飲水的真實寫照。經過多年努力，濰坊市農村飲水安全得到解決，供水保證率、水質達標率和群眾滿意度持續穩定在較高水平。但以地下水為水源的青州市、壽光市，近年來通過監測，硝酸鹽指標呈上升趨勢，已接近放寬限值。2017年，青州市、壽光市通過申請省市補助資金項目，實施了深度處理工程建設，處理效果十分明顯，經濟和社會效益十分顯著。

1 硝酸鹽指標上升的原因及危害

濰坊市現有農村“千噸萬人”規模化供水水廠50處，水源以本地地表水和地下水為主，黃河水、長江水等客水水源為輔。受水源限制，北部的青州市和壽光市均以地下水源為主，2017年統計數據顯示，青州市有10處農村供水水源，均為地下水；壽光市有6處農村供水水源，5處為地下水源。地下水源井四周多農田，尤其是青州市和壽光市大棚種植面積擴大，農業施肥、生活污水等含氮有機物通過農田灌溉或雨水沖刷，下滲到地下，污染地下水，導致硝酸鹽濃度升高；畜牧業、養殖業的發展，使禽獸養殖的糞便堆積后，經雨水沖涮，污染地下水源；村鎮企業生產的含氮廢水未經處理排出，對水源造成污染。2016—2017年濰坊市農村供水水質檢測結果統計顯示，地下水源中硝酸鹽指標呈日趨增長趨勢。

硝酸鹽污染危害分為對人體的危害和對動物的危害[1]，降低水廠硝酸鹽指標減少硝酸鹽污染是保障群眾飲水安全的重要措施。

2 典型水廠情況分析

濰坊市選取青州市龍泉水廠和壽光市東城水廠兩處典型水廠，增設硝酸鹽深度處理設施，探索研究消除地下水中硝酸鹽超標問題。

2.1 典型水廠現狀

a.水廠水源單一，供水范圍廣、任務重。青州市龍泉水廠水源為地下水，有深水井9眼，水處理能力為1萬m3/d，水廠承擔著經濟開發區30個村和徐七社區等4個社區3.81萬人以及東夏鎮72個村4.88萬人的供水任務，同時承擔開發區50家企業的供水任務。壽光市東城水廠設計日供水能力為3萬m3，主要承擔羊口鎮、營里鎮道口片區、侯鎮、洛城街道等鎮街、村共15.94萬人的供水任務，是農村飲水安全的重要組成部分。

b.水處理工藝簡單，水質難以保證。兩處水廠原水處理工藝簡單，供水采取水源井抽水，經過消毒后直接給用戶直供的方式，出廠水未經過水處理設備處理，可能存在水源水水質超標現象，出廠水難以保證水質安全。

c.硝酸鹽超標明顯，影響飲水安全。檢測數據顯示，2017年青州市龍泉水廠出廠水中硝酸鹽濃度曾達到21.43mg/L，壽光市東城水廠個別取水井硝酸鹽濃度達到23.00mg/L，超國家標準放寬限值，影響供水范圍內飲水安全。

2.2 新增處理設施可行性分析

2.2.1 水源滿足要求

青州市龍泉水廠水質凈化工程提升被列入“十三五”規劃，項目被列入省級地方資金項目庫，2017年已完成龍泉水廠水質凈化工程建設。目前已實現與億邦供水中心聯網，龍泉供水中心將作為青州市中部較大規模的集中供水中心進行規模化供水，日供水量可達到3萬m3以上。

壽光市東城水廠改造前設計供水能力為3萬m3/d，改造前水源情況能滿足要求,擬定改造后水處理能力為2.3萬m3/d。

2.2.2 凈水技術可行

兩處水廠新增處理設施均采用旋轉錯流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝，該種水處理工藝出水穩定、水質優良、產水率高，對硝酸鹽和硬度處理效果理想，已獲得國家發明專利授權，且農村飲水項目已實施多年，集中供水工程的輸水、供水技術成熟可靠。

2.2.3 資金來源有保障

青州市龍泉水廠項目投資2262.97萬元，壽光市東城水廠項目投資2406.48萬元，分別由省級財政、市級財政、縣級資金及公司自籌資金組成。

2.2.4 建后管理規范

工程建成后歸青州市龍泉水務有限公司和壽光市自來水有限責任公司所有及管理。

3 凈水工藝設計

3.1 膜分離技術原理

膜分離技術原理是使用天然或者人工合成的高分子膜，在外界推動力(壓力差、電勢差、濃度差、化學位差)的作用下，依靠膜的選擇透過性特點，小分子物質能夠自由通過半透膜，對于大分子物質，選擇性膜不對其有透過性而被截留下來，從而完成對多組分中的物質進行分離、提純、濃縮[2]。

根據膜的不同構造及功能作用，將膜技術分為微濾、超濾、納濾和反滲透等[3]，可應用在飲用水、工業污水的處理及海水淡化中，在進行飲用水處理過程中需要多個不同功能的薄膜形成一組集成膜，確保分離出的水質質量[4]。

3.2 凈水工藝比選

以青州市龍泉水廠為例，預處理選取傳統快濾工藝、中空纖維膜超濾工藝、旋轉錯流式超濾工藝進行比選，通過對藥劑費、反沖洗費、濾材更換費等進行綜合測算可知，相比于傳統快濾工藝，旋轉式超濾工藝運行費用可節約127.8萬元/年；相比于中空纖維膜超濾工藝，費用可節約86.9萬元/年。

深度處理工藝選取低壓納濾和反滲透過濾工藝進行比選，通過對噸水濾膜更換費、噸水藥劑費、噸水水電費等進行綜合測算可知，相比于低壓納濾工藝，反滲透工藝運行費用可節約107.3萬元/年。同時采用反滲透工藝，因出水水質極優，可將部分原水與超濾產水合理勾兌，其出水水質仍可以達標，進而降低一次性投資和制水成本。

若凈水工藝采用旋轉錯流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝，井水可直接進入超濾系統，無須設置任何過濾設備或保安過濾器；超濾設備通過膜組件的液下旋轉實現高效錯流操作，消除濃差極化，實現膜表面自我清潔，防止顆粒物質造成膜堵塞；綠色環保，無須使用絮凝劑等化學藥劑，制水過程無污泥排放。

經綜合比選，兩處水廠采用旋轉錯流式超濾-反滲透雙膜法水處理工藝優勢明顯。

3.3 雙膜法工藝設計

3.3.1 設計原理

超濾膜可以有效去除水中的膠體、蛋白質、微生物等大分子物質，反滲透膜對于一價離子，如鈉離子、鉀離子、氯離子等有很高的截留率[3]，硝酸鹽作為一價的硝酸根離子，通過反滲透膜截留直接濾除，去除率達95%。并且通過超濾膜系統去除水中的懸浮物和膠體物質，可以保護后面的反滲透膜，獨特的旋轉錯流式超濾設備，可以防止顆粒物質造成的膜堵塞，為反滲透提供濁度小于0.1NTU的“超濾水”。反滲透膜系統不僅可以去除硝酸鹽，還可以有效地降低水硬度。

3.3.2 主要參數

超濾膜系統采用旋轉錯流式超濾膜，使用一體化不銹鋼膜箱，膜組件加載0.04μm進口平板式PES材質超濾膜片，支撐板材質為聚丙烯(PP)，膜組件主體為304不銹鋼材質，膜通量為60～70L/(m2·h)，出水量為432～504m3/h。

3.3.3 工藝流程

以青州市龍泉水廠為例，井群提水管網出水直接進入超濾膜系統，利用超濾膜的篩濾、截留作用去除水中懸浮物、膠體類物質和細菌等，從而極大地延長后續反滲透膜的使用壽命；超濾膜系統出水進入中間水池，經泵提升至反滲透膜系統，反滲透膜系統產水8200m3/d，與原水5800m3/d混合進入清水池，清水池池水經加氯消毒后由變頻供水機組提升，最終送入供水管網供給用戶(見圖1)。

圖1 青州市龍泉水廠水處理流程

3.3.4 廢水處理與排放

以青州市龍泉水廠為例，超濾和反滲透濃水混合后排放，新建濃水池和長度約2km的DN150排放管道，預計總排放量為1550m3/d(指標值見表1)，排放標準執行《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)表4中其他排污單位的二級標準。經環保部門允準后，工藝廢水排入污水處理廠經統一處理后再利用。

表1 廢水排放情況與執行標準

4 實際效果及效益分析

4.1 出廠水水質分析

工程試運行階段，建設單位委托第三方公司對出廠水進行檢測，青州市龍泉水廠出廠水硝酸鹽檢測值為5.760mg/L，壽光市東城水廠出廠水硝酸鹽檢測值為4.053mg/L，達到預期標準要求。

自2018年11月處理設施運行以來，青州市龍泉水廠為降低生產成本，采取隔天開機組的方式，反滲透膜系統產水與深井原水勾兌比例為2∶3，硝酸鹽月檢測范圍在8.460～15.700mg/L之間；壽光市東城水廠為降低生產成本，根據實踐經驗，按照供水量在2.3萬m3以下的開2套機組，在2.3萬m3以上的開3套機組的方式，反滲透膜系統產水與深井原水勾兌比例為4∶1，硝酸鹽檢測范圍在4.030～16.200mg/L之間，檢測值均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中地下水源限制要求。同時雙膜法有效地降低了出廠水的總硬度，青州市龍泉水廠總硬度檢測范圍在320～400mg/L之間，壽光市東城水廠總硬度檢測范圍在240～388mg/L之間，檢測值均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求。

4.2 產生的相關效益分析

增設硝酸鹽深度處理設施后，兩處水廠出廠水水質穩定達標，符合國家飲用水標準，供水水質明顯改善，供水保證率和群眾滿意度明顯提高，促進了供水區域工農業生產的發展，社會效益較好。

a.保障供水水質。通過工藝改造，兩處水廠供水水質明顯改善，水質均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求，為農村居民提供了安全放心的飲用水，居民與飲用水相關的各類疾病(如胃腸道)明顯減少，村民的健康程度大大提高。

b.滿足供水需求。工藝改造后，兩處水廠保障了周邊村莊飲用水安全及企業的生產生活用水需求，建立了良好的供水秩序，轄區內供水保證率達到95%以上。

c.維護社會安定。隨著飲用水質量的提高和用水條件的改善，村民的生活環境和日常衛生習慣也得到較大改變，村民可以節省大量時間用于發展經濟和參與各項文化娛樂活動，提高了群眾的滿意度和幸福感。同時有效地解決了由農村水資源分配不當而引發的各類問題，有利于村與村之間及村民之間的和諧相處，增強了村民的安全感和穩定感，實現了農村居民安居樂業，維護了社會安定。

5 結 語

總體來講，兩處水廠增設硝酸鹽深度處理設施，采用井水—超濾—中間水池—反滲透—清水池—用戶水處理工藝可以有效地解決硝酸鹽及總硬度偏高的問題，解決成本高、處理效果不好的難題，改善了供水水質，提高了供水保證率，保障了水廠出廠水穩定達標，對同類型以地下水為水源，且硝酸鹽濃度較高的水廠改進水處理工藝有較好的參考價值。