反渗透技术在农村苦咸水淡化工程中的应用*

杨景天，赵虎群，贺全红（1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州730020；2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州730020）



反渗透技术在农村苦咸水淡化工程中的应用*

杨景天1,2，赵虎群1,2，贺全红1,2
（1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州730020；2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州730020）

摘要：我国是一个干旱缺水的国家,人均淡水资源严重不足,尤其西北地区水资源严重匮乏尤为突出。但在西北地区,苦咸水资源盆藏丰畜。因此，利用科学合理的技术对苦咸水进行淡化处理是开辟淡水资源、解决水资源不足问题的重要途径。苦咸水作为农村饮用水已严重危害着人们的身体健康，反渗透膜技术因其具有过程无相变、产水质量高、设备占地面积小、操作灵活简便等特点，在苦咸水淡化过程中具有显著优势，本文介绍了反渗透膜技术在苦咸水淡化方面的应用和工程案例。

关键词：反渗透；苦咸水；淡化工程；应用

水,是生命之源,是一种非常重要的资源,中国是水资源大国,但同时也是人均水资源贫国,其人均水资源量为2220m3,居世界第10位之后。在中国,通过饮水发生和传播的疾病就有50多种。最近几年,国家加大了农村饮水解困工作的力度,把解决饮水问题作为水利工作的首要任务。但是,饮水安全形势仍然十分严峻。一些地区饮水存在水质严重不达标、供水保证率低、水性地方病等问题。尤其是高氟、高砷、苦咸、污染等水质问题，严重影响着人民群众的身体健康。据卫生部门和水利部门的初步调查以及联合国评估,我国还有3亿多人饮水不安全。主要是高氟水、高砷水和苦咸水问题。高氟水主要分布在华北、西北、东北和黄淮海平原地区。苦咸水主要分布在北方特别是西部和东部沿海地区。通常将含盐量高于1000mg/L并在15000mg/L以下的天然水、地面水和自流井水称为苦咸水[1]。我国农村饮用苦咸水的人口为3800多万,苦咸水主要是口感苦涩,很难直接饮用,长期饮用苦咸水会引起高血压、心血管等方面的疾病[2]。此外,流行病学调查显示,苦咸水对泌尿系统结石的形成有促进作用[3，4]。因此,解决维系生命存在的饮用水问题已刻不容缓。本文主要介绍反渗透膜技术在苦咸水淡化过程中的应用研究和工程案例。

1　苦咸水淡化的主要方法

1.1蒸馏法

蒸馏法就是把苦咸水或海水加热使之沸腾蒸发,再把蒸汽冷凝成淡水的过程。蒸馏法是最早采用的苦咸水淡化法,其主要优点是结构较简单、操作容易、所得淡水水质好。蒸馏法有许多种，如多效蒸发、多级闪蒸、压汽蒸馏、膜蒸馏等。

1.2电渗析法

电渗析法利用离子交换膜在电场作用下,分离盐水中的阴、阳离子，从而使淡水室中盐分浓度降低而得到淡水的一种膜分离技术。电渗析装置是利用离子在电场的作用下定向迁移，通过选择透过性的离子交换膜达到除盐目的。电渗析苦咸水淡化技术已比较成熟，具有工艺简单、除盐率高、制水成本低、操作方便、不污染环境等主要优点,但存在对水质要求较严格、需对原水进行预处理等缺点。20世纪50年代，美国、英国开始将这种方法用于苦咸水淡化，中国在20世纪80年代将此法用于苦咸水淡化、工业用纯水和超纯水制造。电渗析过程的能耗与给水含盐量有密切关系,给水含盐量越高,能耗越大,因此电渗析法适用于低盐苦咸水的淡化[5]，根据我国目前国情,处理高盐苦咸水的能耗过大,不经济。

1.3反渗透法

反渗透是在浓溶液一边加上比自然渗透更高的压力，扭转自然渗透方向，把溶液中的离子压到半透膜的另一边，这与自然界的正常渗透过程相反，故称之为“反渗透”，这种装置称为反渗透装置。反渗透苦咸水淡化法可以从水中除去90%以上的溶解性盐类和99%以上的胶体微生物及有机物等。与其他水处理方法相比具有无相态变化、常温操作、设备简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、自动化程度高和出水质量好等优点。

综上,反渗透就是将溶液中的溶剂,在压力下用一种对溶剂有选择透过性的半透膜使其进人膜的低压侧，而溶液中的其它成分被阻留在膜的高压侧得到浓缩的过程。在一定的压力下，水分子可以通过反渗透膜，而水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来[6]。用反渗透膜技术淡化苦咸水,在诸多方面具有其他方法没有的以下优点[7]。

1）反渗透是在常温条件下,采用无相变的物理分离方法使水得以淡化,水的处理仅依靠压力作为推动力能耗较低。

2）工艺流程简单、操作方便,有利于实现水处理的连续化和自动化；产品水质稳定,出水质量较高。

3）适用于较大盐度范围的原水水质。

4）设备装置结构紧凑,占地面积少,运行维护和设备维修工作量极少。

5）可以从水中去除95%以上的溶解性盐类和9%以上的胶体、微生物及有机物等。

6）反渗透膜分离过程是清洁生产过程,不使用化学试剂,不排放再生废液,不污染环境。

2　反渗透在苦咸水淡化中的应用实例

2.1项目概述

2.1.1原水水质

以下为甘肃省平凉地区，原水经原水泵增压经过多介质过滤器+活性炭过滤器+高压泵+反渗透膜组件到淡水池，最后有供水泵输送至用水点。原水水质指标见表1。

表1　原水水质

2.1.2产水水质和水量要求

水质：达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）。

水量：100m3/h。

脱盐率：75%。

勾兑水量：30m3/h。

2.2工艺流程介绍

本套系统主要由预处理+反渗透RO+供水部分组成工艺，系统设计以反渗透为核心设备，多介质过滤器、活性炭过滤器、阻垢剂加药系统、保安过滤器等为预处理，保证反渗透系统的正常运行，反渗透系统为脱盐系统；保证出水水质指标，使产品水符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）。后续处理将勾兑后的清水通过供水泵加压输送至供水管网，如图1所示。

图1　RO制水系统

2.3主要设备及功能说明

2.3.1原水池

原水池的作用是储存一定量的原水，以保证后续供水稳定性。本系统中原水池采用地下式钢精混泥土结构，容积为1000m3，并在水池上配置1套液位开关以检测水池液位，含有电磁控制阀、管件及液位控制器。

2.3.2原水泵

原水泵的作用是将原水箱的出水经提升至后续处理单元。本系统选用3台上海连成本泵（2用1备）,设计流量：70m3/h，设计扬程：32m，功率：15KW，过流部件材质：SUS304。

2.3.3多介质过滤器

采用多介质过滤器的作用是过滤去除水中较大颗粒的悬浮物，减小精密过滤器滤芯的更换频率。多介质过滤器须定期反冲洗，以去除截留的悬浮物。

多介质过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理无烟煤、多级石英砂和必要的管路组成。

本设计中采用多介质过滤器1台，产水量140m3/h，运行流速10～12m/s,直径为3600mm，材质为碳钢防腐。

2.3.4活性炭过滤器

由于反渗透膜为高分子材料，水中的余氯很容易与其发生氧化反应从而造成膜性能的下降，甚至损坏反渗透膜组件，而活性炭过滤器可以很好地吸附去除管网自来水中的余氯。此外活性炭过滤器还可以有效地吸附去除水中的色度，以及部分有机物、胶体硅、异味。因此，有必要在反渗透装置之前设置活性炭过滤器对原水进行处理。

活性炭过滤器由罐体、操作阀组、精选水处理优质活性炭和必要的管路组成。

本设计中采用活性炭过滤器1台，产水量140m3/h，运行流速10～12m/s,直径为3600mm，材质为碳钢防腐。

2.3.5精密过滤器

原水经过多介质过滤器之后，部分大颗粒杂质被除去，水的浊度降低，为防止高压泵的叶轮磨损和保证反渗透膜的安全，在高压泵之前设精密过滤器，以去除细小的悬浮物和颗粒。过滤精度为5um，可有效保证出水浊度＜1NTU。

本系统采用直径为1000mm的精密过滤器一台，过流材质为SUS304。

2.3.6高压泵

反渗透膜元件对水中的离子具有选择透过性，因而在反渗透浓水侧和产水侧存在着渗透压差，这样就必须要有外界的压力来克服渗透压差才能够使反渗透装置正常工作并达到设计要求，外界的压力通过高泵来提供。

高压泵都采用丹麦格兰富立式多级离心高压泵，其具有运行压力稳定，噪音小，使用寿命长等特点，共2台，流量70m3/h，扬程210m，功率75KW,为材质为SUS304。

2.3.7反渗透（RO）脱盐系统

反渗透系统主要去除水中溶解盐类，同时去除一些有机大分子等。该系统包括反渗透装置、清洗系统等。本工程中，采用美国陶氏公司性能优越的BW30-365系列聚酰胺复合膜共120支，单支膜稳定脱盐率：99.5%,膜通量9500GPD,该膜具有高流量、高脱盐率的优点。

反渗透装置综合脱盐率＞98%，可脱除水中绝大部分的盐份及大分子有机物，起到苦咸水淡化的作用。

反渗透装置配有相关的流量计、压力表、电导仪、取样装置和相关的控制元件。反渗透浓水侧设置电动排放阀，在反渗透装置开启前进行低压冲洗和停用时置换膜元件内的浓水，防止停用后无机盐在膜元件内沉淀。

RO系统运行期间对水质进行分析，余氯0.005～0.01mg·L-1、pH为7.3～8.2，溶解性有机物（TOC，以C计）＜0.5mg·L-1，SDI＜5。石英砂、活性炭过滤前处理系统产水水质完全满足反渗透进水要求。

反渗透膜运行一段时间后，膜表面会被盐分污堵，会使反渗透膜元件的脱盐率降低，膜通量减小，所以必须要定期进行清洗。清洗装置由清洗泵、清洗箱以及相关的流量计、压力表、精密过滤器、阀门、管路系统等。

RO系统操作条件见表2。

（三）学生情感的教育，对其影响和形成不是一蹴而就的事情，更不是在教师强行指导学习情景下能够完成的。它需要的是教师和学生交流合作的基础上，经过理论学习到实践升华再到实际运用这样一个周而复始的过程，所以在对初中学生的情感教育上，教师应该遵循由简单到复杂、由容易到困难、由近期目标到长远目标的合乎发展的教育教学规律，从培养一个积极向上、热情奔放、善于助人的中学生到以后养成良好教育的优秀接班人的一个过程，这是符合孩子们身心发展规律的。因此，教师应注意从点滴做起，在细小之处关爱孩子们，这才是为孩子情感的成熟打下坚实的基础。

2.3.8淡水池

淡水池的作用是储存一定量的淡水，以保证后续供水稳定性。本系统中原水池采用地下式钢精混泥土结构，容积为1000m3，并在水池上配置1套液位开关以检测水池液位，含有电磁控制阀、管件及液位控制器。

表2　RO操作参数

2.4工程调试与运行效果

2.4.1工程调试

多介质过滤器、活性炭过滤器均为手动操作，当系统压差达到0.05MPa时，分别对其进行反冲洗，冲洗步骤均为反冲洗25min，然后正冲洗15 min。系统采用PLC＋触摸屏组合实现自动控制。系统内所有电机和其他元件均采用程控/手动两种操作方式，除此以外系统配有调试模式以便检修维护，集控操作统一由PLC实现。

高压泵的启停与一级供水水压相关，实现二级反渗透的自动运行，RO冲洗阀选用慢开电动阀，保证RO系统压力平滑增长，预防水锤现象损坏膜元件，延长膜元件的使用寿命。

反渗透装置安装完成后，在运行反渗透设备前，要进行必要的调试，下面介绍了反渗透设备的安装调试步骤。

1）对装置的金属进行分析、测试，结果表明符合进水要求，方可进行装置通水调试。

3）检查装置所有管道之间连接是否完善，压力表是否齐全，低压管道连接是否紧密，是否短缺。

4）全开个压力表开关和总进水阀、浓水排放阀、产水排放阀。

5）启动预处理设备，并调整供水量大于装置总进水量。

6）待出水无甲醛气味，关闭装置总进水阀。

7）启动高压泵，并缓缓开启装置总进水阀，控制装置总进水压力小于0.5MPa，冲洗5min，并检查各高、低压管路、仪表是否正常。

8）调整进水阀、浓水排放阀，使进水压力达到1.7～2.2MPa且产水量、浓排水量的比例为3:1。

9）检测产品水电导率，符合要求时开启产品出水水阀，关闭产水排放阀。

10）RO装置的调试均是手动单步曹组，运行正常后，方可切换到自动状态，由在线仪表及PLC自动控制运行。

2.4.2运行效果

本套反渗透系统投入使用至今，运行稳定，产水质量高。反渗透淡化水产量:100m3/h，系统回收率: 75%;盐率:＞95%，反渗透淡化水水质:完全符合GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》指标。产水质指标见表3。

表3　产水水质

2.5经济分析

该项目总投资为280万元，其中土建工程投资120，设备工程投资为160万元，技术服务及其它费用为25万元。处理成本为1.65元/m3，含电费为1.1 元/m3、药剂费为0.20元/m3、人工费为0.35元/m3，不含折旧、维修费用等。

2.6结论

通过上述工程实例证明，针对西部地区水资源缺乏,苦咸水资源丰富的特点,结合西部地区经济较落后的现状,采用反渗透技术使苦咸水淡化的技术是可行的[8]。反渗透膜技术因其诸多优势而成为苦咸水淡化过程中的主流技术,为了更好地促进该技术的发展及优势的发挥,也应考虑反渗透浓水处理及膜集成技术的研究和应用,反渗透膜技术在制取淡水的同时也对杂质进行了高度浓缩,因此需妥善处理好反渗透浓水,采取科学有效的技术和方法加强对浓水的处理和综合利用,避免对土壤、地表水或海洋环境等带来不利影响,从而实现浓水的无害化及资源化；在利用反渗透技术进行苦咸水淡化的应用过程中,应根据其他膜分离技术的特点将其集成于工艺系统中,发挥集成膜技术在苦咸水淡化中的优势作用[9]。

参考文献：

[1]金熙,项成林,齐冬子.工业水处理技术问答[M].北京:化学工业出版社,2003（3）：65.

[2]王著,孟祥周,陈玲,等.苦咸水成因及其淡化技术研究进展[J].甘肃农业科技,2010(1):39一42.

[3]戴向前,刘昌明,李丽娟.我国农村饮水安全问题探讨与对策[J].地理学报,2007,62(9):911.

[4]张鹤鹏,王劲松,李玉华,等.苦咸水专用净化装置研究与开发[J].宁夏农林科技,2009(1):1-6.

[5]张雷.大钦岛电渗析苦咸水淡化工程长期运行探析[J].水处理技术,2001,27(4);236-238.

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[9]李江，孟慧琳.反渗透膜技术在我国苦咸水淡化中的应用[J].全国苦咸水淡化技术研讨会文集,2013，7（8）：118-122.

*基金项目：甘肃省中小企业创新基金项目（1504JKCA045）。

中图分类号：TQ028.8