超濾反滲透組合工藝在水廠硝酸鹽深度處理中的工程應(yīng)用

李 潔

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>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(biāo)。若要解決原水中嗅、味、有機(jī)污染等具體問(wèn)題，進(jìn)一步提高水廠供水水質(zhì)，需針對(duì)性設(shè)計(jì)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(jí)氧化技術(shù)等。工程中應(yīng)用較多的是以去除有機(jī)物為目標(biāo)的臭氧-生物活性炭技術(shù)，以保障出水水質(zhì)渾濁度控制(≤0.1 NTU)和生物安全為目的超濾膜技術(shù)[1]，以及兩者聯(lián)用技術(shù)[2-3]。但是對(duì)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(wú)法有效解決無(wú)機(jī)鹽階段性超標(biāo)的問(wèn)題。根據(jù)山東某水庫(kù)型水廠水源水質(zhì)特點(diǎn)和出水水質(zhì)進(jìn)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(lèi)似水廠的升級(jí)改造設(shè)計(jì)提供參考。

1 原水來(lái)源及特點(diǎn)

山東省某水庫(kù)水源地，調(diào)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(kù)由膠東調(diào)水干渠引水調(diào)蓄，每年引“客水”約500萬(wàn)m3?？退M(jìn)入水庫(kù)后與本地水混合后備用，水質(zhì)存在一定波動(dòng)。根據(jù)近3年水廠進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，原水主要存在硝酸鹽時(shí)有超標(biāo)的問(wèn)題，而水廠現(xiàn)有的混凝沉淀過(guò)濾消毒的常規(guī)處理工藝無(wú)法有效去除無(wú)機(jī)鹽，引起同期出廠水曾出現(xiàn)硝酸鹽超標(biāo)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(jìn)水顯著增高，不排除采樣或者實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(jìn)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(yán)重的水庫(kù)水或者一些地下水水源中。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道中，粉末活性炭法[5]對(duì)硝酸鹽的去除極為有限；超濾和顆?；钚蕴柯?lián)用法[6]主要還是依靠活性炭吸附作用，長(zhǎng)效性難以保證，經(jīng)濟(jì)性一般。原水碳源不足，且進(jìn)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(shí)，掛膜微生物需適應(yīng)的負(fù)荷變化較大，此外也存在剩余碳源進(jìn)一步反應(yīng)生成消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)。人工濕地[7]相對(duì)有效但占地面積大，用地問(wèn)題需進(jìn)一步解決。目前條件下，海水淡化工程中應(yīng)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(shù)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(duì)于溶解性鹽，超濾膜孔徑相對(duì)較大。納濾膜可有效去除多價(jià)離子，降低水的硬度，但一價(jià)陰離子的鹽可以大量滲過(guò)膜[8-9]。反滲透脫鹽主要應(yīng)用于海水及苦咸水淡化。對(duì)于硝酸根離子超標(biāo)的問(wèn)題，鑒于納濾對(duì)單價(jià)離子的截留率相對(duì)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(jìn)入反滲透膜會(huì)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(yù)處理，目前常用的預(yù)處理工藝是超濾工藝。以超濾作為反滲透的預(yù)處理工藝，不僅出水水質(zhì)好(SDI值一般可控制在3以下)，而且可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低反滲透化學(xué)清洗的頻率。綜合考慮工程投資、運(yùn)行成本、管理維護(hù)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(shè)計(jì)參數(shù)及水量平衡

由于該工程原水偶有超標(biāo)，且超標(biāo)值除極個(gè)別數(shù)據(jù)外與國(guó)標(biāo)允許限值相差不大。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮采用部分水通過(guò)反滲透處理后，與經(jīng)過(guò)常規(guī)處理的水混合，以保證水廠總體的高品質(zhì)出水。根據(jù)原水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照95%的保證率，膜系統(tǒng)進(jìn)水硝酸鹽濃度設(shè)計(jì)取值12.5 mg/L。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(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(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)主要是設(shè)計(jì)膜通量和系統(tǒng)回收率[10]。根據(jù)《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)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(shè)計(jì)通量取53 L/(m2·h)，超濾系統(tǒng)產(chǎn)水率不低于93%。對(duì)于反滲透系統(tǒng)，設(shè)計(jì)通量取22.6 L/(m2·h)，基于濃水需達(dá)標(biāo)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(shí)，考慮水溫對(duì)膜系統(tǒng)運(yùn)行影響較大，設(shè)計(jì)出廠水硝酸鹽離子濃度距離標(biāo)準(zhǔn)限值適當(dāng)留有余量，取9.68 mg/L。水廠供水規(guī)模為5萬(wàn)m3/d?；谝陨显O(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行水量勾兌平衡計(jì)算如表1、圖3所示，由此確定深度處理規(guī)模為1.8萬(wàn)m3/d。

表1 水量勾兌計(jì)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(jì)算的結(jié)果，可進(jìn)一步測(cè)算出雙膜系統(tǒng)實(shí)施前后水質(zhì)指標(biāo)改善情況，如表2所示。

表2 改造前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of Water Quality Indexes before and after Reconstruction

4 膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深度處理設(shè)綜合膜車(chē)間1座，內(nèi)設(shè)超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)及附屬處理構(gòu)筑物(圖4)。土建地上兩層，地下一層。由于場(chǎng)地條件不規(guī)整，單體布置依地形條件設(shè)計(jì)。在廠區(qū)西側(cè)預(yù)留用地按進(jìn)水(常規(guī)處理來(lái)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(jìn)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(shè)置加藥反洗、空壓機(jī)室、辦公、水質(zhì)間等附屬設(shè)施，地上二層為膜組件。配電間根據(jù)地形特點(diǎn)設(shè)置于一層?xùn)|北角，靠近二級(jí)泵房變配電間。為滿足現(xiàn)有排泥水與膜車(chē)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(chē)間平面布置方案Fig.4 Layout Scheme in Membrane Unit

超濾系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)超濾供水泵(2用1備)，采用變頻恒定流量控制，通過(guò)出水流量的信號(hào)反饋為超濾系統(tǒng)提供恒定流量的進(jìn)水。同時(shí)設(shè)置2臺(tái)過(guò)濾精度為100 μm的自清洗過(guò)濾器，將可能造成膜損壞的、較大的機(jī)械性雜質(zhì)過(guò)濾，防止原水中的異物進(jìn)入超濾膜系統(tǒng)，對(duì)膜造成損壞。進(jìn)水加殺菌劑，進(jìn)一步去除水中的細(xì)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(jī)為本系統(tǒng)的核心部件之一，大部分的細(xì)菌、藻類(lèi)、膠體物質(zhì)、大分子有機(jī)物和微小(大于0.05 μm)的顆粒物質(zhì)可以在此去除，操作周期為45～60 min。超濾運(yùn)行一定時(shí)間后，會(huì)在膜的表面形成一層污染層，以組件為單位依次自動(dòng)進(jìn)行反洗，去除被截流的懸浮物、膠體和大顆粒物質(zhì)等，以恢復(fù)膜的水通量。設(shè)置2臺(tái)超濾反洗泵(1用1備)，反洗時(shí)，由反洗泵從超濾產(chǎn)水池內(nèi)將水由超濾(UF)膜組件的清水出口反向泵入中空纖維膜內(nèi)進(jìn)行清洗。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)行情況，按一定的周期對(duì)膜作化學(xué)加強(qiáng)清洗，去除膜上黏附的細(xì)菌、藻類(lèi)、水垢和有機(jī)物等，使其膜通量得到良好的恢復(fù)。

反滲透系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)反滲透供水泵(2用1備)，4臺(tái)精密過(guò)濾器，精密過(guò)濾器用于去除大于5 μm的顆粒物，保護(hù)反滲透膜元件。設(shè)置4臺(tái)反滲透高壓泵，用于反滲透系統(tǒng)的增壓。同時(shí)反滲透工藝在運(yùn)行過(guò)程中，污染物/鹽分在濃水側(cè)濃縮，超過(guò)了在水中的自然溶解度，容易造成濃水結(jié)垢。配置1套阻垢劑添加裝置來(lái)破壞反滲透膜濃水側(cè)垢的形成及晶體晶格結(jié)構(gòu)減輕結(jié)垢趨勢(shì)。設(shè)置4套反滲透主機(jī)，用于去除水中溶解鹽類(lèi)、小分子有機(jī)物等。設(shè)置1臺(tái)反滲透沖洗泵(1用)，可自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生各類(lèi)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(shí)必須進(jìn)行化學(xué)清洗來(lái)恢復(fù)膜的透水量。反滲透機(jī)組與超濾機(jī)組共用1套化學(xué)清洗裝置。對(duì)于不同的膜污染類(lèi)型，應(yīng)選擇具有針對(duì)性的清洗劑，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可進(jìn)行膜元件抽樣檢驗(yàn)，參考膜廠家提供的技術(shù)手冊(cè)選用單一或多種清洗劑。設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮幾種不同藥劑儲(chǔ)存及切換的可能性。清洗周期應(yīng)在同樣產(chǎn)水量下膜運(yùn)行壓力超過(guò)10%或同等壓力下產(chǎn)水量減少10%時(shí)清洗，膜的通量恢復(fù)較好。膜車(chē)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(biāo)準(zhǔn)限值：SS≤400 mg/L，TDS≤2 000 mg/L)。同時(shí)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，若原水水質(zhì)條件較好，TDS能滿足雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可考慮用于廠區(qū)綠化澆灑等。

5 運(yùn)行成本分析

生產(chǎn)成本按其與產(chǎn)量變化的關(guān)系分為可變成本與固定成本。固定成本包括企業(yè)管理費(fèi)用、人員工資、固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、修理費(fèi)等。實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)比較重要的指標(biāo)為可變成本。按照電費(fèi)0.6元/(kW·h)，每年運(yùn)行8 000 h，超濾膜9年壽命，反滲透膜6年壽命計(jì)算：折算到雙膜系統(tǒng)進(jìn)水規(guī)模1.67萬(wàn)m3/d，成本為1.23元/(t水)；折算到水廠供水規(guī)模5萬(wàn)m3/d，成本為0.32元/(t水)。測(cè)算成本組成如表3所示。

表3 運(yùn)行成本計(jì)算Tab.3 Calculation of Operation Cost

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例,就特定水質(zhì)條件下總結(jié)了超濾-反滲透系統(tǒng)用于水廠深度處理的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)論如下。

(1)超濾-反滲透組合工藝可針對(duì)性地去除硝酸根等無(wú)機(jī)鹽離子，適用于某些水庫(kù)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(jì)性角度出發(fā)，工程實(shí)踐中可結(jié)合水量平衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)需充分復(fù)算和校核。同時(shí)為保障出水水質(zhì)、盡量提高膜使用壽命，對(duì)于不同的膜污染類(lèi)型，應(yīng)選擇具有針對(duì)性的清洗劑，設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮幾種不同藥劑儲(chǔ)存及切換的可能性。

(4)雙膜系統(tǒng)單位運(yùn)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(jìn)一步降低。

除了水庫(kù)型水源水廠，一些農(nóng)村地區(qū)也存在地下水硝酸鹽污染問(wèn)題，隨著農(nóng)村地區(qū)供水水質(zhì)要求進(jìn)一步提高，超濾-反滲透工藝會(huì)得到更加廣泛地應(yīng)用。