该工程位于山东省泰安市宁阳县, 自来水厂采用地下水为水源, 原水主要超标物质为硝酸盐和硬度 (见表1) 。设计进水硝酸盐氮31.6 mg/L, 饮用水标准≤10 mg/L;设计进水总硬度546.6 mg/L, 饮用水标准≤450mg/L。要达到国家《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 需增加深度处理。

针对宁阳县地下水总硬度及硝酸盐在常规工艺中很难去除的水质特性以及应用目标, 该工程选用双膜法[超滤 (UF) +反渗透 (RO) 组合膜]处理工艺。该组合工艺具有处理流程简单实用、占地面积较小、技术先进可行及投资经济合理的特点^[1]。

根据供水规模及产水水质, 深度处理车间产水量为1万m³/d (416m³/h) , 回收率为70%, 深度处理车间的进水量为14 500m³/d。工艺流程中预处理包括过滤器自清洗超滤系统, 主要目的是用于除去水中的悬浮固体、胶体和污染物大分子离子有机物, 从而使出水水质达到反渗透膜的进水要求。原水预处理后经过保安过滤器-RO膜装置对水中超标的组分进行处理, 以除去总溶解固体 (TDS) , 降低硬度以及氟化物和硫酸根等其他无机盐离子的含量。最后再将经RO进水泵及RO高压泵二次提升后进入反渗透处理后的水与5 000 m³/d的原水进行勾兑, 水厂总规模达15 000m³/d, 出水直接供往市政给水管网, 地下水经过整个工艺处理后出水水质达到国家《生活饮用水卫生标准》的要求^[2], 工艺具体流程详见图1。

(1) 深井泵。作用为提供动力, 另系统配有UF进水增压泵, 流量及扬程的设计选型根据用户系统特点进行, 既可保证系统的压力要求, 克服沿程阻力, 亦可选择运行效率高的性能曲线段, 节约能源消耗。针对输送流体的特性设计采用离心泵形式, 在泵的出口设置调节及检修阀门, 泵与其前后的设备设计有联动装置, 一旦出现状况可作出相应的反应并传动后续系统。其变化的程序均可根据实际情况的需要进行调整更改以达到最佳工作状态。

(2) 盘式过滤器。本工程共使用4组盘式过滤器, 每一组产水能力为3 500m³/d, 每组设计产废水量为125m³/d。盘式过滤器由过滤单元并列组合而成, 其过滤单元主要是由一组带沟槽或棱的环状增强塑料滤盘构成。盘式过滤器可以对原水进行过滤, 过滤时污水从外侧进入, 相邻滤盘上的沟槽棱边形成的轮缘把水中固体物截留下来, 同时能够对过滤器的滤芯自动地进行清洗和排污, 反冲洗时水自环状滤盘内部流向外侧, 将截留在滤盘上的污物冲洗下来, 经排污口排出, 并且系统在清洗排污的时候可以不间断的供水。自清洗过滤器利用滤网直接拦截液体中的杂质、漂浮物、颗粒物等, 同时降低水的浊度, 减少污垢, 保障后面设备正常工作及使用寿命, 它具有可自动排污的特点, 主要用于去除原水中的悬浮物级砂粒。

(3) 超滤系统。本工程采用4组超滤过滤器, 每组采用45支超滤膜, 每组产水能力为3 375m³/d, 每组设计产废水量为125 m³/d。对水中的粉尘颗粒、悬浮物、胶体、大分子有机物、细菌类等物质有非常好的去除效果, 经过超滤后的水可以满足RO进水的设计要求。本系统采用的超滤膜组件是内压式超滤膜过滤器SVU系列 (内压UF膜是采用永久亲水的PS材料制造, 具有膜丝强度高、抗污染能力强等优点) , 膜面积是50m², 孔径小于0.02μm, 平均截留相对分子质量为45 000。

(1) 保安过滤器。又称精密过滤器, 本工程采用600、滤芯过滤精度5μm的保安过滤器。设置在RO进水泵之后, 压力容器设备之前, 用来滤除经多介质过滤后的细小物质 (例如微小的石英砂、活性炭颗粒等) , 为防止水中及管道中的微粒进入高压泵和RO膜组件, 故设置为最后的预处理手段^[2]。

(2) 高压泵。每套系统设置1台高压泵, 其流量为140 m³/h。高压泵的作用是给RO膜组的进水提供足够的压力, 进而维持RO膜的正常运行。高压泵材质是不锈钢SS304, 采用变频调节对高压泵的运行工况进行调节, 减少阀门截流损失, 降低能耗, 变频调节可使高压泵运行平稳、降低阀门节流噪音, 降低高压泵体内憋压现象。为避免高压泵产生的瞬间水压对反渗透膜造成水锤现象, 高压泵出口设置电动慢开门, 同时高压泵进口设置低压开关, 以避免高压泵吸空, 高压泵出口设置高压开关, 避免高压对反渗透膜造成损伤。低压力开关设置在高压泵进口处, 当进水压力低时报警及停泵。高压力开关设置在高压泵出口处, 当进水压力高时报警及停泵。

(3) 反渗透系统。本系统采用4组产水能力为416m³/h的反渗透装置, 设计浓水排量为3 500m³/d。反渗透系统的最主要设备是反渗透膜, 如果反渗透系统连续、长时间运行, 则反渗透膜的表面会附着在水中不断析出钙镁等离子, 长时间的积累膜孔结垢容易堵塞, 反渗透系统的出水效率会下降, 进而损坏反渗透膜。反渗透阻垢剂可有效防止膜面结垢。在系统运行中, 将反渗透阻垢剂投加在水中, 它无毒、无异物脱落, 化学性能稳定, 可以进行化学清洗, 可以使原水的朗格利尔LSI指数由0提高到3.2, 而Ca、Mg硬度等在这个范围内不会在膜内形成结垢。阻垢剂可以阻止硫酸盐的结垢, 一定程度上增加了水中污染物的溶解性, 从而减小了CaSO₄等物质对反渗透膜产生的损害, 特别是BaSO₄和SrSO₄结晶的晶体对膜的危害。同时阻垢剂还减缓析出钙镁离子的速度和膜面结垢速度, 能有效地控制无机物结垢和抑制硅的沉淀, 使其化合物易于溶解而且具有很好的稳定性, 而且它不与铁铝氧化物形成不溶物, 从而更好地保护反渗透膜。

反渗透系统为一级反渗透 (经过渗透膜一次后出水) , 是该项目预脱盐的心脏部分, 经反渗透处理的水能去除绝大部分硬度、无机盐、有机物、微生物及细菌等来保证整个水处理系统的产水水质。本系统采用自动化控制, 系统根据相应输出信号实现RO系统自动控制压力的变化, 低压、液压、复位开关、输入阀信号会引起进水阀、高压阀、冲洗阀等系统的变化, 实现压力保护、液压控制、开机、满水、自动清洗等功能^[3]。

该深度处理中心建成运行至今, 已有将近2年的时间, 运行状况及处理效果如下:

(1) 超滤系统设备运行期间, 无浓水排放, 产水量约135m³/h, 进水压力0.05MPa。出水浊度由1降至0.1左右, SDI稳定在1以下, 其他水质指标没有明显的变化, 表明超滤系统对悬浮物、胶体颗粒和微生物等大分子物质的去除效果比较好, 但是对小分子的颗粒、可溶性的有机物和离子等的去除效果比较差。

(2) 反渗透系统在整个运行期间, 膜前压力为1.105 MPa, 浓水出水压力为0.66 MPa, 段间压力为0.73 MPa, 系统各段压差为0.12 MPa左右;系统产水流量约为105m³/h, 浓水流量约为33m³/h, 回收率稳定在76%~80%;系统原水电导率约为2 000μS/cm, 产水电导率约为38μS/cm。出水中硬度27 mg/L, 溶解性总固体45 mg/L, 硝酸盐1mg/L, 氟化物0.01mg/L, 运行效果较好。

(3) 反渗透产水和原水约2∶1混合后消毒供水, 混合后的出水经过宁阳县疾病预防控制中心检测, 其中硬度226.8mg/L, 溶解性总固体431mg/L, 硝酸盐氮9.1mg/L, 氟化物0.09mg/L, 均达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 要求。

(4) 合理的使用酸、碱、还原剂及阻垢剂对于系统的稳定运行至关重要, 超滤系统运行过程中, 酸碱调和剂投加量为60mg/L, 还原剂投加量为4mg/L, 反渗透系统运行过程中, 阻垢剂的投加量为50mg/L, 反渗透系统运行稳定, 至今没有进行清洗。

(5) 水厂深度处理中心总投资1 350万元, 经过近2年的运行, 系统平均制水成本为1.2元/m³, 主要由电费、药剂费、膜原件更换费、维修费及人员工资组成。双膜法水处理工艺运行稳定, 处理后的水水质优于现行《生活饮用水卫生标准》。

宁阳县华龙水业有限公司深度处理中心运用双膜法处理工艺, 技术先进, 投资合理, 建成后整体干净美观, 很大程度上节省了水厂的建设用地。目前为止运行稳定, 对地下水中硬度及硝酸盐去除效果良好, 出水水质稳定且达到国家标准。双膜法相对于常规处理工艺需要相对专业的维修人员及较高的维修费用, 这就要求水厂必须加强日常维护, 加长膜组件的使用寿命。