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反渗透技术在俄罗斯净化饮用水中的应用 |
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摘要： 论述了应用反渗透方法净化饮用水的必要性和可能性。介绍了俄罗斯应用反渗透净化饮用水工艺的两个特点：1.反渗透装置前不设预处理；2.净化后的水质符合卫生标准。
关键词： 饮用水 反渗透 俄罗斯
随着经济的发展，人们生活水平的提高，对饮用水的要求愈来愈高，需要设计和采用新的、先进的净水工艺。到目前为止，解决这一问题的方法是在传统的净水构筑物设备上增加臭氧和活性炭吸附设备，使得净水工艺大为复杂，大大地增加了投资，而且水质提高也不多。一种观点认为，地下水受到人类活动的影响较小，可以用地下水源代替地表水源(甚至用于大城市)，但是大部分的地下水硬度和含铁量较高，与传统的净水方法(凝聚－沉淀－过滤)相比，净化上述水源的水更为复杂和昂贵。
随着技术的发展人们发现，对于供水量不大的给水站，原水为地表水、地下水，甚至是海水时，应用膜净化方法可以解决这个问题。到目前为止，已经应用和试验过的膜方法是电渗析和反渗透，但是反渗透具有更大的适应性和发展前途，因为它不仅可以除去盐类和存在于离了状态的其它物质，还可以除去悬浮物和有机物质、胶体、细菌和病毒。在净化工艺工况遭到破坏时，在保持需要净化效果的同时，仅仅是降低了装置的出水量。
过去，反渗透被认为是在经济指标方面不能与其他传统净化方法——凝聚加沉淀、曝气、吸附等方法相竞争的，大部分专家认为是一种特殊的、昂贵的方法，仅限用于医药、电了和食品等工业，这是因为这种方法单位能耗较高(7.5～10kw/m3出水)，膜元件和泵设备投资高，预处理系统复杂庞大。
近年来，膜和膜工艺不断在完善，现在许多国家已设计出和正在制造各种型式的高压和低压复合膜，可用于净化各种领域的原水。
在选择净化有毒物质污染较严重的地表水和含铁较高的地下硬水方案时，对于小型和中型处理量的水站，应用反渗透认为是较好的，因为它们紧凑和简单，同时可以保证有较高的出水水质。
传统的水消毒方法是利用氯的氧化物，但近年来受到很多的批评和限制，因为它会形成有毒的三氯甲烷，同时对某些病毒消毒效果不好。反渗透净化除了可以从水中除去有毒有机和无机污染外，还能保证完全消毒，在设资和运转费方面越来越可以与传统的方式竞争，更不用说那些需要高质量水的专门领域。这是因为在降低工作压力(0.7～1.6Mpa)的同时增加了膜单位出水量，因而降低了电耗，降低了压力外壳、水泵设备、水力集水系统和配水系统的成本。近年来，反渗透方法净化饮用水在俄罗斯也取得了广泛的应用，俄罗斯除了从美国和德国进口反渗透设备外，自已也有生产这种设备的工厂。
俄罗斯给水、排水、水工结构和工程水文地质科学研究院经过多年的研究设计制造的小型和中型出不量的反渗透装置能够实现工作自动化，而且不需要消耗大量的药剂，维护人员少，可以应用于日常生活条件下。俄罗斯在应用反渗透方法净化饮用水方面具有两个重要的特点。
1 反渗透装置前不设置预处理
一般认为，水中的混合物会使膜污染，如悬浮物和胶体物、铁(氧化铁和亚铁)、细菌污染、不易溶解物的沉淀(硫酸钙和碳酸钙)、有机污染(腐殖酸和富里酸)，清除它们需要使装置的流程更为复杂，由于预净化的部件较多，不可能建造方便的和可靠的适用于日常条件下的自动化系统。
俄罗斯科学院通过研究从理论上和试验研究中找出了在膜上各种沉淀物结垢的规律性，找出了在工作过程中对膜的特性影响最坏的物质。
从形成和去除沉淀物强长的观点看，结晶的碳酸钙对膜是最危险的，要去除这些沉淀最实际和容易实现的方法是在原水中加入1～3mg/l的阻垢剂，可以降低沉淀物的形成强度90%～95%。
为了消除形成的数量不多的沉积碳酸钙，可以周期的对膜进行清洗，清洗是用有机酸和表面活性剂进行的，对清洗溶液有效性进行评价，在合适的运转工况下，能保证完全去除沉淀物和保持膜的指标在满意水平，得出了可以建立不需要专门维护和预处理的自动化净水装置的结论。曾做过地下水源不经预处理的中间试验，试验中运用了周期清洗。试验表明，经过再生后膜的工作指标，由于去除了大量的沉淀物(碳酸钙、悬浮物和胶体物)，实际上已恢复到原来水平。
俄罗斯科学院对卷式膜的反渗透装置进行了许多研究和工业性试验。证明了处理含有悬浮物10～15mg/l和色度30～40度的地下水、地表水，以及海水和自来水的深度净化可以对原水不进行预处理，在加入1～3mg/l阻垢剂的情况下，能连续工作1000～3000h。
对含有悬浮物5～10mg/l的的地表水进行研究的结果，连续运转的清洗周期为500～1000h，若不加清洗继续工作，压力损失将增加0.4～0.5MPa，从而使产水量降低。
曾经进行过应用标准的卷式膜元件直径100mm、长度1000mm处理含悬浮物5～10mg/l河水的试验，试验表明，压力损失随着通过装置的流量而增长，因此对于工作于恶劣条件下含悬浮物浓度较高的原水，必需选择最小的产水量。
俄罗斯科学院根据试验研究的经验，设计了产水量1～10m3/d不用预处理的反渗透装置，也设计过100～200L/h的家用装置。
2 净化后的水质符合卫生要求
应用反渗透装置改善井水和自来水，虽然有许多的优点，但净化后的水质与卫生机构所制定的准则存在着严重的矛盾，这个准则就是Guidelines on Health Aspects of Water Desalination WHO, ETS/80.4。
因为用反渗透装置从水中除盐也去除了人体必需的微量元素钙、镁和氟，将使人体造成骨疡和龋齿。
应用反渗透净化的水可以去除大量的污染物质，同时使水中的含盐量，亦即水中离了的含量降低了96%～99%。
作为饮用水，对净化水中的离了成份有一定的要求，应当具有一定数量的含盐量，以及钙、镁、钠、钾、铵、氯化物、碳酸氢盐、硫酸盐、硝酸盐和氟化物。例如在俄罗斯和欧共体饮用水标准中氟离子的容许浓度为0.5～1.5mg/L,世界卫生组织推荐的钙为1～2mg-eq/L。
现在美国和欧洲国家反渗透装置广泛应用于净化井水和最难除去的氟化物、硝酸盐和亚硝酸盐离子，在俄罗斯也如此。现以净化高含氟量的莫斯科附近的地下水为例，看看俄罗斯如何在应用反渗透装置净化水质，同时又保证符合饮用标准的。
在除氟的同时，必需保证水的硬度符合卫生标准，但是因难在于反渗透膜阻留单价离子的能力比双价离子差得多。常常出现这种情况，在力求降低氟化物在含量达到要求时，硬度却降低到了卫生标准不能容许的水平；在降低总的含盐量和硬度达到需要水平时；单价离子的含量，例如氟化物又达不到要求。因此需要选择一种适当的膜，以便使净化水达到需要的净化深度。
净化水的含盐成份还决定于装置的下列参数：工作压力、温度、出水率(净化水的流量与进入装置水的总流量之比)。
按照美国某公司设计的计算机程序对高含氟量莫斯科地下水的分析结果列于表1。表1 莫斯科高含氟量地下水分析结果
*原水80m3/h ，出水流量60m3/h ，出水率75%
**原水120m3/h ，出水流量60m3/h ，出水率50% 上述的计算是在各种数值的出水时进行的，从中可以看出，出水量愈多，出水中的钙和氟离子的浓度越高，最隹压力值就愈大。根据计算结果，从几种出水量中决定最隹压力值，从中选出的数值要能满足钙和氟离子的浓度尽可能接近于推荐的数值，可通过作图求出装置工作的最隹参数。
当硬度和氟离子浓度最接近于推荐值水平时(关系曲线的交点)的工作压力是最隹压力。
俄罗斯的研究还发现，应用反渗透装置改善自来水水质经常会过度除盐，而且使水中的生命必需元素钙和氟离子的浓度低于卫生标准。为了改善莫斯科自来水的质量，可以应用纳滤膜的装置，在这种情况下，硬度降低4/5到7/8；总的含盐量减少1/3到1/2。
近年来，我国有些城市掀起了饮用纯水的热潮，这些纯水大部分都是用反渗透装置制取的，一般都采用制取工业纯水的设备和工艺，预处理装置很复杂；在制取这种水的过程中，也忽视了保留人体必需的微量元素这一重要的卫生准则。他山之石，可以攻玉，俄罗斯应用反渗透制取饮用水的经验值得我们借鉴。(end)
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(5/8/2005) |
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