地下水硝酸盐超标问题处理方案实践探究

赵文玲 孙国臣 李建伟

(潍坊市水利事业发展中心，山东 潍坊 261061)

潍坊市地处山东半岛中部，人均水资源占有量298m3，不到全国人均占有量的1/7，属于严重缺水地区。农村人口众多、地形条件复杂、水源严重短缺、水质情况多样是潍坊市农村饮水的真实写照。经过多年努力，潍坊市农村饮水安全得到解决，供水保证率、水质达标率和群众满意度持续稳定在较高水平。但以地下水为水源的青州市、寿光市，近年来通过监测，硝酸盐指标呈上升趋势，已接近放宽限值。2017年，青州市、寿光市通过申请省市补助资金项目，实施了深度处理工程建设，处理效果十分明显，经济和社会效益十分显著。

1 硝酸盐指标上升的原因及危害

潍坊市现有农村“千吨万人”规模化供水水厂50处，水源以本地地表水和地下水为主，黄河水、长江水等客水水源为辅。受水源限制，北部的青州市和寿光市均以地下水源为主，2017年统计数据显示，青州市有10处农村供水水源，均为地下水；寿光市有6处农村供水水源，5处为地下水源。地下水源井四周多农田，尤其是青州市和寿光市大棚种植面积扩大，农业施肥、生活污水等含氮有机物通过农田灌溉或雨水冲刷，下渗到地下，污染地下水，导致硝酸盐浓度升高；畜牧业、养殖业的发展，使禽兽养殖的粪便堆积后，经雨水冲涮，污染地下水源；村镇企业生产的含氮废水未经处理排出，对水源造成污染。2016—2017年潍坊市农村供水水质检测结果统计显示，地下水源中硝酸盐指标呈日趋增长趋势。

硝酸盐污染危害分为对人体的危害和对动物的危害[1]，降低水厂硝酸盐指标减少硝酸盐污染是保障群众饮水安全的重要措施。

2 典型水厂情况分析

潍坊市选取青州市龙泉水厂和寿光市东城水厂两处典型水厂，增设硝酸盐深度处理设施，探索研究消除地下水中硝酸盐超标问题。

2.1 典型水厂现状

a.水厂水源单一，供水范围广、任务重。青州市龙泉水厂水源为地下水，有深水井9眼，水处理能力为1万m3/d，水厂承担着经济开发区30个村和徐七社区等4个社区3.81万人以及东夏镇72个村4.88万人的供水任务，同时承担开发区50家企业的供水任务。寿光市东城水厂设计日供水能力为3万m3，主要承担羊口镇、营里镇道口片区、侯镇、洛城街道等镇街、村共15.94万人的供水任务，是农村饮水安全的重要组成部分。

b.水处理工艺简单，水质难以保证。两处水厂原水处理工艺简单，供水采取水源井抽水，经过消毒后直接给用户直供的方式，出厂水未经过水处理设备处理，可能存在水源水水质超标现象，出厂水难以保证水质安全。

c.硝酸盐超标明显，影响饮水安全。检测数据显示，2017年青州市龙泉水厂出厂水中硝酸盐浓度曾达到21.43mg/L，寿光市东城水厂个别取水井硝酸盐浓度达到23.00mg/L，超国家标准放宽限值，影响供水范围内饮水安全。

2.2 新增处理设施可行性分析

2.2.1 水源满足要求

青州市龙泉水厂水质净化工程提升被列入“十三五”规划，项目被列入省级地方资金项目库，2017年已完成龙泉水厂水质净化工程建设。目前已实现与亿邦供水中心联网，龙泉供水中心将作为青州市中部较大规模的集中供水中心进行规模化供水，日供水量可达到3万m3以上。

寿光市东城水厂改造前设计供水能力为3万m3/d，改造前水源情况能满足要求,拟定改造后水处理能力为2.3万m3/d。

2.2.2 净水技术可行

两处水厂新增处理设施均采用旋转错流式超滤-反渗透双膜法水处理工艺，该种水处理工艺出水稳定、水质优良、产水率高，对硝酸盐和硬度处理效果理想，已获得国家发明专利授权，且农村饮水项目已实施多年，集中供水工程的输水、供水技术成熟可靠。

2.2.3 资金来源有保障

青州市龙泉水厂项目投资2262.97万元，寿光市东城水厂项目投资2406.48万元，分别由省级财政、市级财政、县级资金及公司自筹资金组成。

2.2.4 建后管理规范

工程建成后归青州市龙泉水务有限公司和寿光市自来水有限责任公司所有及管理。

3 净水工艺设计

3.1 膜分离技术原理

膜分离技术原理是使用天然或者人工合成的高分子膜，在外界推动力(压力差、电势差、浓度差、化学位差)的作用下，依靠膜的选择透过性特点，小分子物质能够自由通过半透膜，对于大分子物质，选择性膜不对其有透过性而被截留下来，从而完成对多组分中的物质进行分离、提纯、浓缩[2]。

根据膜的不同构造及功能作用，将膜技术分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等[3]，可应用在饮用水、工业污水的处理及海水淡化中，在进行饮用水处理过程中需要多个不同功能的薄膜形成一组集成膜，确保分离出的水质质量[4]。

3.2 净水工艺比选

以青州市龙泉水厂为例，预处理选取传统快滤工艺、中空纤维膜超滤工艺、旋转错流式超滤工艺进行比选，通过对药剂费、反冲洗费、滤材更换费等进行综合测算可知，相比于传统快滤工艺，旋转式超滤工艺运行费用可节约127.8万元/年；相比于中空纤维膜超滤工艺，费用可节约86.9万元/年。

深度处理工艺选取低压纳滤和反渗透过滤工艺进行比选，通过对吨水滤膜更换费、吨水药剂费、吨水水电费等进行综合测算可知，相比于低压纳滤工艺，反渗透工艺运行费用可节约107.3万元/年。同时采用反渗透工艺，因出水水质极优，可将部分原水与超滤产水合理勾兑，其出水水质仍可以达标，进而降低一次性投资和制水成本。

若净水工艺采用旋转错流式超滤-反渗透双膜法水处理工艺，井水可直接进入超滤系统，无须设置任何过滤设备或保安过滤器；超滤设备通过膜组件的液下旋转实现高效错流操作，消除浓差极化，实现膜表面自我清洁，防止颗粒物质造成膜堵塞；绿色环保，无须使用絮凝剂等化学药剂，制水过程无污泥排放。

经综合比选，两处水厂采用旋转错流式超滤-反渗透双膜法水处理工艺优势明显。

3.3 双膜法工艺设计

3.3.1 设计原理

超滤膜可以有效去除水中的胶体、蛋白质、微生物等大分子物质，反渗透膜对于一价离子，如钠离子、钾离子、氯离子等有很高的截留率[3]，硝酸盐作为一价的硝酸根离子，通过反渗透膜截留直接滤除，去除率达95%。并且通过超滤膜系统去除水中的悬浮物和胶体物质，可以保护后面的反渗透膜，独特的旋转错流式超滤设备，可以防止颗粒物质造成的膜堵塞，为反渗透提供浊度小于0.1NTU的“超滤水”。反渗透膜系统不仅可以去除硝酸盐，还可以有效地降低水硬度。

3.3.2 主要参数

超滤膜系统采用旋转错流式超滤膜，使用一体化不锈钢膜箱，膜组件加载0.04μm进口平板式PES材质超滤膜片，支撑板材质为聚丙烯(PP)，膜组件主体为304不锈钢材质，膜通量为60～70L/(m2·h)，出水量为432～504m3/h。

3.3.3 工艺流程

以青州市龙泉水厂为例，井群提水管网出水直接进入超滤膜系统，利用超滤膜的筛滤、截留作用去除水中悬浮物、胶体类物质和细菌等，从而极大地延长后续反渗透膜的使用寿命；超滤膜系统出水进入中间水池，经泵提升至反渗透膜系统，反渗透膜系统产水8200m3/d，与原水5800m3/d混合进入清水池，清水池池水经加氯消毒后由变频供水机组提升，最终送入供水管网供给用户(见图1)。

图1 青州市龙泉水厂水处理流程

3.3.4 废水处理与排放

以青州市龙泉水厂为例，超滤和反渗透浓水混合后排放，新建浓水池和长度约2km的DN150排放管道，预计总排放量为1550m3/d(指标值见表1)，排放标准执行《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)表4中其他排污单位的二级标准。经环保部门允准后，工艺废水排入污水处理厂经统一处理后再利用。

表1 废水排放情况与执行标准

4 实际效果及效益分析

4.1 出厂水水质分析

工程试运行阶段，建设单位委托第三方公司对出厂水进行检测，青州市龙泉水厂出厂水硝酸盐检测值为5.760mg/L，寿光市东城水厂出厂水硝酸盐检测值为4.053mg/L，达到预期标准要求。

自2018年11月处理设施运行以来，青州市龙泉水厂为降低生产成本，采取隔天开机组的方式，反渗透膜系统产水与深井原水勾兑比例为2∶3，硝酸盐月检测范围在8.460～15.700mg/L之间；寿光市东城水厂为降低生产成本，根据实践经验，按照供水量在2.3万m3以下的开2套机组，在2.3万m3以上的开3套机组的方式，反渗透膜系统产水与深井原水勾兑比例为4∶1，硝酸盐检测范围在4.030～16.200mg/L之间，检测值均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中地下水源限制要求。同时双膜法有效地降低了出厂水的总硬度，青州市龙泉水厂总硬度检测范围在320～400mg/L之间，寿光市东城水厂总硬度检测范围在240～388mg/L之间，检测值均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。

4.2 产生的相关效益分析

增设硝酸盐深度处理设施后，两处水厂出厂水水质稳定达标，符合国家饮用水标准，供水水质明显改善，供水保证率和群众满意度明显提高，促进了供水区域工农业生产的发展，社会效益较好。

a.保障供水水质。通过工艺改造，两处水厂供水水质明显改善，水质均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求，为农村居民提供了安全放心的饮用水，居民与饮用水相关的各类疾病(如胃肠道)明显减少，村民的健康程度大大提高。

b.满足供水需求。工艺改造后，两处水厂保障了周边村庄饮用水安全及企业的生产生活用水需求，建立了良好的供水秩序，辖区内供水保证率达到95%以上。

c.维护社会安定。随着饮用水质量的提高和用水条件的改善，村民的生活环境和日常卫生习惯也得到较大改变，村民可以节省大量时间用于发展经济和参与各项文化娱乐活动，提高了群众的满意度和幸福感。同时有效地解决了由农村水资源分配不当而引发的各类问题，有利于村与村之间及村民之间的和谐相处，增强了村民的安全感和稳定感，实现了农村居民安居乐业，维护了社会安定。

5 结 语

总体来讲，两处水厂增设硝酸盐深度处理设施，采用井水—超滤—中间水池—反渗透—清水池—用户水处理工艺可以有效地解决硝酸盐及总硬度偏高的问题，解决成本高、处理效果不好的难题，改善了供水水质，提高了供水保证率，保障了水厂出厂水稳定达标，对同类型以地下水为水源，且硝酸盐浓度较高的水厂改进水处理工艺有较好的参考价值。