沿海海岛地区农村饮用水工程存在服务对象分散、源水水质差、地形复杂等特点，而东南沿海及海岛地区具有资源型缺水，但滩涂水库亚海水资源丰富的现状，与城市供水之间有着明显的差异。本文着重论述了超滤技术在农村饮用水工程中的应用研究以及利用反渗透技术进行亚海水淡化的研究成果。
1. 概述
沿海海岛地区农村饮用水工程存在服务对象分散、源水水质差、地形复杂等特点，而东南沿海及海岛地区具有资源型缺水，但滩涂水库亚海水资源丰富的现状，与城市供水之间有着明显的差异。为推广应用先进适用技术，多途径解决农村饮用水水源问题，我们开展了膜法水处理技术在农村饮用水工程中的研究与应用，取得了较好的效果。
目前，国内外的饮用水处理技术主要有常规处理技术、强化常规处理技术、深度处理技术、膜处理技术等。传统的饮用水处理工艺一般为：混凝—沉淀—过滤—消毒，以去除水中的悬浮物、胶体颗粒物为主，相对受污染水源中溶解性有机物的去除能力则明显不足。同时，随着对消毒副产物、微生物指标和内分泌干扰物质研究的深入，人类对水质标准不断提升，部分常规水处理技术已经无法适应需求。
膜技术是20世纪水处理领域的关键技术，常用的膜技术包括微滤（Microfiltration，MF）、超滤（Ultrafiltration，UF）、纳滤（Nanofiltration，NF）、电渗析（Electro Dialysis，ED）和反渗透（Reverse Osmosis，RO）。该技术依据原水水质，选用不同的膜来截留水中物质，所以它是一种严格的物理的和绝对的分离技术。
表1.1显示了水中各种杂质的大小和去除它们所使用的分离方法。微滤是传统过滤法的直接延伸，属于亚微米级范围，用以过滤胶体和细菌（＜10
-2~10
-7m）；超滤比微滤晋升一级，可去除*和大分子量有机物质（10
-7~10
-8m）；纳滤可去除小分子量（＜300）有机物及二价金属离子；反渗透需在高压（渗透）力下产生作用；电渗析是一种不同性质的工艺，它是用离子交换膜在电动势的驱动下，去除溶液中的带电离子。膜处理技术有以下基本性能：①它是一种物理过滤作用，不需要加注药剂；②它是一种绝对的过滤作用；③它不产生副产品；④它运行的驱动力是压力，容易实现自动控制。
表1.1 膜法工艺适用范围与特点
|
微滤MF |
超滤UF |
纳滤NF |
反渗透RO |
|
膜孔径 |
0.1-2.0 μm |
0.01-0.1 μm |
<0.02 μm |
< 10 A |
|
操作压力 |
0.2－2 bar |
1－5 bar |
3.5－8 bar |
7－42 bar
56-84 bar(海水) |
2. 超滤技术在农村饮用水工程中的研究与应用
2.1 试验研究与示范工程建设
2.1.1 试验目的与方法
通过几个不同水源的超滤实验，来确定工艺流程是否可行。先取原水进行烧杯试验，以确定氧化剂和絮凝剂的加入量，然后用超滤组件试验，并对原水和产水进行分析。
试验仪器包括实验装置和分析仪器：SFD-0.5型超滤装置；HACH公司DREL2400、DREL4000分光光度仪；waltron公司μAI-7041-01-A02硅分析仪；Ionics 公司Sievers 820 TOC仪；DIONEX公司ICS-2000 离子色谱仪；PE公司AA800原子吸收分光光度仪；Agilent公司1100高效液相色谱仪、6980-5973N气相色谱-质谱联用仪；Beckman公司颗粒分析仪；JEOL公司JSM-6360LV电子扫描显微镜；PMI公司CFP-1500-AX毛细管流动孔径仪；SEO公司Phoenix300接触角分析仪；micromeritics公司ASAP-2020M比表面和孔分析仪等。
2.1.2 试验结果
对拟建水站的三份水源水（东苕溪、福山、基山）分别进行了3次小试，使用OMEXELL小型超滤组件，氧化剂加入量为5ppm、絮凝剂加入量10ppm，工艺流程如图1所示。
以上试验表明，“氧化—絮凝—超滤”工艺能很好的去除浊度、铁、锰，较好的去除COD
Mn，对氟化物也有一定的去除能力，产水口感好，经原水和超滤产水分析，结果能够满足饮用水的要求。
图1.试验工艺流程图
2.2 示范工程建设
海南西沙群岛是当地的贫困村，由于该村居住人口比较分散且附近水源地得不到有效保护，村民原来一直饮用经简单沉淀处理后不达标的河水。作为本次研究的试点工程项目，该水厂已正式投入运行。该工程主要指标如下：
（1）产水水质：经湖州市*中心检测化验，污染水源采用超滤膜处理后的产水水质各项指标均优于《生活饮用水卫生标准》GB5749-85的要求。
（2）供水规模：该工程*大供水能力为150T/d，除能满足基山村150户农户525人的饮水要求外还能解决周边地区其他300户农户约1000人左右的安全饮用水。
（3）经济指标：目前工程总投资50万元，主要建设内容：新建膜法水厂1座，新建30T高位水池1座，铺设各类管道12km。
（4）操控性能：采用PLC全自动控制，操作简单、使用方便。
（5）占地面积：本水厂占地面积30 m
2，远低于同规模传统水厂面积。
（6）运行费用：经试运行分析供水成本约为1.20元/m
3，其中：电费占35.5 %，膜更换费占6.8%，药剂费占6.8%，水资源费占4.1%，管网大修基金占15.2%，管网漏损占6.8%，设备及固定资产折旧占5%，工资及福利占6.1%，管理费税金及其它占13.7%。
3. 利用亚海水淡化技术开辟农村饮用水源
3.1 海水淡化技术与发展应用
海水淡化是将海水经过脱盐处理转化成淡水的工艺过程。海水淡化技术有20多种方法，广义上讲分为蒸馏法和膜法两大类。蒸馏法是将海水加热到可蒸发的状态，使海水蒸发，蒸发出的水蒸汽经冷凝后回收就成为蒸馏水（即海水淡化水），*常用的方法有多级闪蒸（Multi—Stage Flash，MSF）、多效蒸发（Multi—Effect Distillation，MED）和压汽蒸馏（Vapor Compression，VC）；膜法是对含盐水施以外界作用力使水分子通过膜形成淡化水，常用的方法有电渗析（Electro Dialysis，ED）和反渗透（Reverse Osmosis，RO）两种方法。国际上海水淡化技术革新是从第二次世界大战起逐渐重视并投入研究，当时主要是研究蒸馏法进行海水淡化。至上世纪60年代，发展重点开始转向膜法（以反渗透为主）研究，至今已发展成较大的规模。反渗透亦称逆向渗透，是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开的过程。反渗透设备主要由两部分组成，高压泵和反渗透膜。在高压的情况下，除水分子以外，水中其它物质包括矿物质、有机物、微生物等几乎都被拒于膜外，并被高压水流冲出。渗透到另一方面的水即是安全、卫生的饮用水。我国从20世纪50年代开始研究海水淡化技术，已经成为世界上少数几个掌握海水淡化等资源利用先进技术的国家之一，产业发展的技术经济条件已经具备。但与国外先进水平相比，我国海水淡化技术研究、创新能力以及产业化还存在着较大的差距。同时，由于其成本水价与现行水价仍有一定差距，目前尚处于逐步推广阶段。
3.2 亚海水淡化技术研究
我省有丰富的滩涂资源，现有滩涂面积388万亩，适宜围垦的约有272万亩，并且每年以近4万亩的速度自然淤涨。近几年来，我省每年围垦滩涂面积在5-8万亩。全省通过围垦已建成库容100万m
3以上的滩涂水库16座，面积9万余亩，增加蓄水库容近2亿方。滩涂水库蓄淡以后（亚海水）含盐量比正常的海水要低，但仍然无法成为常规工艺水厂的饮用水源，而且自然淡化的周期太长。采用海水淡化技术淡化亚海水，开发淡水资源，无论在投资、能耗还是制水成本上都远低于海水淡化系统，具有较高的经济性和实用性。
试验装置于2011年11月19日开始试验，找出了水温、吨水电耗、进水电导、产水电导等变化规律。为了能较准确地掌握在不同盐度下的实际能耗情况，并与经验动力消耗计算公式比较，从而可相对准确地模拟大规模亚海水处理装置的能耗，2005年1月5日起在试验现场进行了不同盐度条件下的模拟试验。为了掌握水库亚海水含盐量在不同区域和不同水深的分布情况，在不同方位共定了10个取样点，并对各取样点进行了不同深度的取样。同时，经过技术经济分析得出如下结果：当规模分别为1000吨、5000吨、1万吨、2万吨、2.5万吨时，工程水价分别为4.34元、2.94元、2.54元、2.38元、2.33元（具体分析过程如表3.1所示）。亚海水处理工程吨水投资在规模达到1万吨以后，吨水投资与规模基本呈线性关系，1万吨以上规模为经济规模。相关技术经济指标研究结果的取得，为亚海水淡化技术试点项目的实施打下了基础。
表3.1 不同规模的亚海水淡化工程经济分析
|
1000T/d |
5000 T/d |
10000 T/d |
20000 T/d |
25000 T/d |
|
总投资(万元) |
510.1 |
1486.4 |
2530 |
4488.2 |
5538 |
其中:
设备(万元) |
207 |
669.7 |
1269 |
2434 |
3154 |
安装费用
(万元) |
38.7 |
85.1 |
194 |
371 |
405 |
|
土建(万元) |
88.9 |
270 |
413 |
675 |
786 |
|
其他(万元) |
100.7 |
242.5 |
282.7 |
349 |
379 |
预备费及利息
(万元) |
75.5 |
219.2 |
371.3 |
662.2 |
814 |
|
定员(人) |
10 |
16 |
16 |
20 |
20 |
|
占地面积(亩) |
10 |
16 |
20 |
24 |
24 |
|
电力增容(KVA) |
125 |
500 |
1000 |
1600 |
2000 |
运行成本
(元//m3) |
2.45 |
1.71 |
1.57 |
1.51 |
1.48 |
工程水价
(元/m3) |
4.34 |
2.94 |
2.54 |
2.38 |
2.33 |
吨水投资
(元//m3) |
5101 |
2973 |
2530 |
2244 |
2215 |
注:工程水价的测算按满足全部投资财务内部收益率8%测算得出，贷款偿还期16年。
目前，试验阶段成果和1000T/d、5000T/d、1万T/d、2万T/d、2.5万T/d反渗透亚海水淡化工程方案设计已经过专家咨询，即将开展示范工程建设。
4. 结语
膜技术被称为“21世纪的水处理技术”，在净水处理中具有广阔的应用前景。但是，对渗透物的后处理、膜组件的使用寿命、膜产品的合格率、渗透水水质、浓缩物结垢及处理等问题还需要进行跟踪研究和观察。同时，还要进一步研究探索不同膜工艺在农村饮用水领域的适用性，并加大先进适用技术的推广力度，以缓解水资源供需矛盾，促进地区国民经济的可持续发展。
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