农村高铁、锰地下水净化及恒压供水系统设计

王晓丽，周 冲，黄鹏飞，单 科，杨树军，蒋立冬，王生辉

(国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

我国有很多地区的地下水中铁和锰的含量较高，超过或大大超过了生活饮用水卫生标准和工业用水标准。含铁、锰水有铁腥味，使用中会在各种家用器具上产生棕色锈斑，洗涤衣服会被染成黄色或棕黄色污渍，沉淀在管道内壁的铁质可使铁菌生长等，使水龙头放出“红水”；含铁(锰)水用于造纸、纺织、软片制造或制革等，会使产品产生污点，降低产品质量。长期使用或饮用会给人们的生产和生活带来不同程度的不便和危害[1-2]。

海南省地质结构较特殊，很多农村位于岩层上，地下水更容易出现铁、锰含量超标的情况，海南省水务厅党组高度重视，将农村饮水安全巩固提升工程作为海南重点惠民工程之一，列入省、市“十三五”规划、为民办实事项目。文章以陵水某村为例，针对地下水铁、锰严重超标、集中供水设施不完善、村民生活用水未经消毒净化，水质长期不达标等问题，结合现状和水质指标，通过对地下井水进行预处理，除掉铁、锰，经超滤进一步净化后，产水水质满足生活饮用水标准。另外，在农村供水方面，为了保障村民饮用水供水安全，产水经消毒后采用变频恒压方式进行供水，避免传统水塔供水可能产生的二次污染[3]，使每家每户都能喝到干净的水，解决了困扰村民多年的用水问题。

2 净化供水工艺设计

该系统原水取自陵水县农村地下井水，水质情况见表1，净化及供水工艺流程见图1。地下水铁、锰含量超标，浊度及悬浮物含量较高，预处理采用锰砂过滤和石英砂过滤，除去地下水中铁、锰、颗粒物、悬浮物，经保安过滤器进入超滤过滤系统，水中细菌、胶体、颗粒物、有机分子等被截留，从而达到地下井水进一步净化的目的。超滤回收率按93%进行设计。产水规模为144 m3/d，即6 m3/h，经超滤处理后，符合生活饮用标准的产水进入产水水箱进行缓冲储存，经消毒后通过恒压供水系统进入输水管网，产水水质见表2所示。

表1 原水水质Tab.1 Raw water quality

图1 地下水净化及供水工艺流程图Fig.1 Process flow chart of groundwater purification and water supply

表2 产水水质Tab.2 Quality of water production

2.1 预处理模块

预处理模块由锰砂过滤器、砂滤过滤器及曝气装置组成，锰砂过滤器采用天然锰砂作为过滤介质，天然锰砂是一种很强的氧化剂，主要成分是二氧化锰，它是二价铁氧化成三价铁良好的催化剂，常用于地下水除铁除锰。只要水中pH值大于5.5时，与锰砂接触，即可将二价铁氧化成三价铁。生成的三价铁立即水解生成絮状氢氧化铁沉淀，经锰砂过滤后被除去，因此，锰砂滤层起着催化和过滤的双重作用。

砂滤过滤器由不同粒径的石英砂作为过滤介质，可有效去除水中的悬浮物，并对水中的胶体、有机物、农药、细菌、病毒等污染物有明显的去除作用。pH值适用范围为2～13，具有过滤阻力小，比表面积大，耐酸碱性强，耐氧化，抗污染性好等优点。

滤速：10 m/h ，滤料粒径规格：0.5 mm～1 mm，罐体直径：900 mm(见图2)。

图2 预处理设备图Fig.2 Diagram of pretreatment equipment

含铁、锰的地下水在进锰砂过滤器前，经射流器吸入空气，把空气通入水中，空气中的O2体积含量占21%，而CO2的体积占0.03%。地下水中不含溶解氧，但CO2含量较高，当曝气时，空气中的O2溶于水而水中的CO2逸出到大气中，以保持平衡，提高pH值。在过滤器内水中的二价铁与空气中的氧，在催化剂的作用下充分反应使二价铁被氧化生成难溶于水的三价铁化合物析出，并被滤池滤出，出水含铁锰量达到国家饮用水标准。

2.2 超滤模块

超滤一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到部分的纯化。

超滤系统是核心净化设备，是利用超滤膜多孔材料的拦截能力，以机械筛分原理为基础，以膜两侧压差为驱动力，以物理截留的方式去除水中杂质颗粒。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时，水分子透过膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留，从而使水得到净化。分离过程不发生相变化，耗能少，设备及工艺流程简单，易于操作、管理及维修[4～6](见图3)。

图3 地下水预处理设备图Fig.3 Diagram of groundwater pretreatment equipment

根据水质水量特点，该工程超滤过滤方式按错流设计，回收率≥93%，产水水质SDI≤2、浊度≤0.20 NTU。滤膜为外压式膜，采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料，工程膜孔径0.03 μm，可有效去除细菌、病毒、颗粒物以及胶体等[7]。

2.3 清洗模块

超滤在正常运行一段时间后，就会在超滤膜内积聚一些污染物，主要为小颗粒悬浮物、大分子有机物、胶体、微生物、难溶盐类沉淀等污染。由于被截留的杂质在膜表面上不断积累，会产生浓差极化现象，当膜面溶质浓度达到某一极限时,即生成凝胶层，使膜的透水量急剧下降，这使得超滤的使用受到一定程度的限制，需要清洗。

常用的物理清洗方法：顺冲，将超滤膜内孔中的浓水排尽，靠增大流速冲洗膜表面；反洗，将膜内表面的污染物冲松散或剥落，将已松散或从膜内表面上剥落的被截留物冲出膜组件外，一般设为自动定时形式。

虽然定时的物理清洗能较好地维持膜性能的相对稳定，但反洗不能使通量达到100%的恢复。就需要化学清洗，利用化学药品与膜表面杂质进行化学反应来清洗膜，一般采用酸洗和碱洗。碱洗杀菌：配制氢氧化钠溶液控制pH值12左右，并加入500 mg/kg～1 000 mg/kg的次氯酸钠进行循环药洗30 min、浸泡1 h，浸泡过程中，每20 min进气30 s。浸泡结束后排尽药液；酸洗：配制盐酸至pH值为2,酸洗循环过程中不断加入盐酸保持pH值控制为2，循环30 min后浸泡1 h，每20 min进气30 s。

2.4 恒压变频供水工艺设计(见图4)

图4 变频恒压供水系统图Fig.4 Diagram of variable frequency constant pressure water supply system

农村地区多采用水塔进行存水，靠重力自留至用水点，这种传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，水压也不能保持恒定。近年来，随着变频调速技术的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛应用，恒压变频供水能够保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压变频供水多用在自来水厂、居民生活区、宾馆、企业生产用水、锅炉循环水系统等[8]。

该工程共设置4台变频启动供水泵及配套控制系统对整村用户进行恒压供水，保障村民峰值用水。

3 经济分析

3.1 工程装机功率(见表3)

表3 主要设备能耗表Tab.3 Engineering Installed Power

整体装机功率10.2 kW，正常运行功率6.6 kW，1 t水耗电1.1 kW·h，电费按照0.6元/kW·h计，1 t水耗电费0.66元。

3.2 药剂费用

一般地下水净化系统运行中，使用的化学药剂主要是超滤膜的化学清洗消耗，主要有次氯酸钠、碱和酸，一般1个月～2个月清洗一次，折合成1 t水消耗的化学药剂费用为0.04元。

综合制水成本约0.7 元/t。

4 小结

通过锰砂过滤+石英砂过滤+超滤+消毒+变频恒压供水，系统产水量144 m3/d， 回收率高达93%，1 t水能耗1.1 kW·h，工程运行费用0.7 元/m3，产水水质符合饮用水水质标准。解决了海南农村地下水净化和供水问题，为我国农村饮水安全项目工程建设提供参考。