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幾年前，國內(nèi)反滲透技術(shù)的應(yīng)用還集中于工業(yè)純水及瓶裝純凈水制備工藝，由于工業(yè)用水對純度的特殊要求以及瓶裝純凈水國家標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格限制，系統(tǒng)的高脫鹽率無疑是最重要的技術(shù)指標(biāo)。然而目前反滲透技術(shù)在污水回用深度處理方面也以得到廣泛的應(yīng)用，在市政供水領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。與傳統(tǒng)的純水項目相比，大型市政用水反滲透系統(tǒng)的給水水質(zhì)更加復(fù)雜，裝置規(guī)模更大，對產(chǎn)水水質(zhì)的要求也各不相同。在此情況下，我們已經(jīng)習(xí)慣的純水反滲透系統(tǒng)設(shè)計思路需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和改進(jìn)。本文主要針對市政供水系統(tǒng)的特點，討論苦咸水淡化反滲透系統(tǒng)的設(shè)計思路。

市政供水系統(tǒng)的特點

市政供水系統(tǒng)采用反滲透工藝的主要目的是降低總含鹽量（TDS），即苦咸水淡化。不同的市政水源其水質(zhì)超標(biāo)項目各不相同，有的是TDS，也有部分無機(jī)鹽指標(biāo)超標(biāo)（如硬度、F、Fe/Mn、硫酸鹽或其他指標(biāo)）。事實上借助于傳統(tǒng)工藝，如石灰軟化、氧化鋁過濾、錳砂過濾等，也能夠解決個別指標(biāo)超標(biāo)問題，雖然反滲透技術(shù)對于所有的溶解性物質(zhì)都具有很高的脫除率，對于所有的超標(biāo)項目都有效。但是該技術(shù)是相對比較昂貴的工藝選擇，而且還有濃水排放等問題，所以反滲透的應(yīng)用還是應(yīng)該著眼于整體降低TDS。

投資成本和運行成本的控制

市政供水建設(shè)項目的投資和運行成本最終是要體現(xiàn)在每一個城市居民要承擔(dān)的自來水收費上，所以成本控制就顯得尤為重要。

勾兌工藝

大流量的市政取水會盡可能選擇水質(zhì)超標(biāo)最少的水源，通常只需要對部分原水進(jìn)行淡化處理，然后將淡化水與原水勾兌后供給市政水網(wǎng)。勾兌工藝是控制裝置設(shè)計規(guī)模的一種有效方法。通過簡單的推算，我們可以得到反滲透處理水與最終達(dá)標(biāo)產(chǎn)水比例及最終達(dá)標(biāo)產(chǎn)水量的計算公式：

Yro = Qro/Qs= (1- Cs/Cf )(1/R)

Qs = Qf/[1+Yro(Y-1 – 1)]

Qro—反滲透處理水量

Qs—勾兌產(chǎn)品水量即最終達(dá)標(biāo)產(chǎn)水量

Qf—為原水總量

Cs—設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)含鹽量

Cf—原水含鹽量

R—系統(tǒng)脫鹽率

Y—反滲透系統(tǒng)淡化水回收率

假設(shè)原水含鹽率為2000mg/L，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)為500mg/L，反滲透系統(tǒng)脫鹽率為95%，可以推算出反滲透系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模為設(shè)計供水量的78.9%。系統(tǒng)脫鹽率與膜性能、系統(tǒng)回收率和系統(tǒng)平均通量有關(guān)，但我們應(yīng)該注意到，這里系統(tǒng)脫鹽率的選擇范圍是比較大的，高出1%的脫鹽率對系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模的影響小于1%。所以應(yīng)該更多的考慮綜合的性價比、操作壓力、系統(tǒng)的可靠性和水利用率等多方面的因素。

采用勾兌工藝的另外一個重要原因是管網(wǎng)系統(tǒng)對于保持水質(zhì)穩(wěn)定要求。

節(jié)能型超低壓反滲透膜系統(tǒng)

為了降低運行成本，在可能的條件下應(yīng)該優(yōu)先選擇節(jié)能型的超低壓反滲透膜系統(tǒng)。就目前的技術(shù)進(jìn)展情況，超低壓膜的標(biāo)準(zhǔn)脫鹽率比標(biāo)準(zhǔn)苦咸水膜降低不到1%，而運行壓力只有標(biāo)準(zhǔn)膜的50%~60%，節(jié)能的效果非常明顯（如表1所示）。此外，由于系統(tǒng)運行壓力降低了（一般會在10bar以內(nèi)），高壓泵、管道、閥門和壓力容器的等級都可有所降低，比如全部給水側(cè)及淡化水側(cè)管道系統(tǒng)都可以采用工程塑料材質(zhì)，加工、安裝和維護(hù)都簡單多了，當(dāng)然投資成本也會隨之降低。

市政管網(wǎng)對淡化水的腐蝕性要求

與工業(yè)純水系統(tǒng)不同，經(jīng)過勾兌的淡化水要經(jīng)過市政管網(wǎng)進(jìn)入千家萬戶的。一般市政供水管網(wǎng)系統(tǒng)都是鑄鐵管和鍍鋅管，由于反滲透淡化水的強(qiáng)腐蝕性，所以水質(zhì)穩(wěn)定性問題是市政供水反滲透系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的。Seacord[1]和N. Delion[2]對海水淡化反滲透水質(zhì)與腐蝕控制進(jìn)行了系統(tǒng)的描述。

朗格利爾飽和度指數(shù)（LSI），碳酸鈣沉淀傾向（CCPP）和Larson比（LR）等被用來表征水質(zhì)的腐蝕傾向，具體計算方法可以參考文獻(xiàn)[1-2]。在考慮勾兌比例時要同時滿足TDS和水質(zhì)穩(wěn)定的需求，必要時可采取加堿提高pH的措施。

由于反滲透淡化水pH低（5~6），而且CaCO3含量基本為零，不僅對金屬有強(qiáng)烈的腐蝕傾向，而且會腐蝕混凝土。所以在淡化水的儲存和勾兌混合槽池設(shè)計中也要給予充分考慮，混凝土構(gòu)筑物表面需要進(jìn)行襯膠保護(hù)。

盡量提高水利用率

需要進(jìn)行反滲透處理的苦咸水地區(qū)往往也是缺水地區(qū)，水資源總量非常有限，淡化水產(chǎn)水率或反滲透裝置的回收率是非常重要的考察指標(biāo)。淡化水產(chǎn)水率的提高意味著在水資源汲取總量一定的情況下增加市政供水系統(tǒng)的產(chǎn)水總量，有效節(jié)約了稀缺的水資源，減少了濃鹽水的排放流量。從系統(tǒng)設(shè)計的角度提高反滲透裝置回收率的措施有：長流程多段設(shè)計，比如采用7m膜殼三段工藝，可以將回收率提高到85%~90%；優(yōu)化結(jié)垢控制，比如在投加阻垢劑的基礎(chǔ)上，在第三段加酸調(diào)低pH值等。

濃水排放問題

由于市政供水系統(tǒng)的處理量較大，濃水排放問題就會顯得尤為突出。比如反滲透裝置產(chǎn)水量為2萬t/d，回收率為75%時會產(chǎn)生將近7000t/d的濃水，如果將回收率提高到87%，濃水流量僅為3000t/d。提高回收率雖然能夠有效降低濃水流量，但濃水的含鹽量卻同比增加了。反滲透系統(tǒng)濃水的處置是一個由來已久的難題，目前國內(nèi)外采用的方法有完全蒸發(fā)濃縮（ZLD）、污水處理系統(tǒng)排放、深井注射和徑流排放等。需要結(jié)合具體項目的環(huán)境和工程實際進(jìn)行合理設(shè)計。

設(shè)計方案比較

下面采用反滲透系統(tǒng)模擬設(shè)計軟件Winflow2004，針對某地的實際水質(zhì)，對系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行分析比較。設(shè)計水質(zhì)為水庫水，經(jīng)過混凝沉淀、二次過濾和消毒處理，過濾水供給流量40000 m3/d，具體水質(zhì)指標(biāo)見表3。要求對部分二次過濾水進(jìn)行淡化處理，淡化水與其余過濾水混合后供給市政水網(wǎng)，混合水質(zhì)全部達(dá)標(biāo)，控制TDS不超過900mg/l。

采用方案：

推薦方案：勾兌，超低壓膜，87%回收率；

傳統(tǒng)設(shè)計：勾兌，標(biāo)準(zhǔn)反滲透膜，75%回收率；

納濾：全部處理，90%回收率。

（納濾可以基本全部去除多價離子和天然有機(jī)污染物，如SO42-、Ca2+、Mg2+等，部分脫除一價離子，如K+、Na+和HCO3-及Cl-等。

從表4的計算結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，在采用相同膜通量的情況下，與傳統(tǒng)設(shè)計方式（2/1排列，75%回收率，標(biāo)準(zhǔn)反滲透膜）相比，推薦的長流程設(shè)計（三段，介于3/2/1和4/2/1之間的排列方式，第三段設(shè)段間增壓泵，加酸調(diào)整pH）超低壓反滲透系統(tǒng)的能耗降低明顯，每天多產(chǎn)出合格飲用水2600m3，意味著少排出同樣多的濃水。

加長流程的結(jié)果是增加了單支壓力容器的給水/濃水流量，降低了濃差極化系數(shù)*和單支膜元件的回收率。能夠有效減少發(fā)生膠體污染和微生物污染的傾向，對保證大型系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行、減少化學(xué)清洗頻率、提高膜元件壽命和降低運行費用都會大有裨益。

*β = Cm/Cb = Kp exp（Qp/ Qfavg）= Kp exp(2Yi/(2-Yi))

Yi—回收率、Qfavg—平均給水流量、Qp—產(chǎn)水流量

納濾系統(tǒng)的規(guī)模是反滲透的2倍，而且這里的納濾系統(tǒng)是按照比反滲透高10%的通量計算的。從天然有機(jī)物的去除率、整體水質(zhì)改善和健康飲水的角度，納濾工藝是較好的選擇。但鑒于我國目前的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，特別是多數(shù)苦咸水地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，納濾工藝的投資往往會成為難以逾越的障礙。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的工業(yè)純水反滲透項目相比，大型市政供水苦咸水淡化反滲透系統(tǒng)的設(shè)計方案要強(qiáng)調(diào)以下幾點：

采用勾兌工藝，勾兌比例取決于設(shè)計產(chǎn)水總含鹽量和勾兌水質(zhì)的腐蝕傾向；

采用超低壓膜、長流程三段工藝，盡量提高產(chǎn)水率、降低運行成本、保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和低化學(xué)清洗頻率；

保證勾兌后水質(zhì)的穩(wěn)定性，防止淡化水對構(gòu)筑物和管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕。

參考文獻(xiàn)

[1] Seacord, Developing Post-Treatment Criteria for Seawater Reverse Osmosis, 《中國脫鹽》2006，No.2

[2] N. Delion, Importance and impact of post treatments on design and operation of SWRO plants, Desalination 165 (2004) 323–334