超濾反滲透組合工藝在水廠硝酸鹽深度處理中的工程應用

李 潔

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

市政給水常規(guī)凈水工藝通常以去除渾濁度為主要目標。若要解決原水中嗅、味、有機污染等具體問題，進一步提高水廠供水水質，需針對性設計深度處理工藝。深度處理工藝一般包括活性炭吸附、臭氧-生物活性炭、膜處理、各種高級氧化技術等。工程中應用較多的是以去除有機物為目標的臭氧-生物活性炭技術，以保障出水水質渾濁度控制(≤0.1 NTU)和生物安全為目的超濾膜技術[1]，以及兩者聯(lián)用技術[2-3]。但是對于一些原水中有較高溶解性鹽分(如氯離子、硫酸根、硝酸根等)的水廠，以上工藝無法有效解決無機鹽階段性超標的問題。根據(jù)山東某水庫型水廠水源水質特點和出水水質進一步提升的要求，本文介紹了超濾反滲透雙膜組合工藝[4]用于給水深度處理的工程案例，以期為今后類似水廠的升級改造設計提供參考。

1 原水來源及特點

山東省某水庫水源地，調蓄本地雨水作為水廠的原水。干旱季節(jié)為保證正常的供水需要，水庫由膠東調水干渠引水調蓄，每年引“客水”約500萬m3。客水進入水庫后與本地水混合后備用，水質存在一定波動。根據(jù)近3年水廠進水水質檢測報告，原水主要存在硝酸鹽時有超標的問題，而水廠現(xiàn)有的混凝沉淀過濾消毒的常規(guī)處理工藝無法有效去除無機鹽，引起同期出廠水曾出現(xiàn)硝酸鹽超標的情況(圖1)，存在供水安全隱患。圖1中部分月份常規(guī)處理出水硝酸鹽濃度相較于進水顯著增高，不排除采樣或者實驗室測定誤差，也有可能系統(tǒng)中出現(xiàn)了部分累積現(xiàn)象。

圖1 進水及常規(guī)處理出水硝酸鹽濃度Fig.1 Nitrate Concentration in Water before and after Conventional Treatment Process

2 工藝原理及流程

水廠原水硝酸鹽高的案例并不多，一般出現(xiàn)在面源污染較嚴重的水庫水或者一些地下水水源中。國內外文獻報道中，粉末活性炭法[5]對硝酸鹽的去除極為有限；超濾和顆粒活性炭聯(lián)用法[6]主要還是依靠活性炭吸附作用，長效性難以保證，經(jīng)濟性一般。原水碳源不足，且進水硝酸鹽濃度不穩(wěn)定，用反硝化濾池法外加碳源很難控制。同時，掛膜微生物需適應的負荷變化較大，此外也存在剩余碳源進一步反應生成消毒副產(chǎn)物的風險。人工濕地[7]相對有效但占地面積大，用地問題需進一步解決。目前條件下，海水淡化工程中應用較為成熟的雙膜工藝仍是硝酸鹽去除較為有效的手段。

膜處理技術根據(jù)膜孔徑的不同，可以分為微濾、超濾、納濾以及反滲透。對于溶解性鹽，超濾膜孔徑相對較大。納濾膜可有效去除多價離子，降低水的硬度，但一價陰離子的鹽可以大量滲過膜[8-9]。反滲透脫鹽主要應用于海水及苦咸水淡化。對于硝酸根離子超標的問題，鑒于納濾對單價離子的截留率相對較低，推薦采用反滲透膜。反滲透膜孔徑小，砂濾后出水直接進入反滲透膜會降低膜的工作周期及減少使用壽命。因此，通常在反滲透膜前增加預處理，目前常用的預處理工藝是超濾工藝。以超濾作為反滲透的預處理工藝，不僅出水水質好(SDI值一般可控制在3以下)，而且可以大大提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低反滲透化學清洗的頻率。綜合考慮工程投資、運行成本、管理維護等因素，建議采用超濾-反滲透系統(tǒng)作為推薦的深度處理工藝。改造后的水廠工藝流程如圖2所示。

圖2 改造后水廠工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of WTP after Reconstruction

3 設計參數(shù)及水量平衡

由于該工程原水偶有超標，且超標值除極個別數(shù)據(jù)外與國標允許限值相差不大。因此，工程設計時，可考慮采用部分水通過反滲透處理后，與經(jīng)過常規(guī)處理的水混合，以保證水廠總體的高品質出水。根據(jù)原水統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照95%的保證率，膜系統(tǒng)進水硝酸鹽濃度設計取值12.5 mg/L。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，硝酸鹽離子最大出水濃度允許值為10 mg/L。

膜系統(tǒng)基礎設計參數(shù)主要是設計膜通量和系統(tǒng)回收率[10]。根據(jù)《城鎮(zhèn)給水膜處理技術規(guī)程》(CJJ/T 251—2017)，膜通量為30～80 L/(m2·h)，超濾系統(tǒng)回收率不低于90%。本工程平均設計通量取53 L/(m2·h)，超濾系統(tǒng)產(chǎn)水率不低于93%。對于反滲透系統(tǒng)，設計通量取22.6 L/(m2·h)，基于濃水需達標排放(TDS≤2 000 mg/L)的考慮，反滲透系統(tǒng)回收率不能太高，取75%，反滲透脫鹽率為98%。同時，考慮水溫對膜系統(tǒng)運行影響較大，設計出廠水硝酸鹽離子濃度距離標準限值適當留有余量，取9.68 mg/L。水廠供水規(guī)模為5萬m3/d。基于以上設計參數(shù)進行水量勾兌平衡計算如表1、圖3所示，由此確定深度處理規(guī)模為1.8萬m3/d。

表1 水量勾兌計算Tab.1 Calculation of Water Blending

圖3 水量平衡圖Fig.3 Equilibrium Diagram of Water Quantity

根據(jù)水量勾兌計算的結果，可進一步測算出雙膜系統(tǒng)實施前后水質指標改善情況，如表2所示。

表2 改造前后水質指標對比Tab.2 Comparison of Water Quality Indexes before and after Reconstruction

4 膜系統(tǒng)設計

深度處理設綜合膜車間1座，內設超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)及附屬處理構筑物(圖4)。土建地上兩層，地下一層。由于場地條件不規(guī)整，單體布置依地形條件設計。在廠區(qū)西側預留用地按進水(常規(guī)處理來水)及出水(清水池)的方向及工藝流程要求,在地下由東向西布置超濾進水池、反滲透產(chǎn)水池、提升及反洗泵房、超濾產(chǎn)水池、濃水池、廢水泵房。地上一層設置加藥反洗、空壓機室、辦公、水質間等附屬設施，地上二層為膜組件。配電間根據(jù)地形特點設置于一層東北角，靠近二級泵房變配電間。為滿足現(xiàn)有排泥水與膜車間生產(chǎn)廢水混合排放的需求，配電間下疊合混合池1座。

圖4 膜車間平面布置方案Fig.4 Layout Scheme in Membrane Unit

超濾系統(tǒng)設置3臺超濾供水泵(2用1備)，采用變頻恒定流量控制，通過出水流量的信號反饋為超濾系統(tǒng)提供恒定流量的進水。同時設置2臺過濾精度為100 μm的自清洗過濾器，將可能造成膜損壞的、較大的機械性雜質過濾，防止原水中的異物進入超濾膜系統(tǒng)，對膜造成損壞。進水加殺菌劑，進一步去除水中的細菌和微生物，避免超濾膜發(fā)生生物污染，保障超濾膜的性能和壽命[11]。4套超濾膜主機為本系統(tǒng)的核心部件之一，大部分的細菌、藻類、膠體物質、大分子有機物和微小(大于0.05 μm)的顆粒物質可以在此去除，操作周期為45～60 min。超濾運行一定時間后，會在膜的表面形成一層污染層，以組件為單位依次自動進行反洗，去除被截流的懸浮物、膠體和大顆粒物質等，以恢復膜的水通量。設置2臺超濾反洗泵(1用1備)，反洗時，由反洗泵從超濾產(chǎn)水池內將水由超濾(UF)膜組件的清水出口反向泵入中空纖維膜內進行清洗。同時，根據(jù)運行情況，按一定的周期對膜作化學加強清洗，去除膜上黏附的細菌、藻類、水垢和有機物等，使其膜通量得到良好的恢復。

反滲透系統(tǒng)設置3臺反滲透供水泵(2用1備)，4臺精密過濾器，精密過濾器用于去除大于5 μm的顆粒物，保護反滲透膜元件。設置4臺反滲透高壓泵，用于反滲透系統(tǒng)的增壓。同時反滲透工藝在運行過程中，污染物/鹽分在濃水側濃縮，超過了在水中的自然溶解度，容易造成濃水結垢。配置1套阻垢劑添加裝置來破壞反滲透膜濃水側垢的形成及晶體晶格結構減輕結垢趨勢。設置4套反滲透主機，用于去除水中溶解鹽類、小分子有機物等。設置1臺反滲透沖洗泵(1用)，可自動沖洗膜元件表面，將膜表面的污染水置換成凈化水，減輕表面沉積物的污染，從而保證膜元件的正常壽命。由于濃差極化，反滲透膜表面仍可能會產(chǎn)生各類污垢，致使反滲透膜性能下降、產(chǎn)水量下降、脫鹽率下降，這時必須進行化學清洗來恢復膜的透水量。反滲透機組與超濾機組共用1套化學清洗裝置。對于不同的膜污染類型，應選擇具有針對性的清洗劑，實際運行時可進行膜元件抽樣檢驗，參考膜廠家提供的技術手冊選用單一或多種清洗劑。設計過程中需考慮幾種不同藥劑儲存及切換的可能性。清洗周期應在同樣產(chǎn)水量下膜運行壓力超過10%或同等壓力下產(chǎn)水量減少10%時清洗，膜的通量恢復較好。膜車間排出濃水與沉淀池排泥水、濾池反沖洗水混合后，SS：345 mg/L，TDS：1 820 mg/L，可排入廠外污水管網(wǎng)(標準限值：SS≤400 mg/L，TDS≤2 000 mg/L)。同時實際運行時，若原水水質條件較好，TDS能滿足雜用水水質標準，可考慮用于廠區(qū)綠化澆灑等。

5 運行成本分析

生產(chǎn)成本按其與產(chǎn)量變化的關系分為可變成本與固定成本。固定成本包括企業(yè)管理費用、人員工資、固定資產(chǎn)折舊費、修理費等。實際運營時比較重要的指標為可變成本。按照電費0.6元/(kW·h)，每年運行8 000 h，超濾膜9年壽命，反滲透膜6年壽命計算：折算到雙膜系統(tǒng)進水規(guī)模1.67萬m3/d，成本為1.23元/(t水)；折算到水廠供水規(guī)模5萬m3/d，成本為0.32元/(t水)。測算成本組成如表3所示。

表3 運行成本計算Tab.3 Calculation of Operation Cost

6 結語

本文結合工程實例,就特定水質條件下總結了超濾-反滲透系統(tǒng)用于水廠深度處理的設計要點，結論如下。

(1)超濾-反滲透組合工藝可針對性地去除硝酸根等無機鹽離子，適用于某些水庫型水源水廠深度處理工程。

(2)超濾-反滲透組合工藝產(chǎn)水率較低，從經(jīng)濟性角度出發(fā)，工程實踐中可結合水量平衡計算結果進行勾兌處理。

(3)膜通量和系統(tǒng)回收率是膜系統(tǒng)重要的設計參數(shù)，設計時需充分復算和校核。同時為保障出水水質、盡量提高膜使用壽命，對于不同的膜污染類型，應選擇具有針對性的清洗劑，設計過程中需考慮幾種不同藥劑儲存及切換的可能性。

(4)雙膜系統(tǒng)單位運行成本折算到處理規(guī)模約為1.23元/(t水)，折算到水廠供水規(guī)模(一定比例勾兌)可進一步降低。

除了水庫型水源水廠，一些農村地區(qū)也存在地下水硝酸鹽污染問題，隨著農村地區(qū)供水水質要求進一步提高，超濾-反滲透工藝會得到更加廣泛地應用。