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特點：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)生標準。

關(guān)鍵字：飲用水反滲透俄羅斯

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，對飲用水的要求愈來愈高，需要設(shè)計和采用新的、先進的凈水工藝。到目前為止，解決這一問題的方法是在傳統(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。一種觀點認為，地下水受到人類活動的影響較小，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，應(yīng)用膜凈化方法可以解決這個問題。到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用和試驗過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，因為它不僅可以除去鹽類和存在于離了狀態(tài)的其它物質(zhì)，還可以除去懸浮物和有機物質(zhì)、膠體、細菌和病毒。在凈化工藝工況遭到破壞時，在保持需要凈化效果的同時，僅僅是降低了裝置的出水量。

過去，反滲透被認為是在經(jīng)濟指標方面不能與其他傳統(tǒng)凈化方法——凝聚加沉淀、曝氣、吸附等方法相競爭的，大部分專家認為是一種特殊的、昂貴的方法，僅限用于醫(yī)藥、電了和食品等工業(yè)，這是因為這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，膜和膜工藝不斷在完善，現(xiàn)在許多國家已設(shè)計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)污染較嚴重的地表水和含鐵較高的地下硬水方案時，對于小型和中型處理量的水站，應(yīng)用反滲透認為是較好的，因為它們緊湊和簡單，同時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，但近年來受到很多的批評和限制，因為它會形成有毒的三氯甲烷，同時對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和無機污染外，還能保證完全消毒，在設(shè)資和運轉(zhuǎn)費方面越來越可以與傳統(tǒng)的方式競爭，更不用說那些需要高質(zhì)量水的專門領(lǐng)域。這是因為在降低工作壓力(0.7～1.6Mpa)的同時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，反滲透方法凈化飲用水在俄羅斯也取得了廣泛的應(yīng)用，俄羅斯除了從美國和德國進口反滲透設(shè)備外，自已也有生產(chǎn)這種設(shè)備的工廠。

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)過多年的研究設(shè)計制造的小型和中型出不量的反滲透裝置能夠?qū)崿F(xiàn)工作自動化，而且不需要消耗大量的藥劑，維護人員少，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重要的特點。1反滲透裝置前不設(shè)置預(yù)處理一般認為，水中的混合物會使膜污染，如懸浮物和膠體物、鐵(氧化鐵和亞鐵)、細菌污染、不易溶解物的沉淀(硫酸鈣和碳酸鈣)、有機污染(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化系統(tǒng)。

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

從形成和去除沉淀物強長的觀點看，結(jié)晶的碳酸鈣對膜是最危險的，要去除這些沉淀最實際和容易實現(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，可以周期的對膜進行清洗，清洗是用有機酸和表面活性劑進行的，對清洗溶液有效性進行評價，在合適的運轉(zhuǎn)工況下，能保證完全去除沉淀物和保持膜的指標在滿意水平，得出了可以建立不需要專門維護和預(yù)處理的自動化凈水裝置的結(jié)論。曾做過地下水源不經(jīng)預(yù)處理的中間試驗，試驗中運用了周期清洗。試驗表明，經(jīng)過再生后膜的工作指標，由于去除了大量的沉淀物(碳酸鈣、懸浮物和膠體物)，實際上已恢復(fù)到原來水平。

俄羅斯科學(xué)院對卷式膜的反滲透裝置進行了許多研究和工業(yè)性試驗。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，以及海水和自來水的深度凈化可以對原水不進行預(yù)處理，在加入1～3mg/l阻垢劑的情況下，能連續(xù)工作1000～3000h。

對含有懸浮物5～10mg/l的的地表水進行研究的結(jié)果，連續(xù)運轉(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)進行過應(yīng)用標準的卷式膜元件直徑100mm、長度1000mm處理含懸浮物5～10mg/l河水的試驗，試驗表明，壓力損失隨著通過裝置的流量而增長，因此對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)試驗研究的經(jīng)驗，設(shè)計了產(chǎn)水量1～10m3/d不用預(yù)處理的反滲透裝置，也設(shè)計過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水，雖然有許多的優(yōu)點，但凈化后的水質(zhì)與衛(wèi)生機構(gòu)所制定的準則存在著嚴重的矛盾，這個準則就是GuidelinesonHealthAspectsofWaterDesalinationWHO,ETS/80.4。

因為用反滲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，對凈化水中的離了成份有一定的要求，應(yīng)當具有一定數(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準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)在美國和歐洲國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)以凈化高含氟量的莫斯科附近的地下水為例，看看俄羅斯如何在應(yīng)用反滲透裝置凈化水質(zhì)，同時又保證符合飲用標準的。

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

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(凈化水的流量與進入裝置水的總流量之比)。

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

上述的計算是在各種數(shù)值的出水時進行的，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)值要能滿足鈣和氟離子的濃度盡可能接近于推薦的數(shù)值，可通過作圖求出裝置工作的最隹參數(shù)。

當硬度和氟離子濃度最接近于推薦值水平時(關(guān)系曲線的交點)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水水質(zhì)經(jīng)常會過度除鹽，而且使水中的生命必需元素鈣和氟離子的濃度低于衛(wèi)生標準。為了改善莫斯科自來水的質(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

-

-

-