景泰川电力提灌区,位于甘肃中部景泰县,灌区从黄河提水进行灌溉.一期灌区设计提水流量为10M3秒,设计灌溉面积为30万亩[1].灌区上水前,地下水位都深.但上水后,由于种种原因,使地下水位迅速上升,改变了灌区的地下水平衡状态,逐渐发生了盐渍化,盐渍化荒地逐年增加,影响了灌区效益的发挥,也影响了农业的发展.在一期灌区的农业耕作区建立排水系统量很有必要的,这不但防止土壤盐渍化,而且利用规划设计合理的排水系统起到收集农业排水的功能.对农业排水的回收处理包括技术环境方面的许多因素.废水的最小化及排水的回收再利用可减少从黄河的提水量,还可防止因土壤盐渍化而丢失大片的耕地面积.为了设计这样一个满足上述要求的农业排水处理工程需要对许多的设计参数进行仔细的优化计算,努力以最小的成本实现农业排水的回收再利用.
1.农业排水回收利用现状
美国从71年开始在加利福尼亚Firebaugh进行农业排水回收利用试验研究 [2].试验所用技术为反渗透,所用膜为手工浇铸醋酸纤维（CA）管式膜组体.通过试验对这种技术的可行性得到了证实.由于当时膜价高,及CA膜所需的高运行压力,使系统制水成本很高,无法推广应用.从1983至1987年,美国在加利福尼亚Los Baros又进行农业排水处理技术的第二阶段试验研究[3].这次采用技术仍为反渗透,选用了80年代最为先进的复合膜.这个地区农业排水中含有几种无机有毒物质,如硒酸盐和硼酸盐.这个试验系统,因为环境保护政策的需要,于1987年最终关闭了.虽然这套系统只运行了较短的时间,但反渗透系统的总体性能还是说明了用膜法水处理技术进行农业排水回收利用的潜在可行性.到了九十年代,对农业排水回收利用问题的研究又得到了重视.主要是由于新一代苦咸水淡化膜的出现.这种膜称为纳滤膜(NF),操作压相当低,约为0.5~0.7Mpa,膜通量大,相当高的脱盐率[4].与反渗透膜相比,它具有较好的经济性,在过去几年中,美国在实验室中已作了许多工作,首先是对纳滤膜在农业排水回收利用中的性能进行评价.当农业排水的含盐量为10000mg/l,运行压力为1.4Mpa时,测得的纳滤膜通量为18GPD,脱盐率可达90%[4].这些数据说明,纳滤的处理费用与80年代的反渗透处理费用相比明显较低.其次,是对纳滤处理农业排水时的膜结垢污染进行了一系列的试验研究,并提出了合理的预处理措施.
截止目前的工作努力,已可指导进行符合农业排水条件的纳滤处理系统的设计.通过对纳滤系统的经济评价,可以预言,纳滤将是经济有效的农业排水回收处理方法.
2.农业排水回收处理方法
2.1 反渗透技术
反渗透是一种压力膜过程,工艺是指在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力,浓溶液中的水渗透过半透膜向清水侧移动,使水从浓溶液中分离出来.反渗透用于水处理能够从水中脱除98%以上的胶体,微生物,微粒,有机物及一些溶解性盐类 [5].反渗透的能耗与脱盐量有关.反渗透系统的运行压力现已降到1Mpa左右.反渗透水处理系统一般由预处理,脱盐装置及反处理三部分组成.
2.2 纳滤技术
纳滤是一种新型的压力驱动过程.它的分离范围介于反渗透和超滤之间.纳滤膜的发展较反渗透晚了近二十年,但在水处理方面已逐渐取代反渗透而成为未来发展的主流.纳滤用于水处理,能够有效地脱除有机物,细菌,病毒,硬度,降低水中含盐量.纳滤在0.5~0.7Mpa的操作压力时,可脱除85~95%的硬度和70%以上的一价离子[4].纳滤系统一般由预处理,纳滤装置及后处理三部分组成.纳滤技术在饮用水净化处理,污废水排放处理,各种水溶液的浓缩与精滤等领域的优越性已逐渐为人们所认识,随着膜成本的下降及工程经验的积累,预计纳滤技术在今后会有很大发展.
3.工艺评价
景泰川电力提灌区芦阳排水试验站的水质分析资料详见表1.根据此水质资料,模拟计算以估计农业排水回收处理系统的工艺参数,这里选择的处理方法为纳滤技术.预处理工艺中包括快速综合净水器、砂滤器及精滤器.纳滤脱盐装置采用二级脱盐工艺,并使部分浓水反循环利用并将部分经过预处理的原水与纳滤出水进行掺合,提高系统水利用率,降低运行成本.纳滤膜采用美国海德能公司生产的高性能芳香族聚酰胺纳滤膜。此膜通量大,可在超低压下操作,从而实现节能,降低投资和操作费用的目的.为了控制膜污染结垢,需要在纳滤进水中加入阻垢剂.
4.纳滤处理农业排水系统评价
4.1水质评价
表1表示原水水质,纳滤处理后水质及农业灌溉用水水质标准.经纳滤处理后的水质指标已满足农业灌溉用水水质标准.处理后的水含盐量为1080mg/l
4.2 工艺参数评价
表2列出了纳滤处理工艺的所所有工艺参数.由表2可见,在农业排水处理系统产水量30M3/h的情况下,整个系统的水利用率为85%.当纳滤的运行压力为0.5~0.7Mpa时,系统脱盐率70%以上.系统运行中,需要填加一定量的混凝剂及阻垢剂.
4.3费用评价
表3列出纳滤农业排水回收处理系统的投资,运行成本等各项费用.从表中可见,系统的综合运行成本为1.23元/M3.与高扬程提灌区的政策性单方水价0.15元/M3要高，但是干旱缺水地区这样的价格还是很有吸引力的。
表1 各类水质指标
项目
单位
原水水质指标
处理后水质指标
农业用水水质指标
Ca
mg/l
145.8
14.78
Mg
mg/l
177.8
18
K
mg/l
4.7
0.05
Na
mg/l
838
344.3
F
mg/l
0.5
0.37
<2.0-3.0
CO3
mg/l
0.1
HCO3
mg/l
142.7
137
SO4
mg/l
980
129
Cl
mg/l
1263
431
<250
NO3
mg/l
3.0
5.2
PH
7.4
6.9
5.5-8.5
TDS
mg/l
3556
1080
<1000-2000
表2 系统工艺参数
项目
单位
数量
项目
单位
数量
产水量
T/H
30
压力外壳
个
6
水利用率
%
70
NF膜
个
36
进水TDS
mg/l
3552
运行压力
Mp
0.85
产水TDS
mg/l
1080
设计水温
℃
系统脱盐率
%
>70
表3 系统投资及运行成本
项目
单位
数量
项目
单位
数量
系统投资
万元
30
4.阻垢剂费用
元/T
0.062
电价
元/度
0.5
5.杀菌剂费用
元/T
0.10
膜价
元/根
5000
6.滤芯更换费用
元/T
0.05
系统产水量
T/H
30
7.预处理费用
元/T
0.10
系统水利用率
%
>70
8.人工费用
元/T
0.10
运行成本核算
元/T
1.325
9.系统维修费用
元/T
0.04
1.膜更换费用
元/T
0.25
11.运行成本合计
元/T
1.325
2.能耗费用
元/T
0.355
3.混凝剂费用
元/T
0.05
5.结论
(1)在纳滤农业排水回收处理系统中,适当填加阻垢剂时, 并采用部分浓水反循环及掺合一部分原水,有利于提高系统水利用率,降低系统运行成本.可成功地将系统水利用率提高到85%左右.
(2)在高扬程提灌区,建设竖向排水井,不但可减少排水工程投资,又可为排水的处理利用创造基础条件.从竖井中抽出的水,浊度低,可减少膜系统的预处理工艺,从而减少排水回收处理系统的投资,降低处理水成本.
(3)纳滤农业排水处理系统的单方水成本为1.23元/M3,这样的价格在干旱缺水地区还是有吸引力的。当种植的作物价值较高时,就具有一定的可行性.
(4)纳滤技术处理农业排水并回用,在技术上是安全可靠的。随着水资源矛盾的日益突生和膜技术的不断进步以及膜处理成本的不断下降,农业排水纳滤处理成本还会进一步的降低.随着工业的发展,水资源的污染日益严重,缺水现象会越来越严重,农业排水回收利用问题将会受到人们的关注,农业排水的处理也将会提到仪事日程。
(5)对农业排水进行处理回用,不但可防止土壤盐渍化,又可使农业排水资源化。应该说,它是一种水资源再生的希望方法。从环境保护方面讲,对农业排水进行回收处理再利用具有非常重要的环境意义.
(6)对农业排水的处理回用进行研究,对保护宝贵的水资源并以合理的方法进行再循环而供人们更好地使用,回起到重要的作用.