高 雪，陳才高，劉海燕，李 虹

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

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

我國飲用水水源存在較大的安全風險。一方面，飲用水源存在離子超標的問題。健康的飲用水硬度應在150～200 mg/L，而西北部地區(qū)水源鈣、鎂離子普遍偏高，硬度接近或超過國標上限值(450 mg/L)，導致人們飲水口感差、患有結石病等問題。沿海城市潮水倒灌導致氯離子含量超過國標上限值(250 mg/L)，峰值可達1 000～1 500 mg/L。還有部分地區(qū)硫酸鹽含量超過國標上限值(250 mg/L)，峰值可達近1 000 mg/L，氟離子含量超過國標上限值(1.0 mg/L)，高氟區(qū)可達10～20 mg/L。另一方面，隨著工業(yè)的發(fā)展，人工合成的有機物快速增加，如內分泌干擾物、個人防護用品和藥品等，它們會通過多種途徑進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。我國環(huán)保部的一項調查也發(fā)現(xiàn)56個城市的206個飲用水源地中共檢出132種有機污染物，其中，103種屬于優(yōu)先控制污染物[1]。

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

1 國內納濾水廠建設與水源水質特征

納濾膜從最早應用于特種分離、物料濃縮等領域，逐步擴展到污水處理零排放分鹽，近10年來開始在國內自來水廠深度處理中得到應用。

中國水利企業(yè)協(xié)會脫鹽分會《膜法水處理技術在水深度處理及再生回用領域的應用規(guī)模調研報告》中，統(tǒng)計了截至2019年6月國內已投入運行及在建的項目，其中，國內納濾膜技術用于自來水廠深度處理項目，納濾系統(tǒng)產水總規(guī)模為74.87萬m3/d。

為探明納濾膜技術工程應用現(xiàn)狀，實地調研或函調了覆蓋國內各流域、各種水源特征的絕大部分飲用水納濾水廠和國際首座納濾水廠——法國巴黎梅里奧塞水廠，統(tǒng)計納濾系統(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與工藝系統(tǒng)

2.1 水源水質特征

通過調研分析目前納濾膜技術的應用地區(qū)與場景，將其適用的水源分為持續(xù)性離子類、季節(jié)性離子類、復合類以及有機類4種類型，每種類型的水源都有較為集中的應用地區(qū)，其水質特征如表2所示。

2.2 納濾膜選型

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

納濾膜是該項技術的核心元件，根據具體項目對二價/多價離子與一價離子有不同截留率的需要，選擇特定的納濾膜類型。目前，國內外的納濾膜廠商均有系列納濾膜產品，不同型號的納濾膜對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→多級過濾→納濾→消毒”，多級過濾的主要目的是保障納濾系統(tǒng)的進水水質，提高納濾系統(tǒng)的運行狀態(tài)，降低清洗頻率，延長其使用壽命。

在不同的工程實例中，根據項目實際情況的不同，可以選用多種多級過濾的方式，如圖1所示。比較常見的工程實例：(1)砂濾→保安過濾→納濾，如法國巴黎某水廠等；(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

為了提高產水率、減少濃水的產生，工藝設計時，納濾膜技術可選擇多段納濾工藝，如圖2所示。其也可與反滲透技術聯(lián)用，例如長樂某水廠(圖3)[5]，經兩段納濾系統(tǒng)后，將納濾濃水經反滲透膜過濾，產水與納濾系統(tǒng)產水混合，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回收率Fig.2 Multistage NF Process and Target Recovery Rate

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

3 納濾水廠評估指標體系與分析

3.1 指標體系

結合我國供水關鍵材料設備的需求和發(fā)展現(xiàn)狀，在深入調研評估納濾系統(tǒng)性能及應用狀況的基礎上，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踐手冊)》(AWWA M46—2007)[9]等相關標準規(guī)范，結合生產企業(yè)和用戶關注的主要問題，篩選可量化或易于考核的指標進行評價，建立了一套科學合理且有效的評估指標體系。

一級指標設定了技術先進性、技術可靠性、性能穩(wěn)定性、經濟適用性、國際競爭力等5個維度，對產品性能進行全方位綜合判斷，為今后產品主要提升性能提供參考。根據調研的關鍵性指標，包括裝置水回收率、膜通量、進水壓力、電控系統(tǒng)智能性、裝置脫鹽率、有機微污染物去除率、膜更換周期、清洗頻率、建設運行成本、膜組件國產化情況等，進一步設定了二級指標體系，形成評估內容框架(圖4)。

圖4 納濾系統(tǒng)評估內容Fig.4 NF System Assessment Content

3.2 代表性水廠驗證結果分析

通過對國內代表性納濾水廠項目進行實地深入調研，進行3個月以上的生產性驗證。利用3.1節(jié)中二級評價指標體系梳理驗證數據，如表3所示，對標國際平均水平[10-13]，分析我國納濾工藝應用現(xiàn)狀。

根據典型樣本調查研究發(fā)現(xiàn)，納濾膜技術對水質的提升效果明顯、優(yōu)勢突出，有如下特點。

(1)裝置水回收率是設備先進性的重要衡量指標，回收率越高，越能體現(xiàn)先進性。國內系統(tǒng)回收率在77%～85%，均值略低于國際平均水平。已建成的實際工程應用中，根據進水水質與產水目標的需求，通常部分采用納濾工藝，再與其他工藝產水勾兌后，供市政管網。未來根據不同的工程需求，特別是針對有機微污染水源，可能會采取全納濾處理方式。

(2)膜通量與進水壓力成正相關關系，膜通量越高，進水壓力越低。國內膜系統(tǒng)的膜通量和進水壓力通常略低于國際水平，膜通量通常在16～30 L/(m2·h)，國際平均水平為28 L/(m2·h)，進水壓力通常在0.2～0.9 MPa，國際平均水平在0.3～2 MPa，均值為0.6 MPa。

(3)裝置脫鹽率和有機物去除率指標是技術可靠性的最關鍵指標，當凈水工藝以脫鹽為目標時，目標離子去除率越高，效果越好，以去除有機物為目標時，應盡可能保留有益礦物質，離子選擇性越佳，效果越好。納濾膜對不同價態(tài)離子有選擇性，通常對二價離子的去除率在90%以上，對一價離子的去除率在60%以下，保留有益礦物質成分；對TOC去除率可達85%以上，能滿足高品質飲用水水質的要求與國際水平相當，比超濾或臭氧-生物活性炭工藝(去除率60%左右)對有機物的去除能力明顯增強，更能滿足高品質飲用水水質的要求。保留有益礦物質成分，要比全部去除原有TDS，然后再通過介質過濾器(裝有麥飯石、石灰石、白云石等介質粒料，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離子的方法更經濟、更符合健康水的要求,同樣，若原水礦物質的濃度不高，建議使用部分納濾與其他工藝勾兌后供管網，一方面，保障了人體對礦物質的需求，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性驗證結果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，國內質保年限一般為3～8年，因項目建成時間并不長，還未換膜，國際上也是根據具體項目的出水情況按需換膜，法國某水廠運行20年間，僅維護性換膜一次。

(5)清洗頻率指標是運行維護的重要指標，目前國內項目間隔45～120 d進行一次化學清洗，與國際平均水平相當。

(6)噸水建設成本考慮設備成本和設備安裝施工這2部分土建成本，其中，進口設備成本高于國產設備成本，設備安裝施工成本基本相當。運行成本包括電耗和藥耗。根據典型樣本調查研究，建設成本與建設規(guī)模、選取的膜元件及其他配套設備的品牌等要素相關，項目間差別較大。運行成本在0.3～1.0元/m3，略低于國外平均水平。在給水深度處理技術中應用的納濾膜技術最常用的是“超濾-納濾”雙膜法?，F(xiàn)階段國產化程度較高的項目，雙膜技術(超濾+納濾)投資在1 000元/(m3·d-1)左右，運行費用不到1元/m3。從今后我國發(fā)展狀況及國民經濟收入來看，雙膜技術在一些經濟條件較好的地區(qū)有較好應用前景。

(7)國內納濾系統(tǒng)的國產化程度差異性比較大，現(xiàn)階段國外的膜供應商還占據了大部分市場，主要為美國陶氏化學、美國海德能、日本東麗、日本日東電工等。近10年，金科環(huán)境、碧水源、時代沃頓、沁森高科等國內廠家迅速崛起，正逐漸縮小國內外差距，并試圖在某些細分領域實現(xiàn)技術引領。對于規(guī)模相當的系統(tǒng)，通常國產化程度越高，建設及運行成本越低。

4 結語

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，既可以高效去除水中超標離子和有機污染物，也可保留水中部分對人體有益的礦物元素，特別是對某些超標物質的去除方面具有優(yōu)勢，出水與其他工藝流程出水勾兌后出廠，為我國飲用水水質安全方面提供了強有力的技術保障。

納濾膜技術還應持續(xù)改進膜元件抗污堵性能、增強離子選擇性[14]、降低運行壓力，加快設備國產化，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上，提出針對性較強的納濾膜選型與系統(tǒng)設計方案，既能滿足供水需求，又控制經濟成本。

隨著納濾膜技術的日益成熟，社會經濟能力的增強，大眾生活質量的提升，高品質健康型飲用水的需求日益增強。因此，該技術在飲用水深度處理領域將得到越來越多的特別需求應用，這會成為水廠提標升級改造的重要組合技術選擇類型。