反渗透工艺在生活饮用水处理工程中的应用

摘要：某城镇水厂生活饮用水供水规模为3 000 m3/d，水源为地下水。根据水源水质开展工艺设计，采用“多介质过滤器+超滤膜+反渗透膜+次氯酸钠消毒”工艺处理原水。反渗透后水与滤池后水掺混供水，水质稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022），为类似新建或改造项目提供参考。

关键词：生活饮用水；地下水；反渗透；处理

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）06-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.071

Application of Reverse Osmosis Process in Drinking Water Treatment Engineering

HOU Jiang1， XIAO Chuanjing2， YAO Kuowei2

（1. Jinan Zhangqiu District Water Supply Co.， Ltd.， Jinan 250200， China;

2. Jinan Municipal Engineering Design amp; Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： The drinking water supply scale of a certain urban water plant is 3 000 m3/d， and the water source is groundwater. According to the water quality of the water source， process design is carried out， and the raw water is treated by using the “multi-media filter + ultrafiltration membrane + reverse osmosis membrane + sodium hypochlorite disinfection” process. The mixed water after reverse osmosis and filter tank is used for water supply， and the water quality is stably meets the Standards for Drinking Water Quality （GB 5749—2022）， thus providing reference for similar new construction or renovation projects.

Keywords： drinking water; groundwater; reverse osmosis; treatment

某城镇水厂生活饮用水供水规模为3 000 m3/d，水源为地下水，硝酸盐含量高于10 mg/L，并逐年升高，经检测，最高含量为19.5 mg/L。同时，现状水源井的溶解性总固体和总硬度存在阶段性超标问题。由于仅做消毒处理无法去除原水中的溶解性总固体、总硬度和硝酸盐，现状供水水质不能稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022），存在安全隐患，因此实施水厂水质提升工程。

1 原水及出水水质

根据水源水质监测报告，考虑最不利情况，设定原水水质指标，出水水质必须达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）。设计原水、出水水质主要指标及综合评价如表1所示。其中，硝酸盐以N计，总硬度以CaCO3计。

2 处理工艺选择

生活饮用水水质提升工程需要去除的主要污染物为硝酸盐，同时考虑同步去除原水中溶解性总固体和总硬度。该项目的硝酸盐去除率要求最高，去除率应不小于28.35%，总硬度去除率应不小于18.2%，溶解性总固体去除率应不小于9.1%。

2.1 核心工艺确定

溶解性总固体去除工艺包括纳滤法、反渗透法、电渗析法、离子交换法和蒸发法等。硝酸盐去除工艺包括生物反硝化法、反渗透法、电渗析法、脱硝阴离子交换法和化学还原法等。常用的除硬工艺包括石灰-碳酸钠双碱法、树脂软化法、纳滤法和反渗透法等。如表2所示，反渗透膜和致密型纳滤膜可同时去除溶解性总固体、硝酸盐与总硬度，因此可选择的核心工艺为膜分离法。膜分离法是指不同粒径分子的混合物通过具有一定选择透过性的半透膜时，在能量、浓度或化学位差的作用下实现选择性分离[1]。依据孔径的不同，半透膜可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。

反渗透膜孔径小，能够有效去除水中的溶解盐、胶体和微生物等。反渗透综合脱盐率通常不小于97%，对水中的一价盐和高价盐都有较高的截留率[2]。纳滤膜孔径一般在1 nm左右，分离原理近似机械筛分。纳滤膜主要截留分子量高于200的有机物以及二价和多价无机盐，而对一价盐的截留率较低[3]。因此，纳滤常用于水质软化、高浓度有机废水中有机物去除以及制药、生物化工、食品工业等领域的物料分离[4]。纳滤膜对硝酸盐的脱除率远低于反渗透膜，从设备投资、运行成本和供水安全等方面考虑，反渗透法更为经济可靠[5]。反渗透法能同步完成硬度去除、脱盐、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）脱除等，出水品质高，水质稳定，供水安全性高。反渗透膜脱盐率高，因此只需要处理部分原水，出水与未处理水混合后供水，可以降低水厂投资和运行成本。膜分离为纯物理过程，无相变、无化学反应，所以双膜法是一种清洁生产工艺。膜系统可全自动运行，操作简单，易于控制和维修，技术成熟，工程应用广泛。因此，选用反渗透膜作为核心工艺。

2.2 反渗透膜前端的预处理工艺选择

反渗透膜进水水质要求高，通常前端需要设置超滤膜进行预处理，组成“超滤+反渗透”双膜系统。项目现状地下水浊度和色度较高，水质存在不同程度的污染，原水进入双膜系统前进行过滤，可以保证进水水质，降低膜元件污堵，大幅提高膜系统效率和使用寿命，实现产水量、脱盐率、回收率和运行费用的最优设计。最常用的超滤膜为中空纤维超滤膜，根据安装和运行方式，一般分为2种，如表3所示。

浸没式超滤膜与外置式超滤膜材质均为聚偏二氟乙烯，土建投资基本相同，运行费用基本一致。与浸没式超滤膜相比，外置式超滤膜通量较高，因此同样处理规模的需膜量低，设备投资较低，总体投资也低。浸没式超滤膜适用于原水水质较好，水中污染物以悬浮物和胶体为主，而硬度及二氧化硅、铁、锰含量较低的工况。项目原水COD和总硬度高，同时含有较多的二氧化硅、铁与锰，因此原水进入超滤膜前需要经过“高效沉淀池+臭氧催化氧化池+炭砂双层滤池”进行预处理。超滤膜进水浊度低，水质好，无须采用浸没式超滤膜。为了降低工程投资，提高产水水质，确保系统稳定运行，采用外置式超滤膜。

2.3 工艺流程

该项目采用“多介质过滤器+超滤膜+反渗透膜+次氯酸钠消毒”工艺，基本流程如图1所示。项目设计供水规模为3 000 m3/d，包括2 200 m3/d反渗透产水和800 m3/d滤池产水。居民不能长期饮用纯净水，考虑水厂运行成本和经济效益，该项目采用混掺供水方式。混掺前后的水质对比如表4所示。

3 主要构筑物设计

3.1 净水间

净水间长和宽均为21 m，高为13 m，提供多介质过滤器、超滤和反渗透设备的安装空间，并集原水调节池、中间水池、超滤产水池、提升泵房、风机房、空压机间、清洗间、加药间、值班室、配电室和中控室等于一体，节约占地面积，方便工艺控制及管理。综合水池分为原水池和超滤产水池，容积分别为190 m3和160 m3。提升泵房配置原水提升泵、多介质反洗泵、超滤反洗泵和反渗透给水泵各2台。一层设备间配置4台多介质过滤器，以石英砂和无烟煤为过滤介质。采用气水联合反洗，气洗强度为15 L/（s·m2），水洗强度为10 L/（s·m2）。

二层设备间配置2台自清洗过滤器、2套超滤装置、2套反渗透装置和2台反渗透冲洗水泵，分为鼓风机房、空压机间、清洗间、加药间和辅助生产房间等。单套超滤装置净产水量为85 m3/h，平均膜通量不大于40 L/（m2·h），回收率不小于92%。单套反渗透装置产水流量为50 m3/h，回收率不小于75%，配套反渗透高压泵2台。鼓风机房配置罗茨鼓风机（多介质反洗用）2台，空压机间配置螺杆式空压机2台，工艺用空气储罐、仪表用空气储罐各有1个。清洗间配置化学清洗装置1套。加药间配置聚合氯化铝、还原剂、阻垢剂、酸、碱和次氯酸钠加药装置各1套。辅助生产房间细分为值班控制室、化验室和变配电室。

3.2 其他单体构筑物

新建清水池1座，有效容积为250 m3。供水泵房有1座，配套设置5套供水泵。回用水池及废水池各有1座，有效容积合计250 m3。回用水池用于储存超滤膜系统反洗废水，上清液回收至系统前端。废水池用于收集化学清洗废水，调节水量和水质后排至城镇排水管网。

4 结论

该城镇水厂以地下水为水源，水中硝酸盐含量高，溶解性总固体和总硬度存在阶段性超标问题。经论证，采用“多介质过滤器+超滤膜+反渗透膜+次氯酸钠消毒”工艺，实施生活饮用水水质提升工程。项目实施后，硝酸盐、总硬度和溶解性总固体的去除率可以达到相关要求，供水可以满足居民用水需求。

参考文献

1 何兴斌.双膜法工艺在矿井水深度处理中的应用实例[J].净水技术，2024（1）：118-124.

2 韩嘉玮，苑宏英，石雪莉，等.二级反渗透系统的工艺结构特征分析[J].工业水处理，2020（11）：120-122.

3 赵 冲，员 建，苑宏英，等.反渗透系统的运行调节及其能耗分析[J].工业水处理，2020（7）：116-120.

4 杨珮瑶，李 键，刘 渊.膜技术理论及其在给水深度处理中的应用[J].城镇供水，2022（3）：4-11.

5 程 峰，员 建，苑宏英，等.反渗透系统倒向运行工艺的技术特点[J].天津城建大学学报，2022（2）：137-140.

作者简介：侯将（1973—），女，山东济南人，高级工程师。研究方向：供水处理技术应用及水厂管理。