沿海海島地區(qū)農(nóng)村飲用水工程存在服務(wù)對象分散、源水水質(zhì)差、地形復(fù)雜等特點，而東南沿海及海島地區(qū)具有資源型缺水，但灘涂水庫亞海水資源豐富的現(xiàn)狀，與城市供水之間有著明顯的差異。本文著重論述了超濾技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的應(yīng)用研究以及利用反滲透技術(shù)進行亞海水淡化的研究成果。
 
1. 概述
沿海海島地區(qū)農(nóng)村飲用水工程存在服務(wù)對象分散、源水水質(zhì)差、地形復(fù)雜等特點，而東南沿海及海島地區(qū)具有資源型缺水，但灘涂水庫亞海水資源豐富的現(xiàn)狀，與城市供水之間有著明顯的差異。為推廣應(yīng)用先進適用技術(shù)，多途徑解決農(nóng)村飲用水水源問題，我們開展了膜法水處理技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的研究與應(yīng)用，取得了較好的效果。
目前，國內(nèi)外的飲用水處理技術(shù)主要有常規(guī)處理技術(shù)、強化常規(guī)處理技術(shù)、深度處理技術(shù)、膜處理技術(shù)等。傳統(tǒng)的飲用水處理工藝一般為：混凝—沉淀—過濾—消毒，以去除水中的懸浮物、膠體顆粒物為主，相對受污染水源中溶解性有機物的去除能力則明顯不足。同時，隨著對消毒副產(chǎn)物、微生物指標(biāo)和內(nèi)分泌干擾物質(zhì)研究的深入，人類對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，部分常規(guī)水處理技術(shù)已經(jīng)無法適應(yīng)需求。
膜技術(shù)是20世紀(jì)水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，常用的膜技術(shù)包括微濾（Microfiltration，MF）、超濾（Ultrafiltration，UF）、納濾（Nanofiltration，NF）、電滲析（Electro Dialysis，ED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）。該技術(shù)依據(jù)原水水質(zhì)，選用不同的膜來截留水中物質(zhì)，所以它是一種嚴(yán)格的物理的和絕對的分離技術(shù)。
表1.1顯示了水中各種雜質(zhì)的大小和去除它們所使用的分離方法。微濾是傳統(tǒng)過濾法的直接延伸，屬于亞微米級范圍，用以過濾膠體和細(xì)菌（＜10^-2~10^-7m）；超濾比微濾晉升一級，可去除*和大分子量有機物質(zhì)（10^-7~10^-8m）；納濾可去除小分子量（＜300）有機物及二價金屬離子；反滲透需在高壓（滲透）力下產(chǎn)生作用；電滲析是一種不同性質(zhì)的工藝，它是用離子交換膜在電動勢的驅(qū)動下，去除溶液中的帶電離子。膜處理技術(shù)有以下基本性能：①它是一種物理過濾作用，不需要加注藥劑；②它是一種絕對的過濾作用；③它不產(chǎn)生副產(chǎn)品；④它運行的驅(qū)動力是壓力，容易實現(xiàn)自動控制。
表1.1                         膜法工藝適用范圍與特點

	微濾MF	超濾UF	納濾NF	反滲透RO
膜孔徑	0.1-2.0 μm	0.01-0.1 μm	<0.02 μm	< 10 A
操作壓力	0.2－2 bar	1－5 bar	3.5－8 bar	7－42 bar 56-84 bar(海水)

蛋白質(zhì)、*

顏料、膠體

鹽、膠體

鞭毛蟲、酵母

鹽、膠體

鹽

殺蟲劑

純水

細(xì)菌、懸浮物

蛋白質(zhì)、*、膠體

鹽

殺蟲劑

 2. 超濾技術(shù)在農(nóng)村飲用水工程中的研究與應(yīng)用
2.1 試驗研究與示范工程建設(shè)
2.1.1 試驗?zāi)康呐c方法
通過幾個不同水源的超濾實驗，來確定工藝流程是否可行。先取原水進行燒杯試驗，以確定氧化劑和絮凝劑的加入量，然后用超濾組件試驗，并對原水和產(chǎn)水進行分析。
試驗儀器包括實驗裝置和分析儀器：SFD-0.5型超濾裝置；HACH公司DREL2400、DREL4000分光光度儀；waltron公司μAI-7041-01-A02硅分析儀；Ionics 公司Sievers 820 TOC儀；DIONEX公司ICS-2000 離子色譜儀；PE公司AA800原子吸收分光光度儀；Agilent公司1100高效液相色譜儀、6980-5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀；Beckman公司顆粒分析儀；JEOL公司JSM-6360LV電子掃描顯微鏡；PMI公司CFP-1500-AX毛細(xì)管流動孔徑儀；SEO公司Phoenix300接觸角分析儀；micromeritics公司ASAP-2020M比表面和孔分析儀等。
2.1.2 試驗結(jié)果
對擬建水站的三份水源水（東苕溪、福山、基山）分別進行了3次小試，使用OMEXELL小型超濾組件，氧化劑加入量為5ppm、絮凝劑加入量10ppm，工藝流程如圖1所示。
以上試驗表明，“氧化—絮凝—超濾”工藝能很好的去除濁度、鐵、錳，較好的去除COD_Mn，對氟化物也有一定的去除能力，產(chǎn)水口感好，經(jīng)原水和超濾產(chǎn)水分析，結(jié)果能夠滿足飲用水的要求。
 

原水（河水）

氧化劑

超濾泵

絮凝劑

超濾裝置

產(chǎn)水

  
 
 

圖1.試驗工藝流程圖
2.2 示范工程建設(shè)
海南西沙群島是當(dāng)?shù)氐呢毨Т澹�由于該村居住人口比較分散且附近水源地得不到有效保護，村民原來一直飲用經(jīng)簡單沉淀處理后不達(dá)標(biāo)的河水。作為本次研究的試點工程項目，該水廠已正式投入運行。該工程主要指標(biāo)如下：
（1）產(chǎn)水水質(zhì)：經(jīng)湖州市*中心檢測化驗，污染水源采用超濾膜處理后的產(chǎn)水水質(zhì)各項指標(biāo)均優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-85的要求。
（2）供水規(guī)模：該工程*大供水能力為150T/d，除能滿足基山村150戶農(nóng)戶525人的飲水要求外還能解決周邊地區(qū)其他300戶農(nóng)戶約1000人左右的安全飲用水。
（3）經(jīng)濟指標(biāo)：目前工程總投資50萬元，主要建設(shè)內(nèi)容：新建膜法水廠1座，新建30T高位水池1座，鋪設(shè)各類管道12km。
（4）操控性能：采用PLC全自動控制，操作簡單、使用方便。 
（5）占地面積：本水廠占地面積30 m²，遠(yuǎn)低于同規(guī)模傳統(tǒng)水廠面積。
（6）運行費用：經(jīng)試運行分析供水成本約為1.20元/m³，其中：電費占35.5 %，膜更換費占6.8%，藥劑費占6.8%，水資源費占4.1%，管網(wǎng)大修基金占15.2%，管網(wǎng)漏損占6.8%，設(shè)備及固定資產(chǎn)折舊占5%，工資及福利占6.1%，管理費稅金及其它占13.7%。
3. 利用亞海水淡化技術(shù)開辟農(nóng)村飲用水源
3.1 海水淡化技術(shù)與發(fā)展應(yīng)用
海水淡化是將海水經(jīng)過脫鹽處理轉(zhuǎn)化成淡水的工藝過程。海水淡化技術(shù)有20多種方法，廣義上講分為蒸餾法和膜法兩大類。蒸餾法是將海水加熱到可蒸發(fā)的狀態(tài)，使海水蒸發(fā)，蒸發(fā)出的水蒸汽經(jīng)冷凝后回收就成為蒸餾水（即海水淡化水），*常用的方法有多級閃蒸（Multi—Stage Flash，MSF）、多效蒸發(fā)（Multi—Effect Distillation，MED）和壓汽蒸餾（Vapor Compression，VC）；膜法是對含鹽水施以外界作用力使水分子通過膜形成淡化水，常用的方法有電滲析（Electro Dialysis，ED）和反滲透（Reverse Osmosis，RO）兩種方法。國際上海水淡化技術(shù)革新是從第二次世界大戰(zhàn)起逐漸重視并投入研究，當(dāng)時主要是研究蒸餾法進行海水淡化。至上世紀(jì)60年代，發(fā)展重點開始轉(zhuǎn)向膜法（以反滲透為主）研究，至今已發(fā)展成較大的規(guī)模。反滲透亦稱逆向滲透，是滲透的一種反向遷移運動，它主要是在壓力推動下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶劑與溶質(zhì)分開的過程。反滲透設(shè)備主要由兩部分組成，高壓泵和反滲透膜。在高壓的情況下，除水分子以外，水中其它物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機物、微生物等幾乎都被拒于膜外，并被高壓水流沖出。滲透到另一方面的水即是安全、衛(wèi)生的飲用水。我國從20世紀(jì)50年代開始研究海水淡化技術(shù)，已經(jīng)成為世界上少數(shù)幾個掌握海水淡化等資源利用先進技術(shù)的國家之一，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)經(jīng)濟條件已經(jīng)具備。但與國外先進水平相比，我國海水淡化技術(shù)研究、創(chuàng)新能力以及產(chǎn)業(yè)化還存在著較大的差距。同時，由于其成本水價與現(xiàn)行水價仍有一定差距，目前尚處于逐步推廣階段。
3.2 亞海水淡化技術(shù)研究
我省有豐富的灘涂資源，現(xiàn)有灘涂面積388萬畝，適宜圍墾的約有272萬畝，并且每年以近4萬畝的速度自然淤漲。近幾年來，我省每年圍墾灘涂面積在5-8萬畝。全省通過圍墾已建成庫容100萬m³以上的灘涂水庫16座，面積9萬余畝，增加蓄水庫容近2億方。灘涂水庫蓄淡以后（亞海水）含鹽量比正常的海水要低，但仍然無法成為常規(guī)工藝水廠的飲用水源，而且自然淡化的周期太長。采用海水淡化技術(shù)淡化亞海水，開發(fā)淡水資源，無論在投資、能耗還是制水成本上都遠(yuǎn)低于海水淡化系統(tǒng)，具有較高的經(jīng)濟性和實用性。
試驗裝置于2011年11月19日開始試驗，找出了水溫、噸水電耗、進水電導(dǎo)、產(chǎn)水電導(dǎo)等變化規(guī)律。為了能較準(zhǔn)確地掌握在不同鹽度下的實際能耗情況，并與經(jīng)驗動力消耗計算公式比較，從而可相對準(zhǔn)確地模擬大規(guī)模亞海水處理裝置的能耗，2005年1月5日起在試驗現(xiàn)場進行了不同鹽度條件下的模擬試驗。為了掌握水庫亞海水含鹽量在不同區(qū)域和不同水深的分布情況，在不同方位共定了10個取樣點，并對各取樣點進行了不同深度的取樣。同時，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析得出如下結(jié)果：當(dāng)規(guī)模分別為1000噸、5000噸、1萬噸、2萬噸、2.5萬噸時，工程水價分別為4.34元、2.94元、2.54元、2.38元、2.33元（具體分析過程如表3.1所示）。亞海水處理工程噸水投資在規(guī)模達(dá)到1萬噸以后，噸水投資與規(guī)模基本呈線性關(guān)系，1萬噸以上規(guī)模為經(jīng)濟規(guī)模。相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)研究結(jié)果的取得，為亞海水淡化技術(shù)試點項目的實施打下了基礎(chǔ)。
表3.1                  不同規(guī)模的亞海水淡化工程經(jīng)濟分析

	1000T/d	5000 T/d	10000 T/d	20000 T/d	25000 T/d
總投資(萬元)	510.1	1486.4	2530	4488.2	5538
其中: 設(shè)備(萬元)	207	669.7	1269	2434	3154
安裝費用 (萬元)	38.7	85.1	194	371	405
土建(萬元)	88.9	270	413	675	786
其他(萬元)	100.7	242.5	282.7	349	379
預(yù)備費及利息 (萬元)	75.5	219.2	371.3	662.2	814
定員(人)	10	16	16	20	20
占地面積(畝)	10	16	20	24	24
電力增容(KVA)	125	500	1000	1600	2000
運行成本 (元//m3)	2.45	1.71	1.57	1.51	1.48
工程水價 (元/m3)	4.34	2.94	2.54	2.38	2.33
噸水投資 (元//m3)	5101	2973	2530	2244	2215

注:工程水價的測算按滿足全部投資財務(wù)內(nèi)部收益率8%測算得出，貸款償還期16年。
目前，試驗階段成果和1000T/d、5000T/d、1萬T/d、2萬T/d、2.5萬T/d反滲透亞海水淡化工程方案設(shè)計已經(jīng)過專家咨詢，即將開展示范工程建設(shè)。
4. 結(jié)語
膜技術(shù)被稱為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在凈水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，對滲透物的后處理、膜組件的使用壽命、膜產(chǎn)品的合格率、滲透水水質(zhì)、濃縮物結(jié)垢及處理等問題還需要進行跟蹤研究和觀察。同時，還要進一步研究探索不同膜工藝在農(nóng)村飲用水領(lǐng)域的適用性，并加大先進適用技術(shù)的推廣力度，以緩解水資源供需矛盾，促進地區(qū)國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。