反滲透工藝對地表水中硝酸鹽去除的效能及應用可行性

黃俊亮，劉 成，王勝濤，趙長偉，邱 超，陳 衛

(1.河海大學環境學院，江蘇南京 210098；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100094；3.棲霞市自來水公司，山東棲霞265300；4.江蘇河清海晏環境有限公司，江蘇宿遷 223800)

隨著工農業的不斷發展、化肥農藥的過量使用，以及生活和工業廢水的不合理排放、糞便垃圾的淋濾下滲、大氣氮氧化合物干濕沉降等，地表水硝酸鹽污染日益嚴重[1-2]。硝酸鹽本身毒性很低，但在人體內被還原為亞硝酸鹽后會對健康造成巨大的威脅，直接影響人的消化系統、神經系統、呼吸系統等功能，對兒童尤其是嬰兒的影響最為嚴重，嚴重時可危及生命[3-4]。許多國家都對飲用水中硝酸鹽含量做了嚴格的規定，如世界衛生組織和歐盟規定其最高值為l1.3 mg/L(以N計)；美國環境保護署規定其最高限值為l0 mg/L(以N計)[5]；我國2020年《生活飲用水衛生標準》(報批稿)的要求也為10 mg/L(以N計，小型集中式供水和分散式供水因水源與凈水技術限制時，為20 mg/L)。

圖1 反滲透去除硝酸鹽裝置工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of RO Unit for Nitrate Removal

本研究在實驗室小試的基礎上，結合某市水源水質特征及變化規律，設計了1套處理能力為5 m3/d的反滲透除硝酸鹽裝置，研究不同產水率對硝酸鹽去除效能的影響，確定最佳產水率，并在最佳產水率下連續運行2個月，研究反滲透對地表水硝酸鹽的去除效能，探討其在實際應用中的應用模式及可行性，為水廠工藝選擇提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)反滲透除硝酸鹽裝置。試驗用反滲透除硝酸鹽裝置由江蘇河清海晏環境有限公司提供，型號為2000 G RO-TDS可調柜式。工藝流程如圖1所示，其中，保安過濾器由1個5 μm和1個1 μm的PP棉串聯組成，活性炭為椰殼活性炭柱，反滲透膜為聚酰胺復合卷式反滲透膜。裝置適用水源為市政自來水，進水水溫為5～45 ℃，進水水壓≥0.2 MPa，進水水量≥1.5 m3/h，額定功率為1 100 W，額定電壓為220 V、頻率為50 Hz，純水流量為200～250 L/h，總出水量為200～500 L/h。

(2)試驗藥品：硝酸鈉、濃鹽酸、濃硫酸、磷酸、氫氧化鈉、氯化銨、鉬酸銨、酒石酸鉀鈉、氨基磺酸、納氏試劑、三氯甲烷、對氨基苯磺酰胺、N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽、高錳酸鉀、硫酸銀、乙二胺四乙酸二鈉、鉻黑T、95%乙醇等，所有藥品均為分析純。

1.2 試驗方法

(3)主要檢測指標及方法。本研究期間，每天在固定時間段取反滲透產水、濃水水樣1次，用于檢測分析，主要檢測指標及方法如表1所示，每個水樣檢測3次，結果取平均值，以保證試驗數據的準確、可靠。

表1 主要檢測指標及方法Tab.1 Main Detection Indices and Methods

2 結果與討論

2.1 某市水廠原水和出水水質調研

2.2 不同產水率下反滲透裝置的處理效能

反滲透裝置對渾濁度和CODMn具有穩定的去除效果，受產水率影響較小，去除率分別達85%和90%以上?？傆捕群蚑DS的去除效果受產水率影響較大，當產水率低于75%時，去除率基本都在98%以上，而當產水率從75%升高至80%時，總硬度和TDS去除率分別從98%降至95%和91%。反滲透裝置進口壓力在0.16～0.18 MPa，泵前壓力基本為0，而泵后壓力隨產水率的升高呈現階梯式上升，從50%產水率的0.5 MPa升至80%產水率的0.90 MPa以上。

2.3 反滲透裝置長期運行的處理效能

圖3 反滲透裝置對長期處理效果Fig.3 Effect of RO Device on Removal during Long-Term Operation

(2)反滲透裝置對氨氮等典型污染物長期處理效果

反滲透裝置在連續2個月的運行過程中，對氨氮、pH、渾濁度、CODMn、總硬度、TDS的處理效果如圖4所示。進水氨氮、pH、渾濁度、CODMn、總硬度、TDS濃度基本保持不變，而出水中氨氮、總硬度、TDS質量濃度隨運行時間增加而緩慢上升，分別從0.02、7.1、9.2 mg/L升高至0.04、18.5、18.9 mg/L，但仍遠低于現行生活飲用水衛生標準(0.5、450、1 000 mg/L)的限值要求，對應去除率分別從84.1%、97.4%、97.2%降至73.5%、93.2%、94.4%。出水pH值在6.9左右，呈弱酸性，渾濁度和CODMn分別在0.15 NTU和0.25 mg/L以下，遠低于現行生活飲用水衛生標準(1.0 NTU和3 mg/L)的要求，去除率分別穩定在80%和90%以上。反滲透裝置在長期運行過程中，盡管脫鹽率有所降低，但整體去除效果仍然較好，表明反滲透裝置在75%產水率下，能夠高效穩定地運行，出水水質完全滿足現行生活飲用水衛生標準的要求。

圖4 反滲透裝置對氨氮等污染物長期處理效果Fig.4 Effect of RO Device on Pollutants Such as Ammonia Nitrogen Removal during Long-Term Operation

(3)反滲透裝置長期運行過程中壓力變化

2.4 反滲透濃水處置方法探究

圖5 反滲透裝置長期運行過程中壓力變化Fig.5 Pressure Change of RO Unit during Long-Term Operation

2.5 反滲透除硝酸鹽經濟性分析

表2 不同產水率下反滲透濃水水質Tab.2 Water Quality of RO Concentrated Water with Different Outflow Rate

表3 反滲透去除硝酸鹽不同案例經濟性對比Tab.3 Economic Comparison of Nitrate Removal by RO in Different Cases

2.6 反滲透在地表水硝酸鹽去除中的應用模式

3 結論

(2)反滲透裝置最佳產水率為75%，但由于裝置規模較小，單位水處理電耗達5.65 kW·h。在實際應用中可通過擴大處理規模、濃水回流、與原水摻混等方法降低運行成本。