高宗仁

（山東省城建設(shè)計(jì)院， 濟(jì)南 250021）

氟是人體生命必不可少的微量元素之一。 適量的氟能使骨、 牙堅(jiān)固， 減少齲齒發(fā)病率。 但是氟長(zhǎng)期積累于人體時(shí)能深入骨骼生成CaF2， 造成骨質(zhì)松脆， 牙齒斑釉， 韌帶鈣化， 關(guān)節(jié)僵硬甚至癱瘓， 嚴(yán)重者喪失勞動(dòng)能力。 我國(guó)是高氟地下水分布較為普遍以及氟中毒較為嚴(yán)重的國(guó)家之一。 世界衛(wèi)生組織的飲用水中氟的質(zhì)量濃度建議值為0.5 ～1.5 mg／L， 我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)定為1.0 mg／L［1］。

大廠南區(qū)水廠規(guī)模為1 萬(wàn)m3／d， 主要服務(wù)于大廠潮白河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的居民生活用水。 水源為地下水， 氟化物的質(zhì)量濃度為1.1 ～2.0 mg／L， 季節(jié)變化較大， 而且有逐年惡化趨勢(shì)。 雖然原水廠設(shè)置了除氟系統(tǒng)， 但出廠水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求， 水廠已經(jīng)無(wú)法正常運(yùn)行和供水， 影響了當(dāng)?shù)厝罕姷恼Ｉ睢?因此， 對(duì)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行技術(shù)改造， 提出針對(duì)性的工藝方案迫在眉睫。

1 工程現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

大廠南區(qū)水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為1 萬(wàn)m3／d， 原設(shè)計(jì)工藝為源水-活性氧化鋁吸附罐-清水池-供水泵房， 現(xiàn)狀水源井12 座， 除氟車間1 座（內(nèi)設(shè)吸附罐及反洗系統(tǒng)、 消毒設(shè)施）， 清水池2 座， 供水泵房1 座， 辦公樓1 座。 水源除了氟化物超標(biāo)外， 其他水質(zhì)指標(biāo)均可達(dá)到GB／T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

原設(shè)計(jì)處理水量420 m3／h， 進(jìn)、 出水F-質(zhì)量濃度分別不超過(guò)2.0、 1.0 mg／L。 共10 個(gè)除氟罐，單個(gè)尺寸D × H 為2.0 m × 3.5 m， 設(shè)計(jì)濾速為13.37 m／h， 壓力損失不超過(guò)0.1 MPa， 沖洗周期為24 h， 再生周期為7 ～15 d。

原廠投入運(yùn)行1 a 來(lái)出現(xiàn)了較多的問(wèn)題： ①出水氟化物的質(zhì)量濃度為0.83 ～2.34 mg／L， 遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)； ②吸附飽和周期越來(lái)越短， 從開始的15 d 到后來(lái)的3 d； ③不同罐體的壓力損失差別較大， 而10 個(gè)過(guò)濾罐并聯(lián)運(yùn)行， 各組互相影響；④反沖洗采用了源水壓力， 沒(méi)有設(shè)置單獨(dú)反洗泵，反洗效果不好， 有的過(guò)濾罐出現(xiàn)了嚴(yán)重板結(jié)現(xiàn)象；⑤再生系統(tǒng)繁瑣， 運(yùn)行管理復(fù)雜。

2 工藝方案選擇

2.1 工藝選擇

目前， 除氟常用的方法包括吸附法、 混凝沉淀法和膜法。 混凝沉淀工藝單獨(dú)應(yīng)用于飲用水除氟工程中較少， 通過(guò)對(duì)原有吸附除氟罐的充分調(diào)研和分析， 提出了2 種方案， 分別是方案一： 對(duì)除氟系統(tǒng)進(jìn)行改造； 方案二： 新增膜處理系統(tǒng)代替原有吸附設(shè)施。 方案比選如表1 所示。

表1 除氯工藝方案比選Tab. 1 Comparison and selection of defluorination process schemes

2.2 工藝確定

總體來(lái)說(shuō)， 吸附法除氟應(yīng)用案例較多， 投資和運(yùn)行成本較低， 但是實(shí)際運(yùn)行中也出現(xiàn)了較多問(wèn)題。 近年來(lái)隨著膜技術(shù)的發(fā)展， 設(shè)備價(jià)格降低明顯， 在地下水和地表水廠的應(yīng)用也越來(lái)越多。

大廠南區(qū)水廠原有吸附法除氟工藝實(shí)際運(yùn)行存在著濾速過(guò)高、 濾料板結(jié)、 配水不均勻、 出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問(wèn)題。 由于受到現(xiàn)有車間的空間限制， 即使進(jìn)行較大的改造， 仍然存在運(yùn)行和達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。 采用雙膜法（超濾-反滲透）除氟工藝， 雖然投資和成本較高， 但是也具有出水水質(zhì)好、 運(yùn)行穩(wěn)定、 運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)［4］。

經(jīng)過(guò)多次的工程案例現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和專家論證， 該工程最終采用了超濾-反滲透除氟方案。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1規(guī)模計(jì)算

若源水全部經(jīng)過(guò)膜系統(tǒng)， 水中包括氟離子在內(nèi)的離子、 礦物質(zhì)大部分被去除， 對(duì)人體健康將形成一定的影響。 因此， 將一定體積的源水經(jīng)過(guò)處理后與未經(jīng)處理的源水進(jìn)行混合［5］， 最終出水水質(zhì)既能夠達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)， 又可保留對(duì)人體有益的物質(zhì)，同時(shí)能夠減小處理系統(tǒng)的規(guī)模， 從而降低工程投資和運(yùn)行成本。

源水氟化物質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值為2.2 mg／L， 最終供水氟化物質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)值為0.9 mg／L， 超濾膜產(chǎn)水率取90%； 反滲透膜產(chǎn)水率取75%； 反滲透對(duì)氟化物去除率按照97% 計(jì)算［6］， 水量平衡計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 水量平衡計(jì)算結(jié)果Fig. 1 Water balance calculation results

3.2 平面布置

現(xiàn)有除氟車間內(nèi)有部分預(yù)留空間， 改造工程充分利用現(xiàn)有空間進(jìn)行設(shè)備布置， 平面布置如圖2所示。

圖2 平面布置Fig. 2 Plane layout

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)備

4.1 原水池

儲(chǔ)存調(diào)節(jié)源水， 容積為300 m3， 尺寸為12.0 m×6.0 m × 4.8 m， 配置潛水提升泵3 臺(tái)， 2 用1 備，單臺(tái)Q=180 m3／h， H=33 m， N=37 kW。

4.2 凈水車間

利用現(xiàn)有建筑物， 新增超濾、 反滲透裝置及附屬設(shè)備。

4.2.1 超濾系統(tǒng)

配置2 套外壓式超濾膜裝置， 出水SDI 不大于2、 濁度小于0.1 NTU， 回收率大于90%， 單套進(jìn)水量為195 m3／h， 產(chǎn)水量為175 m3／h， 尺寸為7 400 mm×1 910 mm×2 900 mm。 2 套共96 支超濾膜元件， 單支膜凈通量不大于50 L／（m2·h）， 膜面積為75 m2， 材質(zhì)為PVDF。

配套2 臺(tái)自清洗過(guò)濾裝置， 單套Q = 195 m3／h， 精度為100 μm， 不銹鋼濾元。

配套超濾反洗設(shè)施， 反洗強(qiáng)度為100 L／（m2·h）， 反沖洗水泵2 臺(tái)， 1 用1 備， 單泵Q=300 m3／h， H=20 m， N=37 kW， 反洗殺菌劑加藥裝置1套， 反洗加酸劑加藥裝置1 套。 超濾產(chǎn)水箱1 座，V = 190 m3， 尺寸為6 800 mm × 7 200 mm × 4 000 mm， 材質(zhì)為不銹鋼304。

配套化學(xué)清洗設(shè)施1 套， 酸洗： 0.2%HCl， 堿洗： 0.1%NaOH+0.2%NaClO。 清洗水箱V=8 000 L； 清洗水泵Q=160 m3／h， H=30 m， N=22 kW，1 臺(tái)； 清洗過(guò)濾器Q = 160 m3／h， 過(guò)濾精度為5 μm， 尺寸為φ800 mm×1 220 mm。

配套壓縮空氣系統(tǒng)1 套， 采用氣擦洗輔助反洗以增強(qiáng)反洗效果， 氣洗流量為0.15 m3／min。 同時(shí)空氣壓縮系統(tǒng)為氣動(dòng)閥門提供氣源。 2 臺(tái)空壓機(jī)，1 用1 備， 單臺(tái)參數(shù)為0.268 m3／min， 0.8 MPa， 4.4 kW。 3 m3的儲(chǔ)氣罐1 套。

4.2.2 反滲透系統(tǒng)

配置2 套反滲透裝置， 氟化物去除率不小于97%， 回收率不小于75%， 單套進(jìn)水量為175 m3／h， 產(chǎn)水量為130 m3／h， 尺寸為6 580 mm × 1 460 mm×3 000 mm， 單殼尺寸為6.6 m×φ234 mm， 1膜殼6 芯裝， 16 ∶8 排列。 288 支陶氏膜， 單支膜面積為37.2 m2。

配套供水泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 單套Q=175 m3／h， H=28 m， N=18.5 kW。 保安過(guò)濾器2 臺(tái)， 單臺(tái)Q=175 m3／h。 高壓供水泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)Q=175 m3／h， H = 130 m， N = 90 kW。 配套還原劑加藥裝置1 套和阻垢劑加藥裝置1 套。

4.3 反洗水及濃水調(diào)節(jié)池

儲(chǔ)存調(diào)節(jié)膜系統(tǒng)廢水， 容積為412 m3， 尺寸為12.0 m×8.0 m×4.8 m， 配置潛水回用泵3 臺(tái)， 2 用1備， 單臺(tái)Q=80 m3／h， H=35 m， N=18.5 kW。

5 實(shí)際運(yùn)行效果

水廠建成后運(yùn)行較為穩(wěn)定， 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)正常， 水廠實(shí)際供水量為10 000 m3／d， 達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)， 其中源水和膜產(chǎn)水混合比例約為0.6 ∶1， 出水氟化物的質(zhì)量濃度為0.70 ～0.85 mg／L， 其他指標(biāo)均能夠穩(wěn)定達(dá)到GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求； 廢水產(chǎn)生量約為110 m3／d， 氟化物質(zhì)量濃度為6.7 ～7.7 mg／L。

超濾系統(tǒng)產(chǎn)水率約為92%， 壓力損失約為0.06 MPa， 產(chǎn)水濁度小于0.1 NTU。 反滲透系統(tǒng)回收率大于76%， 系統(tǒng)壓力損失為0.25 ～0.30 MPa，產(chǎn)水電導(dǎo)率小于8 μS／cm， 出水pH 值為6.5 ～7.0。

水廠投入運(yùn)行1 a 來(lái)， 各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期， 有效解決了區(qū)域的供水矛盾問(wèn)題。 系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水排入廢水調(diào)節(jié)池， 平時(shí)用于園區(qū)的道路澆灑和綠化， 冬季時(shí)排入下水道， 充分實(shí)現(xiàn)了廢水的資源化利用。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

水廠工藝升級(jí)工程竣工決算為710 萬(wàn)元。 該項(xiàng)目利用了現(xiàn)有廠房， 主要投資為設(shè)備部分， 共520萬(wàn)元， 土建僅為設(shè)備基礎(chǔ)和廢水調(diào)節(jié)池， 共190萬(wàn)元。

按照混合后水量計(jì)算， 水廠新增膜系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本為0.96 元／m3， 其中動(dòng)力費(fèi)成本為0.57 元／m3， 新鮮水成本為0.11 元／m3， 藥劑成本為0.14元／m3， 膜折舊成本為0.14 元／m3。

7 結(jié)語(yǔ)

大廠南區(qū)水廠除氟技術(shù)改造采用了超濾-反滲透方案， 設(shè)備投資約為500 元／m3（以混合后產(chǎn)水計(jì)算）， 實(shí)際核算運(yùn)行成本約為0.96 元／m3（以混合后產(chǎn)水計(jì)算）。 雖然膜法工藝的投資和運(yùn)行成本較傳統(tǒng)吸附法略高， 但是該工藝具有自動(dòng)化程度高、 運(yùn)行穩(wěn)定和出水水質(zhì)好的特點(diǎn)。 隨著人們對(duì)水質(zhì)的要求越來(lái)越高， 同時(shí)膜成本不斷下降， 超濾-反滲透工藝應(yīng)用于地下水除氟工程將會(huì)趨于廣泛。