張 全，楊 建，胡 驍，劉 基，葛光榮，王甜甜，王周鋒

(1. 中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2. 長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國煤礦企業(yè)長時(shí)間將礦井水視為水害，主要研究突水事故防治、礦井涌水預(yù)測(cè)等。近年來，政府相繼出臺(tái)的多項(xiàng)政策極大地推動(dòng)了我國礦井水的綜合利用，其中礦井水深度凈化零排放技術(shù)越來越受到重視。這些零排放技術(shù)主要圍繞節(jié)能降耗和工藝鏈延伸，通過采用新型的超低壓脫鹽膜材料是最為直接的節(jié)能降耗措施，另外通過獲得工業(yè)級(jí)結(jié)晶鹽和高附加值的酸堿從而稀釋運(yùn)行成本和降低雜鹽處置量是目前研究熱點(diǎn)，這些零排放技術(shù)聚焦如何將水體中礦物質(zhì)高效脫除和轉(zhuǎn)移。預(yù)疏放水屬于未污染的地下水，現(xiàn)有零排放技術(shù)并沒有考量和挖掘這些潔凈地下水的自身價(jià)值。將這些預(yù)疏放水作為飲用水是比較適宜的利用方向，需要探索新的工藝路線增加水的附加值從而實(shí)現(xiàn)這些潔凈地下水水的高利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

煤層底板隔水巖層較薄、完整性差的礦區(qū)，底板突水危險(xiǎn)性高，需對(duì)奧灰含水層進(jìn)行疏水降壓，將煤礦疏水降壓排水作為水資源加以利用，既可以解決煤炭開采安全問題，又能夠?yàn)榈V區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供高質(zhì)水資源，通過高附加值飲用水開發(fā)帶來的經(jīng)濟(jì)收益稀釋水害治理成本，實(shí)現(xiàn)“煤水”雙資源開采。

HASHIMOTO通過消費(fèi)者偏好分析將飲用水的美味度量化，提出感官指數(shù)()和健康指數(shù)()概念，當(dāng)感官指數(shù)≥2.0時(shí)，認(rèn)為該飲用水口感好，飲用水的感官性狀直接影響人們的使用意愿；當(dāng)健康指數(shù)≥5.2時(shí)，認(rèn)為該飲用水有益健康。2項(xiàng)指數(shù)結(jié)合能夠綜合反映水質(zhì)，對(duì)飲用水品質(zhì)提升具有一定參考意義。

(1)

=(Ca)-0.87(Na)

(2)

筆者提出了一種用于凈化地下礦物質(zhì)水的混合納濾反滲透系統(tǒng)，能夠解決傳統(tǒng)脫鹽系統(tǒng)對(duì)水體中有益離子，包括鍶離子、鈣離子過分脫除的問題，提高產(chǎn)品水的感官指數(shù)，同時(shí)健康指數(shù)滿足健康水要求。首先利用一級(jí)納濾系統(tǒng)提高水體的感官指數(shù)，二級(jí)納濾系統(tǒng)將一級(jí)納濾系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)的健康指數(shù)大幅提高，二級(jí)納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)，二級(jí)納濾系統(tǒng)的濃水與反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水進(jìn)行混合獲得產(chǎn)品水，該產(chǎn)品水通過納濾和反滲透的分鹽、濃縮和稀釋等作用，使得水質(zhì)的感官指數(shù)大幅提高，同時(shí)水體中鍶離子等有益離子得以適當(dāng)保留，硝酸根離子可以控制在較低質(zhì)量濃度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 疏放水水質(zhì)分析

預(yù)疏放水源為煤層底板奧陶系灰?guī)r水，水質(zhì)優(yōu)良，無工業(yè)污染。本研究的預(yù)疏放奧灰水取水點(diǎn)為井下鉆孔，單孔涌水量穩(wěn)定在52～62 m/h，其中枯水季(2，3，4月)平均涌水量為57 m/h，在豐水季(7，8，9月)平均涌水量為58 m/h。

奧陶系灰?guī)r含水層的主要補(bǔ)給來源為大氣降水及地表水，但是井田地處干旱的半沙漠地帶，年降水量少，無常年地表流水，僅在7，8，9三個(gè)月豐水季節(jié)形成短暫洪流，在井田西部的溝谷中向西流入黃河，在井田外的大面積碳酸鹽裸露區(qū)對(duì)奧陶系灰?guī)r進(jìn)行滲漏補(bǔ)給；在豐水季，高強(qiáng)度降水可能通過回采后出現(xiàn)的裂縫補(bǔ)給下部含水層。由于補(bǔ)給區(qū)距離奧陶系灰?guī)r含水層較遠(yuǎn)，且導(dǎo)水裂隙帶波及不到地表，因此大氣降水和地表水為間接補(bǔ)給源。此外，其主要排泄方式為人工排泄，豐水季與枯水季水量幾乎沒有變化，基本不受季節(jié)影響。因此在補(bǔ)給、徑流、排泄條件及單孔涌水量不變的情況下，奧陶系灰?guī)r水質(zhì)與季節(jié)變化無關(guān)。

2021年4月份(枯水期)和8月份(豐水期)分別取水樣，預(yù)疏放奧灰水主要水質(zhì)參數(shù)見表1，可以發(fā)現(xiàn)水質(zhì)變化很小。

表1 預(yù)疏放奧灰水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)

預(yù)疏放奧灰水的所有水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)以及《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)的要求。其中鍶元素是人體必需的微量元素，對(duì)人體骨骼和牙齒起到強(qiáng)化作用，當(dāng)鍶離子質(zhì)量濃度≥0.2 mg/L，屬于富鍶水，煤礦預(yù)疏放奧灰水具有開發(fā)成高附加值富鍶水的潛力，但是水質(zhì)的口感指數(shù)需要提高，溶解性總固體質(zhì)量濃度偏高，需要進(jìn)行部分脫除。

1.2 混合脫鹽系統(tǒng)

納濾和反滲透進(jìn)行混合脫鹽被廣泛研究，本次混合系統(tǒng)包括2個(gè)納濾過濾系統(tǒng)和1個(gè)反滲透過濾系統(tǒng)。圖1為混合納濾反滲透脫鹽工藝示意。圖1顯示了系統(tǒng)的運(yùn)行原理以及進(jìn)水、產(chǎn)水和濃水主要參數(shù)。一級(jí)納濾截留大部分硫酸根和部分鎂離子，保留鈣離子、鍶離子等礦物質(zhì)，二級(jí)納濾濃縮二價(jià)鈣離子和鍶離子，去除鈉離子和硝酸根等一價(jià)離子，最后利用反滲透脫鹽，反滲透濾過液和二級(jí)納濾的濃水混合，混合水水質(zhì)的各種礦物質(zhì)含量濃度適宜。

圖1 混合納濾反滲透脫鹽方案示意Fig.1 Schematic diagram of a hybrid nanofiltration-reverse osmosis filtration scheme

1.3 脫鹽裝置

所有的膜測(cè)試都使用了錯(cuò)流模式運(yùn)行的平板納濾膜池?？偰け砻娣e為75 cm(5 cm×15 cm)，運(yùn)行壓力為0.6 MPa，濃水錯(cuò)流流速為15 L/min，水溫保持(24±0.3) ℃。測(cè)試了3種不同的納濾膜：陶氏NF270、東麗NE40和東麗NE70。在每個(gè)膜測(cè)試過程中收集滲透物和滯留物用于進(jìn)一步分析。實(shí)驗(yàn)用水來自預(yù)疏放奧灰水8月份豐水期水樣，3種納濾膜的基本參數(shù)見表2。

表2 3種納濾膜的基本參數(shù)

1.4 水質(zhì)離子質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)計(jì)算公式

通過式(3)～(6)預(yù)測(cè)特定回收率下的納濾膜產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度。

一級(jí)納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)：

(3)

=′

(4)

式中，為一級(jí)納濾進(jìn)水離子質(zhì)量濃度；為一級(jí)納濾產(chǎn)水回收率；為一級(jí)納濾回收率≤1%時(shí)檢測(cè)的離子透過率；為回收率為時(shí)的對(duì)應(yīng)產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度；′為一級(jí)納濾回收率≤1%時(shí)的產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度。

二級(jí)納濾與反滲透產(chǎn)水混合水質(zhì)：

(5)

=′

(6)

式中，為二級(jí)納濾在回收率≤1%時(shí)的離子透過率;為二級(jí)納濾產(chǎn)水回收率;為反滲透產(chǎn)水回收率;為回收率為時(shí)的混合水離子質(zhì)量濃度;′為二級(jí)納濾回收率≤1%時(shí)的產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 一級(jí)納濾系統(tǒng)

為了篩選合適的納濾膜作為一級(jí)納濾膜，選用NE40,NE70和NF270三種納濾膜作為備選膜，檢測(cè)回收率1%時(shí)3種納濾膜產(chǎn)水水質(zhì)，表3為3種納濾膜回收率1%時(shí)的產(chǎn)水水質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)3種納濾膜產(chǎn)水的健康指數(shù)分別為-27.16，-17.92和-12.48，相比原水健康指數(shù)，下降十分明顯，這也證實(shí)了納濾系統(tǒng)會(huì)降低水質(zhì)健康指數(shù)。值得注意的是，NF270膜對(duì)鈣離子去除率適中，去除率為45.1%，對(duì)鈉離子去除率較低，去除率只有12.5%，對(duì)硫酸根去除率高達(dá)94.6%，因此選取NF270作為一級(jí)納濾膜。

表3 3種納濾膜回收率1%時(shí)的產(chǎn)水水質(zhì)

產(chǎn)水主要離子質(zhì)量濃度隨著一級(jí)納濾回收率的增加呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)(圖2)，并且離子質(zhì)量濃度增長速度不斷加快，回收率從1%增加至95%，主要離子產(chǎn)水質(zhì)量濃度增加了11%～190%，截留率高的離子產(chǎn)水質(zhì)量濃度增加幅度越大，這主要是因?yàn)榧{濾膜隨著回收率增加，濃水側(cè)的離子不斷富集，高截留率離子富集效應(yīng)更強(qiáng)。 圖3為一級(jí)納濾產(chǎn)水感官指數(shù)和健康指數(shù)變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)由于鎂離子和硫酸根質(zhì)量濃度增加速度明顯快于鈣離子、鉀離子和二氧化硅質(zhì)量濃度增加速度，因此產(chǎn)水感官指數(shù)不斷下降，同樣由于鈣離子質(zhì)量濃度增加速度快于鈉離子質(zhì)量濃度增加速度，健康指數(shù)相對(duì)不斷上升。

圖2 不同回收率下一級(jí)納濾產(chǎn)水主要離子質(zhì)量濃度變化曲線Fig.2 Variation curves of main ion concentration ofthe first stage nanofiltration produced waterunder different recovery rates

圖3 一級(jí)納濾產(chǎn)水感官指數(shù)和健康指數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curves of taste index and health index ofprimary nanofiltration water production

圖4為一級(jí)納濾70%回收率時(shí)的產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比，其中鈣離子、鉀離子、二氧化硅、鎂離子和鈉離子計(jì)算值與實(shí)際值偏差<10%，但是硫酸根計(jì)算值與實(shí)際值偏差達(dá)到了44.19%，主要原因是硫酸根離子不同回收率對(duì)應(yīng)的離子質(zhì)量濃度變化幅度大，不利于預(yù)測(cè)具體質(zhì)量濃度，但是實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)應(yīng)的去除率分別為93.58%， 90.74%，去除率指標(biāo)偏差較小，基于上述分析證實(shí)了預(yù)測(cè)公式的可靠性。另外，鍶離子和鈣離子化學(xué)性質(zhì)接近，納濾對(duì)鈣離子和鍶離子截留率相差不大，因此不單獨(dú)討論鍶離子質(zhì)量濃度變化。

圖4 一級(jí)納濾70%回收率時(shí)的產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比Fig.4 Comparison between calculated value and actualvalue of produced water ion concentration at 70% recoveryrate of first stage nanofiltration

表4為70%回收率下的一階納濾產(chǎn)水水質(zhì)表，可以發(fā)現(xiàn)鍶離子透過率達(dá)到78.8%，鍶離子得以較好的保留，硝酸根離子透過率高達(dá)91.9%，NF270納濾膜對(duì)硝酸根去除效果不明顯。實(shí)際產(chǎn)水感官指數(shù)為2.35，實(shí)際產(chǎn)水健康指數(shù)為-4.45，相比原水水質(zhì)，感官指數(shù)大幅度增加，已經(jīng)達(dá)到了美味水的指標(biāo)要求，但是健康指數(shù)大幅度下降，這與一級(jí)納濾的目標(biāo)一致，即最大限度提高感官指數(shù)，考慮到過高回收率會(huì)有濃水TDS超標(biāo)以及系統(tǒng)無機(jī)結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，因此一級(jí)納濾選取70%回收率是合適的。

表4 NF270膜在70%回收率下的產(chǎn)水水質(zhì)

綜上所述，混合納濾反滲透脫鹽系統(tǒng)中，一級(jí)納濾的主要作用是去除硫酸根離子，提高產(chǎn)水的感官指數(shù)，納濾膜的型號(hào)、產(chǎn)水健康指數(shù)下降情況以及濃水無機(jī)結(jié)垢情況均會(huì)影響一級(jí)納濾回收率的選擇，基于納濾膜真實(shí)截留率進(jìn)行產(chǎn)水離子濃度預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示可以用于精確調(diào)整一級(jí)納濾膜回收率，需要注意的是，系統(tǒng)總回收率要求更高時(shí)可以適當(dāng)提高一級(jí)納濾回收率，另外，原水水質(zhì)健康指數(shù)降低時(shí)需要適當(dāng)降低一級(jí)納濾回收率。

2.2 二級(jí)納濾系統(tǒng)

二級(jí)納濾系統(tǒng)需要選擇性分離鈉離子和鈣離子，鈣離子保留在濃水中最終與反滲透產(chǎn)水混合，根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)NE40納濾膜對(duì)鈣離子截留明顯高于其他2款膜，同時(shí)鈉離子的透過率較高，符合二級(jí)納濾系統(tǒng)要求。

為了對(duì)二級(jí)納濾系統(tǒng)的混合產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，將一級(jí)納濾系統(tǒng)產(chǎn)水(NF270在70%回收率下)作為納濾系統(tǒng)進(jìn)水，檢測(cè)1%回收率下的NE40膜產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度，具體水質(zhì)見表5。

表5 二級(jí)納濾1%和50%回收率下的實(shí)測(cè)水質(zhì)和對(duì)應(yīng)的混合產(chǎn)水水質(zhì)

圖5為不同納濾和反滲透回收率下混合產(chǎn)水的感官指數(shù)和鈣離子質(zhì)量濃度變化曲線，納濾回收率的增加會(huì)導(dǎo)致更多鈣離子進(jìn)入反滲透系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的混合產(chǎn)水鈣離子質(zhì)量濃度則不斷下降，硫酸根離子隨著回收率的增加會(huì)大量富集在濃水側(cè)并進(jìn)入混合產(chǎn)水中，因此產(chǎn)水感官指數(shù)會(huì)加速下降，值得注意的是，感官指數(shù)是正負(fù)相關(guān)離子質(zhì)量濃度比值函數(shù)，反滲透的稀釋作用不影響感官指數(shù)。

圖5 不同納濾和反滲透回收率下混合產(chǎn)水的感官指數(shù)和鈣離子質(zhì)量濃度變化曲線Fig.5 Taste index and calcium concentration curves ofmixed produced water under different nanofiltration andreverse osmosis recoveries

圖6為不同納濾和反滲透回收率下混合產(chǎn)水的健康指數(shù)變化曲線，納濾回收率從0增加至85%時(shí)，由于更多鈉離子進(jìn)入反滲透系統(tǒng)被去除，因此健康指數(shù)不斷上升，納濾系統(tǒng)回收率高于85%時(shí)，由于鈣和鈉離子質(zhì)量濃度的急速下降，健康指數(shù)也開始下降，與感官指數(shù)變化規(guī)律不同，反滲透回收率越高，健康指數(shù)越低。圖7為不同納濾和反滲透回收率下混合產(chǎn)水的TDS變化曲線，與鈣離子質(zhì)量濃度變化類似，納濾回收率的增加會(huì)導(dǎo)致更多的溶質(zhì)進(jìn)入反滲透系統(tǒng)被去除，因此混合產(chǎn)水的TDS不斷下降，3種反滲透回收率對(duì)應(yīng)的混合水溶解性固體質(zhì)量濃度差異較小。

圖6 不同納濾和反滲透回收率下混合產(chǎn)水的健康指數(shù)變化曲線Fig.6 Health index change curves of mixed producedwater under different nanofiltration and reverseosmosis recoveries

圖7 3種反滲透回收率下混合水TDS變化曲線Fig.7 Variation curves of total dissolved solids concentration inmixed water under three reverse osmosis recovery rates

圖8為不同納濾和反滲透回收率下混合濃水的TDS變化曲線，混合濃水溶解性固體質(zhì)量濃度變化規(guī)律較為復(fù)雜，一級(jí)納濾系統(tǒng)的濃水TDS為996 mg/L，當(dāng)二級(jí)納濾回收率較低時(shí)產(chǎn)水TDS較低，經(jīng)過反滲透濃縮后依然小于996 mg/L時(shí)，因此在低回收率區(qū)間內(nèi)濃水TDS不斷下降，當(dāng)二級(jí)納濾回收率較高時(shí)產(chǎn)水TDS也會(huì)變大，經(jīng)過反滲透濃縮后濃水TDS會(huì)大于996 mg/L，因此在高回收率區(qū)間內(nèi)濃水TDS不斷提高。當(dāng)反滲透回收率為70%時(shí)，納濾回收率為55%時(shí)達(dá)到最低值944.41 mg/L，并且濃水TDS均小于1 000 mg/L；當(dāng)反滲透回收率為75%時(shí)，納濾回收率為30%和35%時(shí)溶解性固體濃度達(dá)到最低值984.38 mg/L，并在納濾回收率達(dá)到70%時(shí)超過1 000 mg/L；當(dāng)反滲透回收率為80%時(shí)，反滲透濃縮作用占據(jù)主導(dǎo)因素，納濾回收率為10%時(shí)濃水TDS就超過1 000 mg/L，可以發(fā)現(xiàn)反滲透回收率越高濃水TDS變化臨界點(diǎn)越前移。因此綜合考慮二級(jí)納濾系統(tǒng)和反滲透適宜回收率分別為50%和75%，即可以滿足濃水TDS小于1 000 mg/L的要求。

圖8 3種反滲透回收率下混合濃水TDS變化曲線Fig.8 Variation curves of total dissolved solidsconcentration in mixed concentrated water underthree reverse osmosis recovery rates

表5為二級(jí)納濾1%和50%回收率下的實(shí)測(cè)水質(zhì)和對(duì)應(yīng)的混合產(chǎn)水水質(zhì)(反滲透產(chǎn)水以純凈水考慮)，經(jīng)過實(shí)測(cè)50%回收率二級(jí)納濾系統(tǒng)的濃水水質(zhì)并利用鹽平衡得出真實(shí)混合產(chǎn)水水質(zhì)和濃水水質(zhì)，在二級(jí)納濾50%回收率和反滲透75%回收率下，感官指數(shù)為2.23，健康指數(shù)為8.88，產(chǎn)水TDS為238.4 mg/L，濃水TDS為965.11 mg/L，預(yù)測(cè)公式計(jì)算結(jié)果顯示感官指數(shù)為2.04，健康指數(shù)為8.6，產(chǎn)水TDS為224.01 mg/L，濃水TDS為987.85 mg/L，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果接近，因此計(jì)算公式可以作為納濾/反滲透系統(tǒng)回收率設(shè)計(jì)的指導(dǎo)依據(jù)，另外，真實(shí)硝酸根離子產(chǎn)水質(zhì)量濃度為14.40 mg/L，相比于原水下降了41.7%，我國飲用水中要求硝酸根離子質(zhì)量濃度為44.3 mg/L(硝酸氮含量<10 mg/L)，因此硝酸根可以保持在較低水平，較常規(guī)納濾工藝硝酸根濃度去除率大幅度增加。混合納濾反滲透脫鹽系統(tǒng)可以將預(yù)疏放奧灰水產(chǎn)水水質(zhì)的感官指數(shù)、健康指數(shù)和產(chǎn)水TDS控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)保留有益鍶離子，去除有害硝酸根離子。

綜上所述，混合脫鹽系統(tǒng)中二級(jí)納濾和反滲透系統(tǒng)主要是為了提高產(chǎn)水的健康指數(shù)，降低水體中鈉離子和硝酸根濃度，需要綜合考慮納濾膜的型號(hào)、產(chǎn)水水質(zhì)和濃水水質(zhì)情況，預(yù)測(cè)公式與實(shí)測(cè)值均表明系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，但需要說明的是，國內(nèi)開展優(yōu)質(zhì)潔凈疏放水用于飲用水源或包裝水案例較少，本次研究結(jié)論是基于感官指數(shù)和健康指數(shù)評(píng)價(jià)方法，缺少基于有害離子與有益離子的綜合評(píng)價(jià)，后期應(yīng)該進(jìn)行深入研究完善相關(guān)評(píng)價(jià)模型。

2.3 經(jīng)濟(jì)核算

飲用水凈化工藝的主要流程為：原水→原水箱→原水泵→多介質(zhì)過濾器→活性炭過濾器→精密過濾器1→精密過濾器2→高壓泵→超濾→納濾+→臭氧混合裝置→成品水箱→供水泵。本次方案需要改進(jìn)的工藝段是將納濾替換成混合脫鹽系統(tǒng)。水量按照年飲水量3.5萬t進(jìn)行計(jì)算，每天8 h并且每年330 d運(yùn)行，每小時(shí)需要產(chǎn)水量為12.7 t，進(jìn)水按照20 t/h設(shè)計(jì)。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，電費(fèi)按照1.9元/kWh，工資按照1萬元/月，修理費(fèi)按照年5%，設(shè)備使用期按照15 a，桶裝水體積為18.9 L，水桶使用次數(shù)為100次計(jì)算。

由于該工藝中桶裝水生產(chǎn)費(fèi)用占比較高，因此混合脫鹽增加的動(dòng)力費(fèi)、修理費(fèi)和折舊費(fèi)相比而言較小，傳統(tǒng)工藝運(yùn)行費(fèi)用為0.75元/瓶，結(jié)合混合脫鹽系統(tǒng)后費(fèi)用增加至0.80元/瓶，運(yùn)行費(fèi)用提高了7%，并沒有明顯增加，具體運(yùn)行費(fèi)用見表6。另外，混合脫鹽系統(tǒng)中由于二級(jí)納濾和反滲透進(jìn)水中大部分硫酸根和部分鈣鎂離子被去除，因此只有一級(jí)納濾存在無機(jī)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)一級(jí)納濾濃水硫酸鈣飽和度只有5%，用于表示碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)的LSI 指數(shù)(朗格利爾飽和指數(shù))為0.9，通過將pH調(diào)整為7.18，LSI指數(shù)可以降低至-0.1(LSI<0表示沒有結(jié)垢趨勢(shì))，值得注意的是，原水的碳酸鈣LSI指數(shù)為0.5，上述分析表明無機(jī)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)很小。由于濃水溶解性總固體濃度可以精確控制在1 000 mg/L以下，節(jié)省了相應(yīng)的藥劑費(fèi)用和濃水處理相關(guān)費(fèi)用，因此整個(gè)工藝具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)勢(shì)。

表6 運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

2.4 工藝適用性分析

通過改變水體中離子比例和質(zhì)量濃度，從而模擬不同原水水質(zhì)對(duì)應(yīng)的混合納濾反滲透脫鹽系統(tǒng)的調(diào)整方案(表7)。水樣A在預(yù)疏放水中加入適量硫酸鈉和硫酸鈣，使得水體中鈉和鈣離子比例維持不變，硫酸根離子質(zhì)量濃度增加1倍，原水的感官指數(shù)下降，通過水質(zhì)預(yù)測(cè)公式顯示一級(jí)納濾回收率70%時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)水感官指數(shù)由2.04下降至1.95，將一級(jí)納濾系統(tǒng)的回收率下調(diào)至60%時(shí)，一級(jí)納濾產(chǎn)水感官指數(shù)恢復(fù)至2.05，因此下調(diào)一級(jí)納濾回收率是解決原水水質(zhì)中硫酸根比例過高的有效手段。

表7 不同水質(zhì)情況對(duì)應(yīng)的納濾系統(tǒng)回收率

水樣B在預(yù)疏放水中加入氯化鈉，使得水體中鈉離子質(zhì)量濃度增加1倍，從而使得原水健康指數(shù)大幅度下降，忽略質(zhì)量濃度變化對(duì)納濾膜真實(shí)截留率的影響，通過水質(zhì)預(yù)測(cè)公式顯示二級(jí)納濾回收率為50%時(shí)產(chǎn)水健康指數(shù)<0，將二級(jí)納濾回收率上調(diào)至82%，并通過反滲透產(chǎn)水將混合產(chǎn)水溶解性總固體質(zhì)量濃度稀釋至300 mg/L時(shí)，產(chǎn)水的健康指數(shù)為5.46，符合健康水要求，因此提高二級(jí)納濾系統(tǒng)回收率是解決原水水質(zhì)中鈉離子比例過高的有效手段。

水樣C和D為預(yù)疏放水離子比例不變情況下，溶解性總固體增加了1倍和2倍，由于混合脫鹽系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)在于對(duì)離子的選擇性分離和濃縮，將水體中各種離子比例進(jìn)行重新調(diào)整，當(dāng)TDS較高時(shí)，一方面可以將部分原水引入反滲透系統(tǒng)從而降低混合產(chǎn)水的TDS，另外在一級(jí)納濾系統(tǒng)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃嵴{(diào)節(jié)，降低水體的無機(jī)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，納濾系統(tǒng)回收率無需調(diào)節(jié)。綜上所述，基于水質(zhì)離子質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)調(diào)控的混合脫鹽系統(tǒng)具有應(yīng)對(duì)不同原水水質(zhì)的應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 論

(1)基于納濾膜真實(shí)截留率進(jìn)行產(chǎn)水離子質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值偏差較小，通過水質(zhì)離子濃度預(yù)測(cè)公式調(diào)整一級(jí)納濾、二級(jí)納濾和反滲透系統(tǒng)的回收率是可行的。

(2)一級(jí)納濾回收率增加產(chǎn)水水質(zhì)感官指數(shù)不斷下降健康指數(shù)不斷上升，二級(jí)納濾系統(tǒng)回收率增加感官指數(shù)和混合產(chǎn)水TDS加速下降，健康指數(shù)先勻速增加后急劇減少，濃水TDS先下降后上升，水質(zhì)預(yù)測(cè)顯示產(chǎn)水水質(zhì)的健康指數(shù)大幅度提高，同時(shí)感官指數(shù)可以控制在美味水標(biāo)準(zhǔn)線以上。

(3)最佳混合納濾反滲透脫鹽工藝是：一級(jí)納濾、二級(jí)納濾和反滲透系統(tǒng)回收率分別為70%，50%和75%，最終產(chǎn)水達(dá)到美味健康水要求，經(jīng)濟(jì)分析顯示混合脫鹽系統(tǒng)均衡了系統(tǒng)的無機(jī)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行成本增加了7%，整個(gè)系統(tǒng)具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益，工藝適用性分析發(fā)現(xiàn)混合脫鹽系統(tǒng)具有應(yīng)對(duì)不同原水水質(zhì)的應(yīng)用潛力。