超滤-反渗透技术处理高氟地下水工艺研究

（济南市清源水务集团有限公司，山东 济南 250010）

氟化物广泛存在于天然水体中，地下水中的氟化物主要来自于地下水流经含氟矿岩层时的长期渗透。长期饮用高氟水容易导致斑齿病和氟骨病。我国高氟地下水主要位于东北、西北、华北和黄淮海等干旱和半干旱平原地区[1-3]。

“十一五”国家水专项进行期间，为确保鹊山水库中试基地生活和实验用水水质安全，针对水库渗漏地下水氟化物含量高的特点，2011 年安装12 t/d 超滤-反渗透净水处理平台。该装置采用水库渗漏地下水进行深度处理试验，对脱盐率、系统运行压力测试、氟化物去除效果等方面进行研究，评价该工艺流程的稳定性和对高氟地下水的总体净化效果。

1 实验部分

1.1 实验用水

实验原水为水库渗漏地下水，依据国家标准GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》进行检测，结果显示该地下水中氟化物指标含量为2.5±0.5 mg/L，其他水质指标符合标准，氟化物含量太高无法直接作为饮用水使用。因采用常规絮凝沉淀等常规处理方法很难去除地下水中的氟化物，所以联合超滤技术和反渗透技术处理工艺进行实验。

1.2 实验装置

该净水设备工艺流程为原水箱-石英砂过滤器-活性炭过滤器-5 μm 精滤器-超滤部件-超滤水箱-反渗透部件-纯水箱，整套净水设备的核心构件包括超滤部件和反渗透部件。超滤部件采用中空纤维式醋酸纤维膜，膜内有效面积大，工作效率高，可以去除胶体、蛋白质、微生物和大分子物质，其中微生物细菌去除率为99.99%，悬浮物去除率能达到100%。反渗透膜部件采用BW30-4040 苦咸水淡化反渗透膜，为中空纤维式聚酰胺低压复合膜，它能阻挡所有溶解性盐和大分子有机物，系统脱盐率大于98%。氟化物指标检测设备为Thermo Fisher ics-900 型离子色谱仪。

1.3 试验方法

如果地下水原水中的气泡、泥沙、胶体和悬浮物等如果直接进入超滤部件，容易造成水锤和膜堵塞，进而导致产水量减少和产水质量变差，因此进行超滤前先从原水箱除气泡，加压通过砂滤、活性炭吸附和精密过滤器进行初步过滤，从而保证系统稳定性。

初步处理的水通过增压泵进入超滤部件，超滤的机理主要是筛滤为主，纯水进入超滤水箱，通过浮球控制电动阀使系统自动运行。

经过超滤膜的水添加有机磷酸盐阻垢剂，用于除去水中的钙镁离子等，防止附着在反渗透膜上，进而影响水通量和膜寿命。添加阻垢剂的水通过增压泵进入反渗透部件，利用压力差使水分子自然渗透方向逆转，从浓溶液中分离出水分子，经过脱盐后得到反渗透纯水，依据GB/T5750.5—2006 中3.2《离子色谱法》对产水中氟化物指标进行检测。

2 实验结果与分析

2.1 除盐效率和影响因素

系统脱盐率是净水系统对盐分的整体脱除率，可以综合评价净水系统对于水中杂质的过滤能力，系统脱盐率=（总给水电导率-总产水电导率）/总给水电导率×100%。

针对固定系统运行条件，系统脱盐率和产水量是反渗透膜的本质特征，而膜的系统脱盐率和产水量则主要受给水含盐量、压力、回收率、温度和pH 值影响。该系统中水源为地下水，环境温度、水温、给水含盐量和系统pH值都较稳定，该文只考虑回收率和给水压力对系统脱盐率的影响。

反渗透给水由高压泵抽取超滤水提供，通过调节给水阀门的大小，可以控制给水压力，影响净水设备的脱盐率，进而影响产水水质。给水压力应该在30 s～60 s 的时间范围内逐渐升高。产水量随给水压力增加逐渐增大，两者存在明显的线性关系。系统脱盐率也随着给水压力增加而增大，但不是线性关系（如图1 所示），给水压力达到0.6 MPa 后系统脱盐率不再持续增加。这是因为反渗透膜不可能完全截留水中所有的可溶性盐类，总有少量盐类渗漏过膜，在一定范围内增加给水压力，膜透过盐分的速率要比透过水的速率慢，增加的产水量稀释了渗漏过膜的盐分，使得系统脱盐率增加。但是通过增加给水压力提高系统脱盐率有一定的上限限制，如图1 所示，当给水压力太高时，水分子会和盐分耦合共同透过反渗透膜，导致盐分透过量和水通量增加相抵，系统脱盐率不再升高，通过测试脱盐率随给水压力变化情况，兼顾反渗透水处理系统采用50%回收率操作，确定给水压力的合理范围应该是0.5 MPa～0.6 MPa，如图1 所示。

系统调试完成后，连续3 个月对该系统脱盐率进行监控（如图2 所示），监测结果显示，经过处理后电导率明显降低，该系统脱盐率稳定在97%以上。

图1 系统运行压力和脱盐率关系

图2 连续3 个月运行下氟化物去除率和系统脱盐率

2.2 氟化物去除效果

在稳定运行的情况下，连续3 个月对给水和产水氟化物含量进行检测（如图2 所示），结果显示：处理后氟化物指标降到0.1 mg/L 以下，符合氟化物指标《生活饮用水卫生标准》标准限值，氟化物去除率始终稳定在96%以上，反渗透对一价离子比二价离子的脱除率低，膜将对二价离子有更出色的脱除率。随着时间的推移，系统脱盐率和氟化物去除率略呈下降趋势。给水因采用地下水，给水氟化物含量较稳定，从而使得产水水中氟化物含量始终保持较低水平，总体净化效果优异且稳定。

2.3 装置稳定性分析

超滤膜堵塞会导致产水量下降，成为影响净水装置稳定性的关键因素。在超滤膜的清洗过程中，一般选用氢氧化钠和柠檬酸钠2 种试剂，用于清除附着的细菌、有机物等大分子杂质[2]。确定碱液清洗的最佳pH 为11～12，即1 g/L的氢氧化钠溶液，当用柠檬酸钠清洗时，最佳pH 为2～3，即2 g/L 的柠檬酸钠溶液。针对该地下水，对于超滤膜的清洗控制在1 次/3 月，清洗太频繁会损坏膜的寿命，间隔时间太长，膜上的附着物太多，既不容易清洗，也会破坏膜组件。

在系统正常运行中，因为胶体粒子、盐垢、微生物和不溶性有机物等污染物在反渗透膜表面的沉积，导致膜系统本征产水量和系统脱盐率降低。因此，主要从以下几个方面改善反渗透膜的稳定性，反渗透膜对给水水质要求较高，经过超滤膜的超滤水要添加阻垢剂，用于除去水中的钙镁离子等。反渗透膜还需要定期清洗，对清洗剂要求同样苛刻。在该净水设备反渗透膜的清洗过程中，最终确定第一步清洗使用1%的Na4EDTA 作为清洗剂，第二步清洗采用0.2%盐酸作为清洗剂，清洗频率定位1 次/3 月。

给水管路中的气泡容易导致水锤出现，对净水设备管道，尤其容易对超滤膜和反渗透膜造成破坏。针对水锤现象，在进水前增加原水箱，原水箱可以起到很好的中继作用。同时在管道节点安装了排气阀，防止气泡生成。

3 结论

针对我国部分地区地下水氟化物含量高的问题，设计了超滤-反渗透工艺深度处理实验平台。采用超滤-反渗透联用系统对高氟水进行处理，深度处理后的产水氟化物等污染物去除效果能够满足生活饮用水卫生标准。系统脱盐率和产水量受系统运行压力影响较为显著，在最优化工艺下系统脱盐率较高，运行稳定，自动化程度较高，具有广阔的应用前景。