反渗透除氟除氨氮技术在饮用水中的应用

段作山，王向举，马小蕾，雷克刚，蔡之峰

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.石嘴山市润泽供排水有限公司，宁夏石嘴山 753099)

氟是人体必不可少的微量元素之一，适量的氟可以使牙齿坚固，降低龋齿的发病率，人体所需的氟主要来源于饮用水。饮用水适宜的氟浓度为0.5～1.0 mg/L，氟浓度高于1.0 mg/L则为氟超标，即为高氟水。长期饮用高氟水，则会引起氟斑牙、骨质松脆、关节僵硬甚至瘫痪[1]。当饮用水中氨氮浓度过高时，水中的氨氮易被硝化细菌利用生成亚硝酸盐。而含较高浓度亚硝酸盐的自来水被人体饮用后，将对人体健康产生极大的危害，尤其是婴儿很容易患上高铁血红蛋白症[2]，也易产生令人不快的嗅和味。同时，出厂水中的氨氮给供水管网中的自养菌提供条件，造成管道腐蚀和水质恶化。随着经济发展和生活水平的提高，人们对自身健康尤为关注，氟污染和氟中毒问题引起人们的高度重视。

宁夏B市A水厂供水范围为B市老城区。设计供水规模为7.0万m3/d，日均供水量为4.5万m3/d，水源为地下水。根据水资源论证报告，开采水取自第II含水层岩组，取水井采用管井形式。由于水源所在地为地震活跃地带，地质条件较差，地质构造的变化影响了氟化物的形态转化，随着地下水量的不断开采，溶解性的氟化物逐渐增多，使出水氟化物含量超标。此外，水源地距人工湖较近，受农业种植和水体污染的影响，水源地出水中的氨氮含量也出现超标现象。A水厂出水仅经二氧化氯消毒，再无其他处理工艺。无替代水源，因此急需增设除氟除氨氮的工艺。

1 工程概况

A水厂的水源地一期工程于1998年开工建设，规模为4.0万m3/d；二期工程于2010年开工建设，规模为3.0万m3/d。水源井均采用管井型式。水厂与水源地同期建设，一期工程供水规模为4.0万m3/d，二期工程扩建规模为3.0万m3/d，总供水规模达到7.0万m3/d。

A水厂现有的建构筑物包括：清水池3座、吸水井1座、送水泵房及配电室1座、加氯间1座、综合楼1座。处理工艺为：水源地进水→清水池(二氧化氯消毒)→吸水井→送水泵房→城区供水管网。

2014年—2015年的B市水质监测站检测报告显示，A水厂出水氟化物浓度为0.78～1.27 mg/L，出水氨氮浓度为0.20～0.66 mg/L，超出了《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的指标要求(氟化物≤1.0 mg/L，氨氮≤0.5 mg/L)，其他指标满足标准要求。

2 工艺改造方案

2.1 饮用水除氟技术

目前，国内饮用水除氟的主要方法有：吸附法、混凝沉淀法、电凝聚法、膜分离法等。各种方法的原理、优缺点、适用性、投资及成本比较如表1所示。

表1 饮用水除氟方法比较Tab.1 Comparison of Fluoride Removal Methods for Drinking Water

2.2 饮用水除氨氮技术

目前，国内去除微污染饮用水水源中氨氮的技术方法有：折点加氯法、吸附法、生物处理法和膜分离法。各种方法的原理、优缺点、适用性、投资及成本比较如表2所示。

表2 饮用水除氨氮方法比较Tab.2 Comparison of Ammonia Nitrogen Removal Methods for Drinking Water

2.3 改造方案确定

根据工艺改造方案中饮用水除氟除氨氮技术的论述，结合本工程的实际情况，综合考虑原材料采购的便利性、运行管理的自控程度、人员工作环境、后续供水安全的可靠性等因素，本工程除氟除氨氮的改造方案采用反渗透法。反渗透预处理单元包括滤池、过滤器及超滤膜。考虑到本工程可用于改造的占地面积小，且工程投资预算有限，采用多介质过滤器。多介质过滤器具有夏季藻类暴发风险小、冬季有利于保持水温、过滤器与反渗透之间无需中间水池、避免二次污染、出水SDI<3且稳定，满足反渗透进水指标要求等优点。

3 工程设计

3.1 设计进水、出水水质

根据A水厂不同月份水质超标的情况，提标改造设计进水、出水水质如表3所示。

表3 设计进水、出水水质Tab.3 Inflow and Outflow Water Quality in Design

3.2 规模确定

考虑到建设投资及运行成本的问题，同时为了达到节能、节水的目的，本工程采用反渗透膜处理+原水勾兑的处理方案，使出水水质达标。根据反渗透膜产品的相关资料，反渗透设备对氨氮的去除率可达85%以上，对氟化物的去除率可达97%以上，系统回收率为70%以上。

综合考虑投资、运行成本及操作难易程度等因素，经计算，确定工程规模如下：近期预处理单元处理规模为1.35×104m3/d，反渗透设备除盐率为97%以上，回收率为75%，产水量为1.0×104m3/d，与剩余原水3.5×104m3/d混合后，达到总供水规模为4.5×104m3/d，原水与膜处理出水的勾兑比例为3.5∶1；远期预处理单元处理规模为2.0×104m3/d，反渗透设备除盐率为97%以上，回收率为75%，产水量为1.5×104m3/d，与剩余原水5.0×104m3/d混合后，达到总供水规模为6.5×104m3/d，原水与膜处理出水的勾兑比例为10∶3。

3.3 工艺流程

提标改造工艺流程如图1所示。

图1 A水厂提标改造流程框图Fig.1 Flow Block Diagram of Upgrading and Reconstruction for Plant A

3.4 构筑物设计

A水厂水质提标改造工程新增的建构筑物包括：原水池、净水间、反洗水池。

3.4.1 原水池

原水池作为多介质过滤器的进水池，储存系统1 h的用水量，按远期规模建设。新建半地下式钢砼水池1座，结构尺寸为10.9 m×15.7 m×6.0 m，有效水深为5.0 m，有效容积为750 m3。

3.4.2 净水间

净水间为综合处理车间，包括多介质过滤器、反渗透装置、水泵间、加药间、配电控制室、水质分析室。新建框架建筑1座，总建筑面积为1 015.36 m2。设备间轴线尺寸为30.0 m×22.8 m，层高为8.4 m。水泵间轴线尺寸为17.4 m×6.6 m，地上部分层高为4.5 m，地下部分深为3.20 m。加药间轴线尺寸为12.0 m×6.0 m，层高为4.5 m。配电室及控制室轴线尺寸为18.0 m×6.0 m，层高为4.5 m。

①多介质过滤器

多介质过滤器为反渗透进水的预处理设施。设计滤速为8.9 m/h，强制滤速为10.2 m/h，直径为3.4 m。近期安装8台，预留4台位置。滤料为石英砂和无烟煤，滤料高度为1.2 m。采用气水联合反冲洗方式，反洗周期为24～48 h，当出水浑浊度>2.0 NTU时，自动反冲洗；当进水浑浊度>3 NTU时，在进水总管上投加絮凝剂PAC，设计投加量为5.0 mg/L。

②反渗透装置

反渗透装置采用2段式。设计水温≥10 ℃。采用东丽TM7低压反渗透膜元件，运行通量为22～25 L/(m2·h)。运行压力为1.55 MPa。根据进水冬夏季水温不同，可适当调整运行压力。

近期安装4套，预留2套位置。单套含24支膜壳，每支膜壳有6支膜元件，共144支膜元件，1段和2段的膜元件比例为2∶1，单个膜元件有效膜面积为37 m2。配套4套保安过滤器，过滤精度为5 μm。

进水SDI<5；系统回收率≥75%；系统脱盐率≥95%；出水氟离子含量≤0.03 mg/L；出水氨氮含量≤0.08 mg/L。

③加药间

加药间内安装非氧化杀菌剂投加装置、盐酸投加装置、阻垢剂投加装置、次氯酸钠投加系统、絮凝剂投加装置、反渗透清洗装置各1套。

非氧化杀菌剂设计投加量为4 mg/L，盐酸设计投加量为450 mg/L，阻垢剂设计投加量为3 mg/L，次氯酸钠设计投加量为5 mg/L。药剂投加量最终由调试确定，清洗周期根据膜污染情况确定。

④泵房

多介质过滤器给水泵5台，4用1备，单泵参数为Q=150 m3/h，H=30.0 m，N=45 kW；

多介质过滤器反冲洗水泵2台，1用1备，单泵参数为Q=400 m3/h，H=20.0 m，N=30 kW；

滤池反冲洗用罗茨鼓风机2台，1用1备，单台风机参数为Q=9.95 m3/min，P=58.8 kPa，N=15 kW。

3.4.3 反洗水池

反洗水池接纳反渗透设备的浓水，部分用于多介质过滤器的反冲洗水，其余部分用泵提升排至第一中水厂超越管。储存系统2 h的系统用水量，供多介质过滤器反冲洗水泵吸水池用。按远期规模建设，新建地下式钢砼水池1座，结构尺寸为18.7 m×6.7 m×4.5 m，有效水深为3.8 m，有效容积为400 m3。安装潜污泵2台，1用1备，泵参数为Q=150 m3/h，H=10 m，N=5.5 kW。

4 成本分析

A水厂提标改造工程的运行需消耗电能及药剂。运行成本分析按照4.0万m3/d规模计算，运行成本如表4所示。

表4 运行成本 Tab.4 Running Cost

5 运行效果

宁夏B市A水厂水质提标改造工程于2017年年底建设完成，截至目前已运行近3年。因冬夏季地下水源井进水温度变化不大，均在13～16 ℃，膜系统运行压力不调整。考虑到进水水质偏碱性，为满足反渗透进水要求，需投加盐酸进行pH调节，调整至进水pH值为6.95左右。经反渗透除氟除氨氮后，出厂水氟化物浓度在0.91 mg/L左右，氨氮浓度在0.35 mg/L左右，出厂水浑浊度在0.5 NTU以下，满足现行生活饮用水卫生标准的要求，反渗透系统运行良好。

6 膜污染及化学清洗

通过对反渗透膜SDI测试膜片上的残留物进行鉴别，残留物为晶状体外形残留物，无气味，为无机胶体和钙垢的显著特征。因此，本项目运行造成的膜污染类型主要为无机盐垢。当跨膜压差增加到初始值的1.5倍或产水量降低10%时，均自动进行化学清洗，清洗药剂采用柠檬酸和氢氧化钠，清洗液水温需保持在30～35 ℃。

化学清洗的程序为：(1)采用反渗透膜产水大流量对膜元件进行冲洗，冲洗时间为0.5～1.0 h；(2)配置2.0%柠檬酸溶液，清洗水箱容积为10 m3，投加200 kg柠檬酸药品，对溶液进行搅拌使柠檬酸迅速充分溶解，随后投加氢氧化钠，使溶液pH值为3.5左右；(3)将清洗液进行低压循环，压力约0.1 MPa，排放最初10%～15%的清洗液，直至完成清洗；(4)排放所有清洗液，将清洗水箱完全排空，使用反渗透产水，彻底清除所有残留的清洗液。运行表明，清洗周期为3个月左右。

7 结论

(1)A水厂提标改造工程采用的反渗透除氟除氨氮技术可以满足现行生活饮用水卫生标准要求，运行成本仅增加0.313 5元/(t水)。

(2)反渗透膜污染类型主要为无机盐垢，采用柠檬酸及氢氧化钠清洗液清洗后，膜污染基本消除。

(3)本工程为国内首次较大规模采用反渗透除氟除氨氮的供水厂，对于以地下水为水源，且氟化物、氨氮等特征因子超标的原有水厂提标改扩建、新建水厂除氟除氨氮具有推广及示范意义。