國(guó)內(nèi)代表性納濾水廠評(píng)估指標(biāo)體系與運(yùn)行效果分析

高 雪，陳才高，劉海燕，李 虹

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

生活飲用水水質(zhì)要求的發(fā)展可分為衛(wèi)生、安全和健康3個(gè)階段，現(xiàn)在正處于水質(zhì)安全階段，健康飲水的理念正在萌芽和發(fā)展中。健康的水，應(yīng)在去除水中有毒、有害污染物的基礎(chǔ)上，保留水源水中天然的對(duì)人體有益的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，安全又健康，即為高品質(zhì)飲用水[1]。

我國(guó)飲用水水源存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。一方面，飲用水源存在離子超標(biāo)的問題。健康的飲用水硬度應(yīng)在150～200 mg/L，而西北部地區(qū)水源鈣、鎂離子普遍偏高，硬度接近或超過國(guó)標(biāo)上限值(450 mg/L)，導(dǎo)致人們飲水口感差、患有結(jié)石病等問題。沿海城市潮水倒灌導(dǎo)致氯離子含量超過國(guó)標(biāo)上限值(250 mg/L)，峰值可達(dá)1 000～1 500 mg/L。還有部分地區(qū)硫酸鹽含量超過國(guó)標(biāo)上限值(250 mg/L)，峰值可達(dá)近1 000 mg/L，氟離子含量超過國(guó)標(biāo)上限值(1.0 mg/L)，高氟區(qū)可達(dá)10～20 mg/L。另一方面，隨著工業(yè)的發(fā)展，人工合成的有機(jī)物快速增加，如內(nèi)分泌干擾物、個(gè)人防護(hù)用品和藥品等，它們會(huì)通過多種途徑進(jìn)入天然水體和供水系統(tǒng)，雖然濃度很低，但其致癌、致畸、致突變等毒性危害不可小覷。我國(guó)環(huán)保部的一項(xiàng)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)56個(gè)城市的206個(gè)飲用水源地中共檢出132種有機(jī)污染物，其中，103種屬于優(yōu)先控制污染物[1]。

納濾膜可截留多種價(jià)態(tài)的溶解鹽類物質(zhì)，包括鈣、鎂(硬度)、硫酸鹽、氟化物、硝酸鹽、氯化物、砷等，同時(shí)截留分子量約為200～2 000的有機(jī)物，包括消毒副產(chǎn)物前體物、內(nèi)分泌干擾物、微量有毒有害物等，所以，納濾處理工藝適用于超標(biāo)離子型或有機(jī)微污染型飲用水源深度處理[2]。

1 國(guó)內(nèi)納濾水廠建設(shè)與水源水質(zhì)特征

納濾膜從最早應(yīng)用于特種分離、物料濃縮等領(lǐng)域，逐步擴(kuò)展到污水處理零排放分鹽，近10年來開始在國(guó)內(nèi)自來水廠深度處理中得到應(yīng)用。

中國(guó)水利企業(yè)協(xié)會(huì)脫鹽分會(huì)《膜法水處理技術(shù)在水深度處理及再生回用領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模調(diào)研報(bào)告》中，統(tǒng)計(jì)了截至2019年6月國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行及在建的項(xiàng)目，其中，國(guó)內(nèi)納濾膜技術(shù)用于自來水廠深度處理項(xiàng)目，納濾系統(tǒng)產(chǎn)水總規(guī)模為74.87萬m3/d。

為探明納濾膜技術(shù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，實(shí)地調(diào)研或函調(diào)了覆蓋國(guó)內(nèi)各流域、各種水源特征的絕大部分飲用水納濾水廠和國(guó)際首座納濾水廠——法國(guó)巴黎梅里奧塞水廠，統(tǒng)計(jì)納濾系統(tǒng)廠家、規(guī)模、水源等情況如表1所示。

2 納濾水廠的水源水質(zhì)與工藝系統(tǒng)

2.1 水源水質(zhì)特征

通過調(diào)研分析目前納濾膜技術(shù)的應(yīng)用地區(qū)與場(chǎng)景，將其適用的水源分為持續(xù)性離子類、季節(jié)性離子類、復(fù)合類以及有機(jī)類4種類型，每種類型的水源都有較為集中的應(yīng)用地區(qū)，其水質(zhì)特征如表2所示。

2.2 納濾膜選型

原則上納濾處理工藝應(yīng)將有機(jī)污染物最大程度去除，而將無機(jī)離子含量控制到適宜人體的程度(TDS含量在100～400 mg/L)。因此，應(yīng)針對(duì)不同水源的水質(zhì)特征(表2)，確定特征離子去除率的目標(biāo)，再根據(jù)需求選擇合適的納濾膜元件。例如，長(zhǎng)江流域多為有機(jī)微污染，原水中TDS含量為100～200 mg/L，不存在特征離子超標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡量少去除TDS，給予飲用者更多的礦物質(zhì)。

納濾膜是該項(xiàng)技術(shù)的核心元件，根據(jù)具體項(xiàng)目對(duì)二價(jià)/多價(jià)離子與一價(jià)離子有不同截留率的需要，選擇特定的納濾膜類型。目前，國(guó)內(nèi)外的納濾膜廠商均有系列納濾膜產(chǎn)品，不同型號(hào)的納濾膜對(duì)不同離子的脫鹽率均不同，脫鹽率為15%～98%，通常有總TDS去除率為30%、60%、90%左右的納濾膜可供選擇[3-4]。

2.3 工藝系統(tǒng)

納濾水廠主體工藝流程為“混凝沉淀→多級(jí)過濾→納濾→消毒”，多級(jí)過濾的主要目的是保障納濾系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)，提高納濾系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，降低清洗頻率，延長(zhǎng)其使用壽命。

在不同的工程實(shí)例中，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況的不同，可以選用多種多級(jí)過濾的方式，如圖1所示。比較常見的工程實(shí)例：(1)砂濾→保安過濾→納濾，如法國(guó)巴黎某水廠等；(2)砂濾→超濾→保安過濾→納濾，如張家港某水廠、中寧縣某水廠等；(3)超濾→保安過濾→納濾，如太倉(cāng)某水廠等。

圖1 納濾水廠工藝流程示意圖Fig.1 Flow Diagram of Process in NF Waterworks

為了提高產(chǎn)水率、減少濃水的產(chǎn)生，工藝設(shè)計(jì)時(shí)，納濾膜技術(shù)可選擇多段納濾工藝，如圖2所示。其也可與反滲透技術(shù)聯(lián)用，例如長(zhǎng)樂某水廠(圖3)[5]，經(jīng)兩段納濾系統(tǒng)后，將納濾濃水經(jīng)反滲透膜過濾，產(chǎn)水與納濾系統(tǒng)產(chǎn)水混合，作為最終的出水，僅排放反滲透的濃水，濃水排放量減少了60%～70%。

圖2 多段納濾工藝與目標(biāo)回收率Fig.2 Multistage NF Process and Target Recovery Rate

圖3 長(zhǎng)樂某水廠工藝流程示意圖[5]Fig.3 Flow Diagram of Process of Waterworks in Changle[5]

3 納濾水廠評(píng)估指標(biāo)體系與分析

3.1 指標(biāo)體系

結(jié)合我國(guó)供水關(guān)鍵材料設(shè)備的需求和發(fā)展現(xiàn)狀，在深入調(diào)研評(píng)估納濾系統(tǒng)性能及應(yīng)用狀況的基礎(chǔ)上，參照《納濾裝置》(HY/T 114—2008)[6]、《納濾膜及其元件》(HY/T 113—2008)[7]、《Reverse Osmosis and Nanofiltration Systems for Treatment(水處理用反滲透和納濾系統(tǒng))》(AWWA B114—2016)[8]、《Reverse Osmosis and Nanofiltration Manual of Water Supply Practices(反滲透和納濾供水實(shí)踐手冊(cè))》(AWWA M46—2007)[9]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)和用戶關(guān)注的主要問題，篩選可量化或易于考核的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立了一套科學(xué)合理且有效的評(píng)估指標(biāo)體系。

一級(jí)指標(biāo)設(shè)定了技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)可靠性、性能穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)適用性、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等5個(gè)維度，對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行全方位綜合判斷，為今后產(chǎn)品主要提升性能提供參考。根據(jù)調(diào)研的關(guān)鍵性指標(biāo)，包括裝置水回收率、膜通量、進(jìn)水壓力、電控系統(tǒng)智能性、裝置脫鹽率、有機(jī)微污染物去除率、膜更換周期、清洗頻率、建設(shè)運(yùn)行成本、膜組件國(guó)產(chǎn)化情況等，進(jìn)一步設(shè)定了二級(jí)指標(biāo)體系，形成評(píng)估內(nèi)容框架(圖4)。

圖4 納濾系統(tǒng)評(píng)估內(nèi)容Fig.4 NF System Assessment Content

3.2 代表性水廠驗(yàn)證結(jié)果分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)代表性納濾水廠項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地深入調(diào)研，進(jìn)行3個(gè)月以上的生產(chǎn)性驗(yàn)證。利用3.1節(jié)中二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系梳理驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如表3所示，對(duì)標(biāo)國(guó)際平均水平[10-13]，分析我國(guó)納濾工藝應(yīng)用現(xiàn)狀。

根據(jù)典型樣本調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，納濾膜技術(shù)對(duì)水質(zhì)的提升效果明顯、優(yōu)勢(shì)突出，有如下特點(diǎn)。

(1)裝置水回收率是設(shè)備先進(jìn)性的重要衡量指標(biāo)，回收率越高，越能體現(xiàn)先進(jìn)性。國(guó)內(nèi)系統(tǒng)回收率在77%～85%，均值略低于國(guó)際平均水平。已建成的實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)與產(chǎn)水目標(biāo)的需求，通常部分采用納濾工藝，再與其他工藝產(chǎn)水勾兌后，供市政管網(wǎng)。未來根據(jù)不同的工程需求，特別是針對(duì)有機(jī)微污染水源，可能會(huì)采取全納濾處理方式。

(2)膜通量與進(jìn)水壓力成正相關(guān)關(guān)系，膜通量越高，進(jìn)水壓力越低。國(guó)內(nèi)膜系統(tǒng)的膜通量和進(jìn)水壓力通常略低于國(guó)際水平，膜通量通常在16～30 L/(m2·h)，國(guó)際平均水平為28 L/(m2·h)，進(jìn)水壓力通常在0.2～0.9 MPa，國(guó)際平均水平在0.3～2 MPa，均值為0.6 MPa。

(3)裝置脫鹽率和有機(jī)物去除率指標(biāo)是技術(shù)可靠性的最關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)凈水工藝以脫鹽為目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)離子去除率越高，效果越好，以去除有機(jī)物為目標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡可能保留有益礦物質(zhì)，離子選擇性越佳，效果越好。納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子有選擇性，通常對(duì)二價(jià)離子的去除率在90%以上，對(duì)一價(jià)離子的去除率在60%以下，保留有益礦物質(zhì)成分；對(duì)TOC去除率可達(dá)85%以上，能滿足高品質(zhì)飲用水水質(zhì)的要求與國(guó)際水平相當(dāng)，比超濾或臭氧-生物活性炭工藝(去除率60%左右)對(duì)有機(jī)物的去除能力明顯增強(qiáng)，更能滿足高品質(zhì)飲用水水質(zhì)的要求。保留有益礦物質(zhì)成分，要比全部去除原有TDS，然后再通過介質(zhì)過濾器(裝有麥飯石、石灰石、白云石等介質(zhì)粒料，可溶解部分鈣、鎂離子的濾器)礦化，使出水獲得一定的礦物質(zhì)離子的方法更經(jīng)濟(jì)、更符合健康水的要求,同樣，若原水礦物質(zhì)的濃度不高，建議使用部分納濾與其他工藝勾兌后供管網(wǎng)，一方面，保障了人體對(duì)礦物質(zhì)的需求，另一方面，減少濃水，提高了水資源利用率。

表3 代表性納濾水廠生產(chǎn)性驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Production Verification Results of Representative NF Waterworks

(4)膜更換周期是衡量性能穩(wěn)定的指標(biāo)，國(guó)內(nèi)質(zhì)保年限一般為3～8年，因項(xiàng)目建成時(shí)間并不長(zhǎng)，還未換膜，國(guó)際上也是根據(jù)具體項(xiàng)目的出水情況按需換膜，法國(guó)某水廠運(yùn)行20年間，僅維護(hù)性換膜一次。

(5)清洗頻率指標(biāo)是運(yùn)行維護(hù)的重要指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)項(xiàng)目間隔45～120 d進(jìn)行一次化學(xué)清洗，與國(guó)際平均水平相當(dāng)。

(6)噸水建設(shè)成本考慮設(shè)備成本和設(shè)備安裝施工這2部分土建成本，其中，進(jìn)口設(shè)備成本高于國(guó)產(chǎn)設(shè)備成本，設(shè)備安裝施工成本基本相當(dāng)。運(yùn)行成本包括電耗和藥耗。根據(jù)典型樣本調(diào)查研究，建設(shè)成本與建設(shè)規(guī)模、選取的膜元件及其他配套設(shè)備的品牌等要素相關(guān)，項(xiàng)目間差別較大。運(yùn)行成本在0.3～1.0元/m3，略低于國(guó)外平均水平。在給水深度處理技術(shù)中應(yīng)用的納濾膜技術(shù)最常用的是“超濾-納濾”雙膜法。現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)化程度較高的項(xiàng)目，雙膜技術(shù)(超濾+納濾)投資在1 000元/(m3·d-1)左右，運(yùn)行費(fèi)用不到1元/m3。從今后我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r及國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入來看，雙膜技術(shù)在一些經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū)有較好應(yīng)用前景。

(7)國(guó)內(nèi)納濾系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化程度差異性比較大，現(xiàn)階段國(guó)外的膜供應(yīng)商還占據(jù)了大部分市場(chǎng)，主要為美國(guó)陶氏化學(xué)、美國(guó)海德能、日本東麗、日本日東電工等。近10年，金科環(huán)境、碧水源、時(shí)代沃頓、沁森高科等國(guó)內(nèi)廠家迅速崛起，正逐漸縮小國(guó)內(nèi)外差距，并試圖在某些細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)。對(duì)于規(guī)模相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，通常國(guó)產(chǎn)化程度越高，建設(shè)及運(yùn)行成本越低。

4 結(jié)語

納濾作為一種分離效果介于超濾和反滲透之間的新型膜過濾技術(shù)，既可以高效去除水中超標(biāo)離子和有機(jī)污染物，也可保留水中部分對(duì)人體有益的礦物元素，特別是對(duì)某些超標(biāo)物質(zhì)的去除方面具有優(yōu)勢(shì)，出水與其他工藝流程出水勾兌后出廠，為我國(guó)飲用水水質(zhì)安全方面提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

納濾膜技術(shù)還應(yīng)持續(xù)改進(jìn)膜元件抗污堵性能、增強(qiáng)離子選擇性[14]、降低運(yùn)行壓力，加快設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，妥善處理納濾系統(tǒng)濃水問題，在研究不同類型水源特征與供水需求基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性較強(qiáng)的納濾膜選型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，既能滿足供水需求，又控制經(jīng)濟(jì)成本。

隨著納濾膜技術(shù)的日益成熟，社會(huì)經(jīng)濟(jì)能力的增強(qiáng)，大眾生活質(zhì)量的提升，高品質(zhì)健康型飲用水的需求日益增強(qiáng)。因此，該技術(shù)在飲用水深度處理領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹碓蕉嗟奶貏e需求應(yīng)用，這會(huì)成為水廠提標(biāo)升級(jí)改造的重要組合技術(shù)選擇類型。