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

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反滲透技術(shù)在農(nóng)村苦咸水淡化工程中的應(yīng)用*

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

摘要：我國(guó)是一個(gè)干旱缺水的國(guó)家,人均淡水資源嚴(yán)重不足,尤其西北地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏尤為突出。但在西北地區(qū),苦咸水資源盆藏豐畜。因此，利用科學(xué)合理的技術(shù)對(duì)苦咸水進(jìn)行淡化處理是開(kāi)辟淡水資源、解決水資源不足問(wèn)題的重要途徑?？嘞趟鳛檗r(nóng)村飲用水已嚴(yán)重危害著人們的身體健康，反滲透膜技術(shù)因其具有過(guò)程無(wú)相變、產(chǎn)水質(zhì)量高、設(shè)備占地面積小、操作靈活簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在苦咸水淡化過(guò)程中具有顯著優(yōu)勢(shì)，本文介紹了反滲透膜技術(shù)在苦咸水淡化方面的應(yīng)用和工程案例。

關(guān)鍵詞：反滲透；苦咸水；淡化工程；應(yīng)用

水,是生命之源,是一種非常重要的資源,中國(guó)是水資源大國(guó),但同時(shí)也是人均水資源貧國(guó),其人均水資源量為2220m3,居世界第10位之后。在中國(guó),通過(guò)飲水發(fā)生和傳播的疾病就有50多種。最近幾年,國(guó)家加大了農(nóng)村飲水解困工作的力度,把解決飲水問(wèn)題作為水利工作的首要任務(wù)。但是,飲水安全形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻。一些地區(qū)飲水存在水質(zhì)嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)、供水保證率低、水性地方病等問(wèn)題。尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水質(zhì)問(wèn)題，嚴(yán)重影響著人民群眾的身體健康。據(jù)衛(wèi)生部門(mén)和水利部門(mén)的初步調(diào)查以及聯(lián)合國(guó)評(píng)估,我國(guó)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(wèn)題。高氟水主要分布在華北、西北、東北和黃淮海平原地區(qū)?？嘞趟饕植荚诒狈教貏e是西部和東部沿海地區(qū)。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(guó)農(nóng)村飲用苦咸水的人口為3800多萬(wàn),苦咸水主要是口感苦澀,很難直接飲用,長(zhǎng)期飲用苦咸水會(huì)引起高血壓、心血管等方面的疾病[2]。此外,流行病學(xué)調(diào)查顯示,苦咸水對(duì)泌尿系統(tǒng)結(jié)石的形成有促進(jìn)作用[3，4]。因此,解決維系生命存在的飲用水問(wèn)題已刻不容緩。本文主要介紹反滲透膜技術(shù)在苦咸水淡化過(guò)程中的應(yīng)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(fā),再把蒸汽冷凝成淡水的過(guò)程。蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化法,其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、操作容易、所得淡水水質(zhì)好。蒸餾法有許多種，如多效蒸發(fā)、多級(jí)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(chǎng)作用下,分離鹽水中的陰、陽(yáng)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(shù)。電滲析裝置是利用離子在電場(chǎng)的作用下定向遷移，通過(guò)選擇透過(guò)性的離子交換膜達(dá)到除鹽目的。電滲析苦咸水淡化技術(shù)已比較成熟，具有工藝簡(jiǎn)單、除鹽率高、制水成本低、操作方便、不污染環(huán)境等主要優(yōu)點(diǎn),但存在對(duì)水質(zhì)要求較嚴(yán)格、需對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理等缺點(diǎn)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)、英國(guó)開(kāi)始將這種方法用于苦咸水淡化，中國(guó)在20世紀(jì)80年代將此法用于苦咸水淡化、工業(yè)用純水和超純水制造。電滲析過(guò)程的能耗與給水含鹽量有密切關(guān)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(jù)我國(guó)目前國(guó)情,處理高鹽苦咸水的能耗過(guò)大,不經(jīng)濟(jì)。

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(zhuǎn)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(guò)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(lèi)和99%以上的膠體微生物及有機(jī)物等。與其他水處理方法相比具有無(wú)相態(tài)變化、常溫操作、設(shè)備簡(jiǎn)單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

綜上,反滲透就是將溶液中的溶劑,在壓力下用一種對(duì)溶劑有選擇透過(guò)性的半透膜使其進(jìn)人膜的低壓側(cè)，而溶液中的其它成分被阻留在膜的高壓側(cè)得到濃縮的過(guò)程。在一定的壓力下，水分子可以通過(guò)反滲透膜，而水中的無(wú)機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無(wú)法通過(guò)，從而使可以透過(guò)的純水和無(wú)法透過(guò)的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)來(lái)[6]。用反滲透膜技術(shù)淡化苦咸水,在諸多方面具有其他方法沒(méi)有的以下優(yōu)點(diǎn)[7]。

1）反滲透是在常溫條件下,采用無(wú)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(dòng)力能耗較低。

2）工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便,有利于實(shí)現(xiàn)水處理的連續(xù)化和自動(dòng)化；產(chǎn)品水質(zhì)穩(wěn)定,出水質(zhì)量較高。

3）適用于較大鹽度范圍的原水水質(zhì)。

4）設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積少,運(yùn)行維護(hù)和設(shè)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(lèi)和9%以上的膠體、微生物及有機(jī)物等。

6）反滲透膜分離過(guò)程是清潔生產(chǎn)過(guò)程,不使用化學(xué)試劑,不排放再生廢液,不污染環(huán)境。

2　反滲透在苦咸水淡化中的應(yīng)用實(shí)例

2.1項(xiàng)目概述

2.1.1原水水質(zhì)

以下為甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)，原水經(jīng)原水泵增壓經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器+活性炭過(guò)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(diǎn)。原水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　原水水質(zhì)

2.1.2產(chǎn)水水質(zhì)和水量要求

水質(zhì)：達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（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(tǒng)主要由預(yù)處理+反滲透RO+供水部分組成工藝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以反滲透為核心設(shè)備，多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、阻垢劑加藥系統(tǒng)、保安過(guò)濾器等為預(yù)處理，保證反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行，反滲透系統(tǒng)為脫鹽系統(tǒng)；保證出水水質(zhì)指標(biāo)，使產(chǎn)品水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）。后續(xù)處理將勾兌后的清水通過(guò)供水泵加壓輸送至供水管網(wǎng)，如圖1所示。

圖1　RO制水系統(tǒng)

2.3主要設(shè)備及功能說(shuō)明

2.3.1原水池

原水池的作用是儲(chǔ)存一定量的原水，以保證后續(xù)供水穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中原水池采用地下式鋼精混泥土結(jié)構(gòu)，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開(kāi)關(guān)以檢測(cè)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(jīng)提升至后續(xù)處理單元。本系統(tǒng)選用3臺(tái)上海連成本泵（2用1備）,設(shè)計(jì)流量：70m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程：32m，功率：15KW，過(guò)流部件材質(zhì)：SUS304。

2.3.3多介質(zhì)過(guò)濾器

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

多介質(zhì)過(guò)濾器由罐體、操作閥組、精選水處理無(wú)煙煤、多級(jí)石英砂和必要的管路組成。

本設(shè)計(jì)中采用多介質(zhì)過(guò)濾器1臺(tái)，產(chǎn)水量140m3/h，運(yùn)行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質(zhì)為碳鋼防腐。

2.3.4活性炭過(guò)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(fā)生氧化反應(yīng)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(guò)濾器可以很好地吸附去除管網(wǎng)自來(lái)水中的余氯。此外活性炭過(guò)濾器還可以有效地吸附去除水中的色度，以及部分有機(jī)物、膠體硅、異味。因此，有必要在反滲透裝置之前設(shè)置活性炭過(guò)濾器對(duì)原水進(jìn)行處理。

活性炭過(guò)濾器由罐體、操作閥組、精選水處理優(yōu)質(zhì)活性炭和必要的管路組成。

本設(shè)計(jì)中采用活性炭過(guò)濾器1臺(tái)，產(chǎn)水量140m3/h，運(yùn)行流速10～12m/s,直徑為3600mm，材質(zhì)為碳鋼防腐。

2.3.5精密過(guò)濾器

原水經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器之后，部分大顆粒雜質(zhì)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(shè)精密過(guò)濾器，以去除細(xì)小的懸浮物和顆粒。過(guò)濾精度為5um，可有效保證出水濁度＜1NTU。

本系統(tǒng)采用直徑為1000mm的精密過(guò)濾器一臺(tái)，過(guò)流材質(zhì)為SUS304。

2.3.6高壓泵

反滲透膜元件對(duì)水中的離子具有選擇透過(guò)性，因而在反滲透濃水側(cè)和產(chǎn)水側(cè)存在著滲透壓差，這樣就必須要有外界的壓力來(lái)克服滲透壓差才能夠使反滲透裝置正常工作并達(dá)到設(shè)計(jì)要求，外界的壓力通過(guò)高泵來(lái)提供。

高壓泵都采用丹麥格蘭富立式多級(jí)離心高壓泵，其具有運(yùn)行壓力穩(wěn)定，噪音小，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，共2臺(tái)，流量70m3/h，揚(yáng)程210m，功率75KW,為材質(zhì)為SUS304。

2.3.7反滲透（RO）脫鹽系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)主要去除水中溶解鹽類(lèi)，同時(shí)去除一些有機(jī)大分子等。該系統(tǒng)包括反滲透裝置、清洗系統(tǒng)等。本工程中，采用美國(guó)陶氏公司性能優(yōu)越的BW30-365系列聚酰胺復(fù)合膜共120支，單支膜穩(wěn)定脫鹽率：99.5%,膜通量9500GPD,該膜具有高流量、高脫鹽率的優(yōu)點(diǎn)。

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(jī)物，起到苦咸水淡化的作用。

反滲透裝置配有相關(guān)的流量計(jì)、壓力表、電導(dǎo)儀、取樣裝置和相關(guān)的控制元件。反滲透濃水側(cè)設(shè)置電動(dòng)排放閥，在反滲透裝置開(kāi)啟前進(jìn)行低壓沖洗和停用時(shí)置換膜元件內(nèi)的濃水，防止停用后無(wú)機(jī)鹽在膜元件內(nèi)沉淀。

RO系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析，余氯0.005～0.01mg·L-1、pH為7.3～8.2，溶解性有機(jī)物（TOC，以C計(jì)）＜0.5mg·L-1，SDI＜5。石英砂、活性炭過(guò)濾前處理系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)完全滿足反滲透進(jìn)水要求。

反滲透膜運(yùn)行一段時(shí)間后，膜表面會(huì)被鹽分污堵，會(huì)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(jìn)行清洗。清洗裝置由清洗泵、清洗箱以及相關(guān)的流量計(jì)、壓力表、精密過(guò)濾器、閥門(mén)、管路系統(tǒng)等。

RO系統(tǒng)操作條件見(jiàn)表2。

（三）學(xué)生情感的教育，對(duì)其影響和形成不是一蹴而就的事情，更不是在教師強(qiáng)行指導(dǎo)學(xué)習(xí)情景下能夠完成的。它需要的是教師和學(xué)生交流合作的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐升華再到實(shí)際運(yùn)用這樣一個(gè)周而復(fù)始的過(guò)程，所以在對(duì)初中學(xué)生的情感教育上，教師應(yīng)該遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由容易到困難、由近期目標(biāo)到長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)的合乎發(fā)展的教育教學(xué)規(guī)律，從培養(yǎng)一個(gè)積極向上、熱情奔放、善于助人的中學(xué)生到以后養(yǎng)成良好教育的優(yōu)秀接班人的一個(gè)過(guò)程，這是符合孩子們身心發(fā)展規(guī)律的。因此，教師應(yīng)注意從點(diǎn)滴做起，在細(xì)小之處關(guān)愛(ài)孩子們，這才是為孩子情感的成熟打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3.8淡水池

淡水池的作用是儲(chǔ)存一定量的淡水，以保證后續(xù)供水穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中原水池采用地下式鋼精混泥土結(jié)構(gòu)，容積為1000m3，并在水池上配置1套液位開(kāi)關(guān)以檢測(cè)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(shù)

2.4工程調(diào)試與運(yùn)行效果

2.4.1工程調(diào)試

多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器均為手動(dòng)操作，當(dāng)系統(tǒng)壓差達(dá)到0.05MPa時(shí)，分別對(duì)其進(jìn)行反沖洗，沖洗步驟均為反沖洗25min，然后正沖洗15 min。系統(tǒng)采用PLC＋觸摸屏組合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)內(nèi)所有電機(jī)和其他元件均采用程控/手動(dòng)兩種操作方式，除此以外系統(tǒng)配有調(diào)試模式以便檢修維護(hù)，集控操作統(tǒng)一由PLC實(shí)現(xiàn)。

高壓泵的啟停與一級(jí)供水水壓相關(guān)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)反滲透的自動(dòng)運(yùn)行，RO沖洗閥選用慢開(kāi)電動(dòng)閥，保證RO系統(tǒng)壓力平滑增長(zhǎng)，預(yù)防水錘現(xiàn)象損壞膜元件，延長(zhǎng)膜元件的使用壽命。

反滲透裝置安裝完成后，在運(yùn)行反滲透設(shè)備前，要進(jìn)行必要的調(diào)試，下面介紹了反滲透設(shè)備的安裝調(diào)試步驟。

1）對(duì)裝置的金屬進(jìn)行分析、測(cè)試，結(jié)果表明符合進(jìn)水要求，方可進(jìn)行裝置通水調(diào)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(kāi)個(gè)壓力表開(kāi)關(guān)和總進(jìn)水閥、濃水排放閥、產(chǎn)水排放閥。

5）啟動(dòng)預(yù)處理設(shè)備，并調(diào)整供水量大于裝置總進(jìn)水量。

6）待出水無(wú)甲醛氣味，關(guān)閉裝置總進(jìn)水閥。

7）啟動(dòng)高壓泵，并緩緩開(kāi)啟裝置總進(jìn)水閥，控制裝置總進(jìn)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(diào)整進(jìn)水閥、濃水排放閥，使進(jìn)水壓力達(dá)到1.7～2.2MPa且產(chǎn)水量、濃排水量的比例為3:1。

9）檢測(cè)產(chǎn)品水電導(dǎo)率，符合要求時(shí)開(kāi)啟產(chǎn)品出水水閥，關(guān)閉產(chǎn)水排放閥。

10）RO裝置的調(diào)試均是手動(dòng)單步曹組，運(yùn)行正常后，方可切換到自動(dòng)狀態(tài)，由在線儀表及PLC自動(dòng)控制運(yùn)行。

2.4.2運(yùn)行效果

本套反滲透系統(tǒng)投入使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水質(zhì)量高。反滲透淡化水產(chǎn)量:100m3/h，系統(tǒng)回收率: 75%;鹽率:＞95%，反滲透淡化水水質(zhì):完全符合GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》指標(biāo)。產(chǎn)水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　產(chǎn)水水質(zhì)

2.5經(jīng)濟(jì)分析

該項(xiàng)目總投資為280萬(wàn)元，其中土建工程投資120，設(shè)備工程投資為160萬(wàn)元，技術(shù)服務(wù)及其它費(fèi)用為25萬(wàn)元。處理成本為1.65元/m3，含電費(fèi)為1.1 元/m3、藥劑費(fèi)為0.20元/m3、人工費(fèi)為0.35元/m3，不含折舊、維修費(fèi)用等。

2.6結(jié)論

通過(guò)上述工程實(shí)例證明，針對(duì)西部地區(qū)水資源缺乏,苦咸水資源豐富的特點(diǎn),結(jié)合西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)較落后的現(xiàn)狀,采用反滲透技術(shù)使苦咸水淡化的技術(shù)是可行的[8]。反滲透膜技術(shù)因其諸多優(yōu)勢(shì)而成為苦咸水淡化過(guò)程中的主流技術(shù),為了更好地促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,也應(yīng)考慮反滲透濃水處理及膜集成技術(shù)的研究和應(yīng)用,反滲透膜技術(shù)在制取淡水的同時(shí)也對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行了高度濃縮,因此需妥善處理好反滲透濃水,采取科學(xué)有效的技術(shù)和方法加強(qiáng)對(duì)濃水的處理和綜合利用,避免對(duì)土壤、地表水或海洋環(huán)境等帶來(lái)不利影響,從而實(shí)現(xiàn)濃水的無(wú)害化及資源化；在利用反滲透技術(shù)進(jìn)行苦咸水淡化的應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)其他膜分離技術(shù)的特點(diǎn)將其集成于工藝系統(tǒng)中,發(fā)揮集成膜技術(shù)在苦咸水淡化中的優(yōu)勢(shì)作用[9]。

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*基金項(xiàng)目：甘肅省中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（1504JKCA045）。

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ028.8