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膜法水處理技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的研究與應(yīng)用 董浩1 董福平2 楊新新1 （1.浙江省農(nóng)田水利總站，浙江 杭州 310009；2.浙江省水利學(xué)會(huì)，浙江 杭州310020） 摘 要：浙江內(nèi)陸地區(qū)農(nóng)村飲用水工程存在服務(wù)對(duì)象分散、源水水質(zhì)差、地形復(fù)雜等特點(diǎn)，而東南沿海及海島地區(qū)具有資源型缺水，但灘涂水庫亞海水資源豐富的現(xiàn)狀，與城市供水之間有著明顯的差異。本文著重論述了超濾技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的應(yīng)用研究以及利用反滲透技術(shù)進(jìn)行亞海水淡化的研究成果。 關(guān)鍵詞：膜；超濾（UF）；反滲透（RO）；飲用水；農(nóng)村 1. 概述 浙江內(nèi)陸地區(qū)農(nóng)村飲用水工程存在服務(wù)對(duì)象分散、源水水質(zhì)差、地形復(fù)雜等特點(diǎn)，而東南沿海及海島地區(qū)具有資源型缺水，但灘涂水庫亞海水資源豐富的現(xiàn)狀，與城市供水之間有著明顯的差異。為推廣應(yīng)用先進(jìn)適用技術(shù)，多途徑解決農(nóng)村飲用水水源問題，我們開展了膜法水處理技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的研究與應(yīng)用，取得了較好的效果。 目前，國內(nèi)外的飲用水處理技術(shù)主要有常規(guī)處理技術(shù)、強(qiáng)化常規(guī)處理技術(shù)、深度處理技術(shù)、膜處理技術(shù)等。傳統(tǒng)的飲用水處理工藝一般為：混凝—沉淀—過濾—消毒，以去除水中的懸浮物、膠體顆粒物為主，相對(duì)受污染水源中溶解性有機(jī)物的去除能力則明顯不足。同時(shí)，隨著對(duì)消毒副產(chǎn)物、微生物指標(biāo)和內(nèi)分泌干擾物質(zhì)研究的深入，人類對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，部分常規(guī)水處理技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)需求。 膜技術(shù)是20世紀(jì)水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，常用的膜技術(shù)包括微濾（Microfiltration，MF）、超濾（Ultrafiltration，UF）、納濾（Nanofiltration，NF）、電滲析（Electro Dialysis，ED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）。該技術(shù)依據(jù)原水水質(zhì)，選用不同的膜來截留水中物質(zhì)，所以它是一種嚴(yán)格的物理的和絕對(duì)的分離技術(shù)。 表1.1顯示了水中各種雜質(zhì)的大小和去除它們所使用的分離方法。微濾是傳統(tǒng)過濾法的直接延伸，屬于亞微米級(jí)范圍，用以過濾膠體和細(xì)菌（＜10-2~10-7m）；超濾比微濾晉升一級(jí)，可去除病毒和大分子量有機(jī)物質(zhì)（10-7~10-8m）；納濾可去除小分子量（＜300）有機(jī)物及二價(jià)金屬離子；反滲透需在高壓（滲透）力下產(chǎn)生作用；電滲析是一種不同性質(zhì)的工藝，它是用離子交換膜在電動(dòng)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，去除溶液中的帶電離子。膜處理技術(shù)有以下基本性能：①它是一種物理過濾作用，不需要加注藥劑；②它是一種絕對(duì)的過濾作用；③它不產(chǎn)生副產(chǎn)品；④它運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力是壓力，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 表1.1 膜法工藝適用范圍與特點(diǎn) 微濾MF 超濾UF 納濾NF 反滲透RO 膜孔徑 0.1-2.0 μm 0.01-0.1 μm <0.02 μm < 10 A 操作壓力 0.2－2 bar 1－5 bar 3.5－8 bar 7－42 bar 56-84 bar(海水) 細(xì)菌、懸浮物 蛋白質(zhì)、病毒、膠體 鹽 殺蟲劑 鞭毛蟲、酵母 顏料、膠體 蛋白質(zhì)、病毒 鹽、膠體 鹽 鹽、膠體 純水 殺蟲劑 2. 超濾技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的研究與應(yīng)用 2.1 試驗(yàn)研究與示范工程建設(shè) 2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法 通過幾個(gè)不同水源的超濾實(shí)驗(yàn)，來確定工藝流程是否可行。先取原水進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，以確定氧化劑和絮凝劑的加入量，然后用超濾組件試驗(yàn)，并對(duì)原水和產(chǎn)水進(jìn)行分析。 試驗(yàn)儀器包括實(shí)驗(yàn)裝置和分析儀器：SFD-0.5型超濾裝置；HACH公司 DREL2400、DREL4000分光光度儀；waltron公司μAI-7041-01-A02硅分析儀；Ionics 公司Sievers 820 TOC儀；DIONEX公司ICS-2000 離子色譜儀；PE公司AA800原子吸收分光光度儀；Agilent公司1100高效液相色譜儀、6980-5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀；Beckman公司顆粒分析儀；JEOL公司JSM-6360LV電子掃描顯微鏡；PMI公司CFP-1500-AX毛細(xì)管流動(dòng)孔徑儀；SEO公司Phoenix300接觸角分析儀；micromeritics公司ASAP-2020M比表面和孔分析儀等。 2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果 對(duì)擬建水站的三份水源水（東苕溪、福山、基山）分別進(jìn)行了3次小試，使用OMEXELL小型超濾組件，氧化劑加入量為5ppm、絮凝劑加入量10ppm，工藝流程如圖1所示。 以上試驗(yàn)表明，“氧化—絮凝—超濾”工藝能很好的去除濁度、鐵、錳，較好的去除CODMn，對(duì)氟化物也有一定的去除能力，產(chǎn)水口感好，經(jīng)原水和超濾產(chǎn)水分析，結(jié)果能夠滿足飲用水的要求。 超濾泵 絮凝劑 氧化劑 原水（河水） 產(chǎn)水 超濾裝置 圖1.試驗(yàn)工藝流程圖 2.2 示范工程建設(shè) 湖州市妙西鎮(zhèn)基山村是當(dāng)?shù)氐呢毨Т?，由于該村居住人口比較分散且附近水源地得不到有效保護(hù)，村民原來一直飲用經(jīng)簡(jiǎn)單沉淀處理后不達(dá)標(biāo)的河水。作為本次研究的試點(diǎn)工程項(xiàng)目，該水廠已正式投入運(yùn)行。該工程主要指標(biāo)如下： （1）產(chǎn)水水質(zhì)：經(jīng)湖州市疾控中心檢測(cè)化驗(yàn)，污染水源采用超濾膜處理后的產(chǎn)水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-85的要求。 （2）供水規(guī)模：該工程最大供水能力為150T/d，除能滿足基山村150戶農(nóng)戶525人的飲水要求外還能解決周邊地區(qū)其他300戶農(nóng)戶約1000人左右的安全飲用水。 （3）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：目前工程總投資50萬元，主要建設(shè)內(nèi)容：新建膜法水廠1座，新建30T高位水池1座，鋪設(shè)各類管道12km。 （4）操控性能：采用PLC全自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單、使用方便。 （5）占地面積：本水廠占地面積30 m2，遠(yuǎn)低于同規(guī)模傳統(tǒng)水廠面積。 （6）運(yùn)行費(fèi)用：經(jīng)試運(yùn)行分析供水成本約為1.20元/m3，其中：電費(fèi)占35.5 %，膜更換費(fèi)占6.8%，藥劑費(fèi)占6.8%，水資源費(fèi)占4.1%，管網(wǎng)大修基金占15.2%，管網(wǎng)漏損占6.8%，設(shè)備及固定資產(chǎn)折舊占5%，工資及福利占6.1%，管理費(fèi)稅金及其它占13.7%。 2.3 推廣應(yīng)用情況 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有湖州市1個(gè)項(xiàng)目（15000T/d）、溫嶺3個(gè)項(xiàng)目（500T/d；1000T/d；10000T/d）、衢州3個(gè)項(xiàng)目（500T/d；2000T/d；3000T/d）、嘉興1個(gè)（200T/d）、玉環(huán)1個(gè)（3000T/d）、寧海1個(gè)（500T/d）等不同水源地的項(xiàng)目在籌劃中；瑞安、洞頭、上虞、樂清等地也即將開展相關(guān)前期工作。 3. 利用亞海水淡化技術(shù)開辟農(nóng)村飲用水源 3.1 海水淡化技術(shù)與發(fā)展應(yīng)用 海水淡化是將海水經(jīng)過脫鹽處理轉(zhuǎn)化成淡水的工藝過程。海水淡化技術(shù)有20多種方法，廣義上講分為蒸餾法和膜法兩大類。蒸餾法是將海水加熱到可蒸發(fā)的狀態(tài)，使海水蒸發(fā)，蒸發(fā)出的水蒸汽經(jīng)冷凝后回收就成為蒸餾水（即海水淡化水），最常用的方法有多級(jí)閃蒸（Multi—Stage Flash，MSF）、多效蒸發(fā)（Multi—Effect Distillation，MED）和壓汽蒸餾（Vapor Compression，VC）；膜法是對(duì)含鹽水施以外界作用力使水分子通過膜形成淡化水，常用的方法有電滲析（Electro Dialysis，ED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）兩種方法。國際上海水淡化技術(shù)革新是從第二次世界大戰(zhàn)起逐漸重視并投入研究，當(dāng)時(shí)主要是研究蒸餾法進(jìn)行海水淡化。至上世紀(jì)60年代，發(fā)展重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向膜法（以反滲透為主）研究，至今已發(fā)展成較大的規(guī)模。反滲透亦稱逆向滲透，是滲透的一種反向遷移運(yùn)動(dòng)，它主要是在壓力推動(dòng)下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶劑與溶質(zhì)分開的過程。反滲透設(shè)備主要由兩部分組成，高壓泵和反滲透膜。在高壓的情況下，除水分子以外，水中其它物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機(jī)物、微生物等幾乎都被拒于膜外，并被高壓水流沖出。滲透到另一方面的水即是安全、衛(wèi)生的飲用水。我國從20世紀(jì)50年代開始研究海水淡化技術(shù)，已經(jīng)成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握海水淡化等資源利用先進(jìn)技術(shù)的國家之一，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件已經(jīng)具備。但與國外先進(jìn)水平相比，我國海水淡化技術(shù)研究、創(chuàng)新能力以及產(chǎn)業(yè)化還存在著較大的差距。同時(shí)，由于其成本水價(jià)與現(xiàn)行水價(jià)仍有一定差距，目前尚處于逐步推廣階段。 3.2 亞海水淡化技術(shù)研究 我省有豐富的灘涂資源，現(xiàn)有灘涂面積388萬畝，適宜圍墾的約有272萬畝，并且每年以近4萬畝的速度自然淤漲。近幾年來，我省每年圍墾灘涂面積在5-8萬畝。全省通過圍墾已建成庫容100萬m3以上的灘涂水庫16座，面積9萬余畝，增加蓄水庫容近2億方。灘涂水庫蓄淡以后（亞海水）含鹽量比正常的海水要低，但仍然無法成為常規(guī)工藝水廠的飲用水源，而且自然淡化的周期太長(zhǎng)。采用海水淡化技術(shù)淡化亞海水，開發(fā)淡水資源，無論在投資、能耗還是制水成本上都遠(yuǎn)低于海水淡化系統(tǒng)，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。 試驗(yàn)裝置安裝在漩門二期水庫西北部的玉環(huán)凈水集團(tuán)內(nèi)，裝置于2004年11月19日開始試驗(yàn)，找出了水溫、噸水電耗、進(jìn)水電導(dǎo)、產(chǎn)水電導(dǎo)等變化規(guī)律。為了能較準(zhǔn)確地掌握在不同鹽度下的實(shí)際能耗情況，并與經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力消耗計(jì)算公式比較，從而可相對(duì)準(zhǔn)確地模擬大規(guī)模亞海水處理裝置的能耗，2005年1月5日起在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了不同鹽度條件下的模擬試驗(yàn)。為了掌握漩門二期水庫亞海水含鹽量在不同區(qū)域和不同水深的分布情況，在不同方位共定了10個(gè)取樣點(diǎn)，并對(duì)各取樣點(diǎn)進(jìn)行了不同深度的取樣。同時(shí)，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析得出如下結(jié)果：當(dāng)規(guī)模分別為1000噸、5000噸、1萬噸、2萬噸、2.5萬噸時(shí)，工程水價(jià)分別為4.34元、2.94元、2.54元、2.38元、2.33元（具體分析過程如表3.1所示）。亞海水處理工程噸水投資在規(guī)模達(dá)到1萬噸以后，噸水投資與規(guī)?；境示€性關(guān)系，1萬噸以上規(guī)模為經(jīng)濟(jì)規(guī)模。相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)研究結(jié)果的取得，為亞海水淡化技術(shù)試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施打下了基礎(chǔ)。 表3.1 不同規(guī)模的亞海水淡化工程經(jīng)濟(jì)分析 1000T/d 5000 T/d 10000 T/d 20000 T/d 25000 T/d 總投資(萬元) 510.1 1486.4 2530 4488.2 5538 其中: 設(shè)備(萬元) 207 669.7 1269 2434 3154 安裝費(fèi)用 (萬元) 38.7 85.1 194 371 405 土建(萬元) 88.9 270 413 675 786 其他(萬元) 100.7 242.5 282.7 349 379 預(yù)備費(fèi)及利息 (萬元) 75.5 219.2 371.3 662.2 814 定員(人) 10 16 16 20 20 占地面積(畝) 10 16 20 24 24 電力增容(KVA) 125 500 1000 1600 2000 運(yùn)行成本 (元//m3) 2.45 1.71 1.57 1.51 1.48 工程水價(jià) (元/m3) 4.34 2.94 2.54 2.38 2.33 噸水投資 (元//m3) 5101 2973 2530 2244 2215 注:工程水價(jià)的測(cè)算按滿足全部投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率8%測(cè)算得出，貸款償還期16年。 目前，試驗(yàn)階段成果和1000T/d、5000T/d、1萬T/d、2萬T/d、2.5萬T/d反滲透亞海水淡化工程方案設(shè)計(jì)已經(jīng)過專家咨詢，即將開展示范工程建設(shè)。 4. 結(jié)語 膜技術(shù)被稱為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在凈水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，對(duì)滲透物的后處理、膜組件的使用壽命、膜產(chǎn)品的合格率、滲透水水質(zhì)、濃縮物結(jié)垢及處理等問題還需要進(jìn)行跟蹤研究和觀察。同時(shí)，還要進(jìn)一步研究探索不同膜工藝在農(nóng)村飲用水領(lǐng)域的適用性，并加大先進(jìn)適用技術(shù)的推廣力度，以緩解水資源供需矛盾，促進(jìn)地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： [1] 周云，何義量．微污染水源凈水技術(shù)及工程實(shí)例[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003． [2] 劉茉娥，蔡邦肖，陳益棠．膜技術(shù)在污水治理及回用中的應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005． [3] 高從揩，陳國華．海水淡化技術(shù)與工程手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004． 作者簡(jiǎn)介：董浩(1976—)，男，浙江省杭州市人，工程師，主要從事水利工程管理與技術(shù)研究。