超滤反渗透组合工艺在水厂硝酸盐深度处理中的工程应用

2021-10-11李洁

净水技术 2021年10期

李洁

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

市政给水常规净水工艺通常以去除浑浊度为主要目标。若要解决原水中嗅、味、有机污染等具体问题，进一步提高水厂供水水质，需针对性设计深度处理工艺。深度处理工艺一般包括活性炭吸附、臭氧-生物活性炭、膜处理、各种高级氧化技术等。工程中应用较多的是以去除有机物为目标的臭氧-生物活性炭技术，以保障出水水质浑浊度控制(≤0.1 NTU)和生物安全为目的超滤膜技术[1]，以及两者联用技术[2-3]。但是对于一些原水中有较高溶解性盐分(如氯离子、硫酸根、硝酸根等)的水厂，以上工艺无法有效解决无机盐阶段性超标的问题。根据山东某水库型水厂水源水质特点和出水水质进一步提升的要求，本文介绍了超滤反渗透双膜组合工艺[4]用于给水深度处理的工程案例，以期为今后类似水厂的升级改造设计提供参考。

1 原水来源及特点

山东省某水库水源地，调蓄本地雨水作为水厂的原水。干旱季节为保证正常的供水需要，水库由胶东调水干渠引水调蓄，每年引“客水”约500万m3。客水进入水库后与本地水混合后备用，水质存在一定波动。根据近3年水厂进水水质检测报告，原水主要存在硝酸盐时有超标的问题，而水厂现有的混凝沉淀过滤消毒的常规处理工艺无法有效去除无机盐，引起同期出厂水曾出现硝酸盐超标的情况(图1)，存在供水安全隐患。图1中部分月份常规处理出水硝酸盐浓度相较于进水显著增高，不排除采样或者实验室测定误差，也有可能系统中出现了部分累积现象。

图1 进水及常规处理出水硝酸盐浓度Fig.1 Nitrate Concentration in Water before and after Conventional Treatment Process

2 工艺原理及流程

水厂原水硝酸盐高的案例并不多，一般出现在面源污染较严重的水库水或者一些地下水水源中。国内外文献报道中，粉末活性炭法[5]对硝酸盐的去除极为有限；超滤和颗粒活性炭联用法[6]主要还是依靠活性炭吸附作用，长效性难以保证，经济性一般。原水碳源不足，且进水硝酸盐浓度不稳定，用反硝化滤池法外加碳源很难控制。同时，挂膜微生物需适应的负荷变化较大，此外也存在剩余碳源进一步反应生成消毒副产物的风险。人工湿地[7]相对有效但占地面积大，用地问题需进一步解决。目前条件下，海水淡化工程中应用较为成熟的双膜工艺仍是硝酸盐去除较为有效的手段。

膜处理技术根据膜孔径的不同，可以分为微滤、超滤、纳滤以及反渗透。对于溶解性盐，超滤膜孔径相对较大。纳滤膜可有效去除多价离子，降低水的硬度，但一价阴离子的盐可以大量渗过膜[8-9]。反渗透脱盐主要应用于海水及苦咸水淡化。对于硝酸根离子超标的问题，鉴于纳滤对单价离子的截留率相对较低，推荐采用反渗透膜。反渗透膜孔径小，砂滤后出水直接进入反渗透膜会降低膜的工作周期及减少使用寿命。因此，通常在反渗透膜前增加预处理，目前常用的预处理工艺是超滤工艺。以超滤作为反渗透的预处理工艺，不仅出水水质好(SDI值一般可控制在3以下)，而且可以大大提高系统运行的稳定性，降低反渗透化学清洗的频率。综合考虑工程投资、运行成本、管理维护等因素，建议采用超滤-反渗透系统作为推荐的深度处理工艺。改造后的水厂工艺流程如图2所示。

图2 改造后水厂工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of WTP after Reconstruction

3 设计参数及水量平衡

由于该工程原水偶有超标，且超标值除极个别数据外与国标允许限值相差不大。因此，工程设计时，可考虑采用部分水通过反渗透处理后，与经过常规处理的水混合，以保证水厂总体的高品质出水。根据原水统计数据，按照95%的保证率，膜系统进水硝酸盐浓度设计取值12.5 mg/L。根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，硝酸盐离子最大出水浓度允许值为10 mg/L。

膜系统基础设计参数主要是设计膜通量和系统回收率[10]。根据《城镇给水膜处理技术规程》(CJJ/T 251—2017)，膜通量为30～80 L/(m2·h)，超滤系统回收率不低于90%。本工程平均设计通量取53 L/(m2·h)，超滤系统产水率不低于93%。对于反渗透系统，设计通量取22.6 L/(m2·h)，基于浓水需达标排放(TDS≤2 000 mg/L)的考虑，反渗透系统回收率不能太高，取75%，反渗透脱盐率为98%。同时，考虑水温对膜系统运行影响较大，设计出厂水硝酸盐离子浓度距离标准限值适当留有余量，取9.68 mg/L。水厂供水规模为5万m3/d。基于以上设计参数进行水量勾兑平衡计算如表1、图3所示，由此确定深度处理规模为1.8万m3/d。

表1 水量勾兑计算Tab.1 Calculation of Water Blending

图3 水量平衡图Fig.3 Equilibrium Diagram of Water Quantity

根据水量勾兑计算的结果，可进一步测算出双膜系统实施前后水质指标改善情况，如表2所示。

表2 改造前后水质指标对比Tab.2 Comparison of Water Quality Indexes before and after Reconstruction

4 膜系统设计

深度处理设综合膜车间1座，内设超滤系统、反渗透系统及附属处理构筑物(图4)。土建地上两层，地下一层。由于场地条件不规整，单体布置依地形条件设计。在厂区西侧预留用地按进水(常规处理来水)及出水(清水池)的方向及工艺流程要求,在地下由东向西布置超滤进水池、反渗透产水池、提升及反洗泵房、超滤产水池、浓水池、废水泵房。地上一层设置加药反洗、空压机室、办公、水质间等附属设施，地上二层为膜组件。配电间根据地形特点设置于一层东北角，靠近二级泵房变配电间。为满足现有排泥水与膜车间生产废水混合排放的需求，配电间下叠合混合池1座。

图4 膜车间平面布置方案Fig.4 Layout Scheme in Membrane Unit

超滤系统设置3台超滤供水泵(2用1备)，采用变频恒定流量控制，通过出水流量的信号反馈为超滤系统提供恒定流量的进水。同时设置2台过滤精度为100 μm的自清洗过滤器，将可能造成膜损坏的、较大的机械性杂质过滤，防止原水中的异物进入超滤膜系统，对膜造成损坏。进水加杀菌剂，进一步去除水中的细菌和微生物，避免超滤膜发生生物污染，保障超滤膜的性能和寿命[11]。4套超滤膜主机为本系统的核心部件之一，大部分的细菌、藻类、胶体物质、大分子有机物和微小(大于0.05 μm)的颗粒物质可以在此去除，操作周期为45～60 min。超滤运行一定时间后，会在膜的表面形成一层污染层，以组件为单位依次自动进行反洗，去除被截流的悬浮物、胶体和大颗粒物质等，以恢复膜的水通量。设置2台超滤反洗泵(1用1备)，反洗时，由反洗泵从超滤产水池内将水由超滤(UF)膜组件的清水出口反向泵入中空纤维膜内进行清洗。同时，根据运行情况，按一定的周期对膜作化学加强清洗，去除膜上黏附的细菌、藻类、水垢和有机物等，使其膜通量得到良好的恢复。

反渗透系统设置3台反渗透供水泵(2用1备)，4台精密过滤器，精密过滤器用于去除大于5 μm的颗粒物，保护反渗透膜元件。设置4台反渗透高压泵，用于反渗透系统的增压。同时反渗透工艺在运行过程中，污染物/盐分在浓水侧浓缩，超过了在水中的自然溶解度，容易造成浓水结垢。配置1套阻垢剂添加装置来破坏反渗透膜浓水侧垢的形成及晶体晶格结构减轻结垢趋势。设置4套反渗透主机，用于去除水中溶解盐类、小分子有机物等。设置1台反渗透冲洗泵(1用)，可自动冲洗膜元件表面，将膜表面的污染水置换成净化水，减轻表面沉积物的污染，从而保证膜元件的正常寿命。由于浓差极化，反渗透膜表面仍可能会产生各类污垢，致使反渗透膜性能下降、产水量下降、脱盐率下降，这时必须进行化学清洗来恢复膜的透水量。反渗透机组与超滤机组共用1套化学清洗装置。对于不同的膜污染类型，应选择具有针对性的清洗剂，实际运行时可进行膜元件抽样检验，参考膜厂家提供的技术手册选用单一或多种清洗剂。设计过程中需考虑几种不同药剂储存及切换的可能性。清洗周期应在同样产水量下膜运行压力超过10%或同等压力下产水量减少10%时清洗，膜的通量恢复较好。膜车间排出浓水与沉淀池排泥水、滤池反冲洗水混合后，SS：345 mg/L，TDS：1 820 mg/L，可排入厂外污水管网(标准限值：SS≤400 mg/L，TDS≤2 000 mg/L)。同时实际运行时，若原水水质条件较好，TDS能满足杂用水水质标准，可考虑用于厂区绿化浇洒等。

5 运行成本分析

生产成本按其与产量变化的关系分为可变成本与固定成本。固定成本包括企业管理费用、人员工资、固定资产折旧费、修理费等。实际运营时比较重要的指标为可变成本。按照电费0.6元/(kW·h)，每年运行8 000 h，超滤膜9年寿命，反渗透膜6年寿命计算：折算到双膜系统进水规模1.67万m3/d，成本为1.23元/(t水)；折算到水厂供水规模5万m3/d，成本为0.32元/(t水)。测算成本组成如表3所示。