反滲透技術(shù)在俄羅斯凈化飲用水中的應(yīng)用

反滲透技術(shù)在俄羅斯凈化飲用水中的應(yīng)用

摘要：論述了應(yīng)用反滲透方法凈化飲用水的必要性和可能性。介紹了俄羅斯應(yīng)用反滲透凈化飲用水工藝的兩個(gè)特點(diǎn)：1.反滲透裝置前不設(shè)預(yù)處理；2.凈化后的水質(zhì)符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵字：飲用水反滲透俄羅斯

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)飲用水的要求愈來(lái)愈高，需要設(shè)計(jì)和采用新的、先進(jìn)的凈水工藝。到目前為止，解決這一問(wèn)題的方法是在傳統(tǒng)的凈水構(gòu)筑物設(shè)備上增加臭氧和活性炭吸附設(shè)備，使得凈水工藝大為復(fù)雜，大大地增加了投資，而且水質(zhì)提高也不多。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，地下水受到人類(lèi)活動(dòng)的影響較小，可以用地下水源代替地表水源(甚至用于大城市)，但是大部分的地下水硬度和含鐵量較高，與傳統(tǒng)的凈水方法(凝聚－沉淀－過(guò)濾)相比，凈化上述水源的水更為復(fù)雜和昂貴。

隨著技術(shù)的發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于供水量不大的給水站，原水為地表水、地下水，甚至是海水時(shí)，應(yīng)用膜凈化方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用和試驗(yàn)過(guò)的膜方法是電滲析和反滲透，但是反滲透具有更大的適應(yīng)性和發(fā)展前途，因?yàn)樗粌H可以除去鹽類(lèi)和存在于離了狀態(tài)的其它物質(zhì)，還可以除去懸浮物和有機(jī)物質(zhì)、膠體、細(xì)菌和病毒。在凈化工藝工況遭到破壞時(shí)，在保持需要凈化效果的同時(shí)，僅僅是降低了裝置的出水量。

過(guò)去，反滲透被認(rèn)為是在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面不能與其他傳統(tǒng)凈化方法——凝聚加沉淀、曝氣、吸附等方法相競(jìng)爭(zhēng)的，大部分專(zhuān)家認(rèn)為是一種特殊的、昂貴的方法，僅限用于醫(yī)藥、電了和食品等工業(yè)，這是因?yàn)檫@種方法單位能耗較高(7.5～10kw/m3出水)，膜元件和泵設(shè)備投資高，預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜龐大。

近年來(lái)，膜和膜工藝不斷在完善，現(xiàn)在許多國(guó)家已設(shè)計(jì)出和正在制造各種型式的高壓和低壓復(fù)合膜，可用于凈化各種領(lǐng)域的原水。

在選擇凈化有毒物質(zhì)污染較嚴(yán)重的地表水和含鐵較高的地下硬水方案時(shí)，對(duì)于小型和中型處理量的水站，應(yīng)用反滲透認(rèn)為是較好的，因?yàn)樗鼈兙o湊和簡(jiǎn)單，同時(shí)可以保證有較高的出水水質(zhì)。

傳統(tǒng)的水消毒方法是利用氯的氧化物，但近年來(lái)受到很多的批評(píng)和限制，因?yàn)樗鼤?huì)形成有毒的三氯甲烷，同時(shí)對(duì)某些病毒消毒效果不好。反滲透凈化除了可以從水中除去有毒有機(jī)和無(wú)機(jī)污染外，還能保證完全消毒，在設(shè)資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)方面越來(lái)越可以與傳統(tǒng)的方式競(jìng)爭(zhēng)，更不用說(shuō)那些需要高質(zhì)量水的專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域。這是因?yàn)樵诮档凸ぷ鲏毫?0.7～1.6Mpa)的同時(shí)增加了膜單位出水量，因而降低了電耗，降低了壓力外殼、水泵設(shè)備、水力集水系統(tǒng)和配水系統(tǒng)的成本。近年來(lái)，反滲透方法凈化飲用水在俄羅斯也取得了廣泛的應(yīng)用，俄羅斯除了從美國(guó)和德國(guó)進(jìn)口反滲透設(shè)備外，自已也有生產(chǎn)這種設(shè)備的工廠(chǎng)。

俄羅斯給水、排水、水工結(jié)構(gòu)和工程水文地質(zhì)科學(xué)研究院經(jīng)過(guò)多年的研究設(shè)計(jì)制造的小型和中型出不量的反滲透裝置能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動(dòng)化，而且不需要消耗大量的藥劑，維護(hù)人員少，可以應(yīng)用于日常生活條件下。俄羅斯在應(yīng)用反滲透方法凈化飲用水方面具有兩個(gè)重要的特點(diǎn)。1反滲透裝置前不設(shè)置預(yù)處理一般認(rèn)為，水中的混合物會(huì)使膜污染，如懸浮物和膠體物、鐵(氧化鐵和亞鐵)、細(xì)菌污染、不易溶解物的沉淀(硫酸鈣和碳酸鈣)、有機(jī)污染(腐殖酸和富里酸)，清除它們需要使裝置的流程更為復(fù)雜，由于預(yù)凈化的部件較多，不可能建造方便的和可靠的適用于日常條件下的自動(dòng)化系統(tǒng)。

俄羅斯科學(xué)院通過(guò)研究從理論上和試驗(yàn)研究中找出了在膜上各種沉淀物結(jié)垢的規(guī)律性，找出了在工作過(guò)程中對(duì)膜的特性影響最壞的物質(zhì)。

從形成和去除沉淀物強(qiáng)長(zhǎng)的觀點(diǎn)看，結(jié)晶的碳酸鈣對(duì)膜是最危險(xiǎn)的，要去除這些沉淀最實(shí)際和容易實(shí)現(xiàn)的方法是在原水中加入1～3mg/l的阻垢劑，可以降低沉淀物的形成強(qiáng)度90%～95%。

為了消除形成的數(shù)量不多的沉積碳酸鈣，可以周期的對(duì)膜進(jìn)行清洗，清洗是用有機(jī)酸和表面活性劑進(jìn)行的，對(duì)清洗溶液有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在合適的運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，能保證完全去除沉淀物和保持膜的指標(biāo)在滿(mǎn)意水平，得出了可以建立不需要專(zhuān)門(mén)維護(hù)和預(yù)處理的自動(dòng)化凈水裝置的結(jié)論。曾做過(guò)地下水源不經(jīng)預(yù)處理的中間試驗(yàn)，試驗(yàn)中運(yùn)用了周期清洗。試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)再生后膜的工作指標(biāo)，由于去除了大量的沉淀物(碳酸鈣、懸浮物和膠體物)，實(shí)際上已恢復(fù)到原來(lái)水平。

俄羅斯科學(xué)院對(duì)卷式膜的反滲透裝置進(jìn)行了許多研究和工業(yè)性試驗(yàn)。證明了處理含有懸浮物10～15mg/l和色度30～40度的地下水、地表水，以及海水和自來(lái)水的深度凈化可以對(duì)原水不進(jìn)行預(yù)處理，在加入1～3mg/l阻垢劑的情況下，能連續(xù)工作1000～3000h。

對(duì)含有懸浮物5～10mg/l的的地表水進(jìn)行研究的結(jié)果，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的清洗周期為500～1000h，若不加清洗繼續(xù)工作，壓力損失將增加0.4～0.5MPa，從而使產(chǎn)水量降低。

曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的卷式膜元件直徑100mm、長(zhǎng)度1000mm處理含懸浮物5～10mg/l河水的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，壓力損失隨著通過(guò)裝置的流量而增長(zhǎng)，因此對(duì)于工作于惡劣條件下含懸浮物濃度較高的原水，必需選擇最小的產(chǎn)水量。

俄羅斯科學(xué)院根據(jù)試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了產(chǎn)水量1～10m3/d不用預(yù)處理的反滲透裝置，也設(shè)計(jì)過(guò)100～200L/h的家用裝置。2凈化后的水質(zhì)符合衛(wèi)生要求應(yīng)用反滲透裝置改善井水和自來(lái)水，雖然有許多的優(yōu)點(diǎn)，但凈化后的水質(zhì)與衛(wèi)生機(jī)構(gòu)所制定的準(zhǔn)則存在著嚴(yán)重的矛盾，這個(gè)準(zhǔn)則就是GuidelinesonHealthAspectsofWaterDesalinationWHO,ETS/80.4。

因?yàn)橛梅礉B透裝置從水中除鹽也去除了人體必需的微量元素鈣、鎂和氟，將使人體造成骨瘍和齲齒。

應(yīng)用反滲透凈化的水可以去除大量的污染物質(zhì)，同時(shí)使水中的含鹽量，亦即水中離了的含量降低了96%～99%。

作為飲用水，對(duì)凈化水中的離了成份有一定的要求，應(yīng)當(dāng)具有一定數(shù)量的含鹽量，以及鈣、鎂、鈉、鉀、銨、氯化物、碳酸氫鹽、硫酸鹽、硝酸鹽和氟化物。例如在俄羅斯和歐共體飲用水標(biāo)準(zhǔn)中氟離子的容許濃度為0.5～1.5mg/L,世界衛(wèi)生組織推薦的鈣為1～2mg-eq/L。

現(xiàn)在美國(guó)和歐洲國(guó)家反滲透裝置廣泛應(yīng)用于凈化井水和最難除去的氟化物、硝酸鹽和亞硝酸鹽離子，在俄羅斯也如此?，F(xiàn)以?xún)艋吆康哪箍聘浇牡叵滤疄槔?，看看俄羅斯如何在應(yīng)用反滲透裝置凈化水質(zhì)，同時(shí)又保證符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的。

在除氟的同時(shí)，必需保證水的硬度符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但是因難在于反滲透膜阻留單價(jià)離子的能力比雙價(jià)離子差得多。常常出現(xiàn)這種情況，在力求降低氟化物在含量達(dá)到要求時(shí)，硬度卻降低到了衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)不能容許的水平；在降低總的含鹽量和硬度達(dá)到需要水平時(shí)；單價(jià)離子的含量，例如氟化物又達(dá)不到要求。因此需要選擇一種適當(dāng)?shù)哪ぃ员闶箖艋_(dá)到需要的凈化深度。

凈化水的含鹽成份還決定于裝置的下列參數(shù)：工作壓力、溫度、出水率(凈化水的流量與進(jìn)入裝置水的總流量之比)。

按照美國(guó)某公司設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序?qū)Ω吆磕箍频叵滤姆治鼋Y(jié)果列于表1。

上述的計(jì)算是在各種數(shù)值的出水時(shí)進(jìn)行的，從中可以看出，出水量愈多，出水中的鈣和氟離子的濃度越高，最隹壓力值就愈大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從幾種出水量中決定最隹壓力值，從中選出的數(shù)值要能滿(mǎn)足鈣和氟離子的濃度盡可能接近于推薦的數(shù)值，可通過(guò)作圖求出裝置工作的最隹參數(shù)。

當(dāng)硬度和氟離子濃度最接近于推薦值水平時(shí)(關(guān)系曲線(xiàn)的交點(diǎn))的工作壓力是最隹壓力。

俄羅斯的研究還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用反滲透裝置改善自來(lái)水水質(zhì)經(jīng)常會(huì)過(guò)度除鹽，而且使水中的生命必需元素鈣和氟離子的濃度低于衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。為了改善莫斯科自來(lái)水的質(zhì)量，可以應(yīng)用納濾膜的裝置，在這種情況下，硬度降低4/5到7/8；總的含鹽量減少1/3到1/2。表1莫斯科高含氟量量地下水分析析結(jié)果水的成分原水凈化水*凈化水**mg/Lmg-eq/L壓力8.2×105ppa壓力11.9×1055pa壓力17.6×1055pa壓力8.2×105ppa壓力11.9×1055pa壓力17.6×1055pamg/Lmg-ep/Lmg/Lmg-ep/Lmg/Lmg-ep/Lmg/Lmg-ep/Lmg/Lmg-ep/Lmg/Lmg-ep/LCa2+

Mg2++

NH4+

HCO3-

SO42-

CI-

F-

總含鹽量

pHH50.1

30.44

0.7

3.33

130

72..9

4.2

2911.6

7.8842.5

2.5

0

00.1

2.77

2.1

0.22

-

-13.3

7

0.44

1.4

0.66

40

1.8

64..6

7.4770.7

0.6

0

00

0

1.1

0.11

-

-9

4.7

0.3

0..9

0.4

27..2

1.2

43..7

7.2990.5

0.4

0

00

0

0.8

0.11

-

-6.1

3.2

0..2

0.6

0.33

18.3

0..8

29.55

7.120.3

0.3

0

00

0

0.5

0

-

-12.1

6.2

00.4

1.22

0.4

36..4

1.5

58..3

7.3990.6

0.5

0

00

0

1

0.1

-

-8.2

4.2

0..3

0.8

0.33

24.6

1

39.4

7..220.4

0.3

0

00

0

0.7

0.11

-

-5.5

2.8

0..2

0.5

0.22

16.6

0..7

26.55

7.050.3

0.2

0

00

0

0.5

-

-

-