楊珮瑤 李 鍵 劉 淵 周友剛

（金科環(huán)境股份有限公司，北京 100102）

近年來，隨著社會經(jīng)濟水平快速發(fā)展，居民對生活品質的追求快速增高，膜技術在市政給水領域的工程化應用越來越受到人們的關注。跟傳統(tǒng)水處理技術相比，膜技術具有處理效率更高、出水水質更穩(wěn)定、占地面積小、自動化程度高等優(yōu)勢，目前已在國內(nèi)多個市政給水廠得到應用。

1.膜技術介紹

膜是分離兩相和選擇性傳遞物質的屏障，可稱之為半透膜或分離膜。而在某種推動力的作用下，利用其選擇性傳遞物質的性能，使溶質或溶劑分離的方法稱為膜分離。跟傳統(tǒng)過濾相比，膜分離的過濾可以在分子范圍內(nèi)進行，并且在此過程沒有相的變化。

根據(jù)膜材料的不同可分為無機膜和有機膜，無機膜主要包括陶瓷膜和金屬膜，膜的孔徑通常為微米級；有機膜包括纖維素類、聚酰胺類、聚砜類、聚烯烴類、含氟聚合物等高分子材料，膜孔徑可達到納米級，因此應用更為廣泛。

根據(jù)膜孔徑的不同（或截留分子量）的不同，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。根據(jù)圖1 的過濾圖譜可知，從左往右看膜的孔徑依次減小，致密性依次增加，可攔截的污染物依次增多。

圖1 水中污染物的過濾圖譜

在以上幾種過濾中，超濾及納濾膜技術在給水深度處理中的應用最為廣泛，因此本文將重點介紹超濾及納濾膜技術。

1.1 超濾膜技術介紹

1.1.1 超濾膜及系統(tǒng)簡介

超濾膜的過濾過程是以膜兩側壓差為驅動力，以機械篩分原理為基礎的一種溶液分離過程。超濾膜為多孔性不對稱結構，其篩分孔徑范圍為0.005～0.1μm，可將分子量為5,000～100,000 的物質截留，在水中一般可截留懸浮物、膠體顆粒和細菌等雜質。

在工程實際應用中，超濾膜組件分為壓力式膜和浸沒式膜兩種形態(tài)。壓力式與浸沒式膜系統(tǒng)的本質區(qū)別為被處理水透過膜表面的驅動方式不同。壓力式的驅動源為壓力泵，浸沒式的驅動源為真空抽吸系統(tǒng)，通常采用泵的吸程產(chǎn)生的負壓為驅動力?；谠O計膜通量較高、投資運營成本低、維護管理更簡便等優(yōu)勢，壓力式超濾膜在國內(nèi)大規(guī)模水處理行業(yè)中應用更為廣泛，下文主要介紹壓力式超濾。

超濾膜系統(tǒng)包括超濾主機及相應的輔助系統(tǒng)。若干超濾膜組件集成于膜架內(nèi)組成膜堆，多個膜堆在自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下構成相對獨立的超濾主機。輔助系統(tǒng)包括原水提升系統(tǒng)、自清洗過濾系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)、中和廢水處理系統(tǒng)、完整性檢測系統(tǒng)和電氣自控系統(tǒng)等，所配置的輔助系統(tǒng)保證膜系統(tǒng)連續(xù)安全運行。

超濾裝置及配套系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖2所示：

圖2 超濾系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.1.2 超濾工藝說明

超濾供水泵將預處理出水提升加壓，經(jīng)加壓后水送至超濾自清洗過濾器，水中大于200μm 的懸浮顆粒得到去除，同時也保護超濾膜元件端口不會受到大顆粒物質的擦傷而損壞。自清洗過濾器在經(jīng)過一段時間的過濾后，需要進行定時反洗。經(jīng)自清洗過濾器過濾后的帶壓水進入超濾膜組件，由于超濾膜本身的特性，大部分的細菌、藻類、膠體物質和微?。ù笥?.2μm）的顆粒物質被截留在膜的表面，水及水溶性的物質透過膜孔，水質在膜系統(tǒng)得到凈化。通過超濾膜的過濾作用，SS 及膠體物質基本得以去除。

過濾一定時間后，在膜的表面會沉積一層污染層，需要對膜元件進行物理反洗：反洗水泵將超濾出水提升加壓后由超濾出水管進入系統(tǒng)，帶壓反洗水將膜表面的污染物沖洗出系統(tǒng)，膜元件的通量得以恢復。由于水中含有各種細菌、有機物、無機物等，僅用清水進行反洗并不能完全恢復膜通量，因此在進行若干次反洗后，需要對膜進行CEB清洗，通過化學藥劑徹底去除膜表面的污染物。

圖3表示系統(tǒng)運行過程中跨膜壓差的變化，其中A 段表示過濾過程，B 段表示反洗過程，C 段表示化學加強反洗過程（CEB）。通過不同過程跨膜壓差的變化可知，將過濾、反洗、化學加強反洗三個過程合理設計，可以確保超濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定，運行費用較低。

圖3 超濾系統(tǒng)運行跨膜壓差隨時間變化圖

1.2 納濾膜技術介紹

1.2.1 納濾膜及系統(tǒng)簡介

納濾膜(NF)早期被稱為“低壓反滲透膜”或“疏松反滲透膜”，是一種介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間的新型的壓力驅動膜。NF膜孔徑為納米級(10-9m)，通常為0.5～1nm，截留分子量在200～2000Da(道爾頓)，選擇性分離直徑大于l nm 左右的溶解組分，可以有效截留二價及以上離子、有機小分子(分子量≥200Da)，但是使大部分一價無機鹽透過，從而實現(xiàn)高低分子量有機物的選擇性分離。

納濾系統(tǒng)包括納濾主機及相應的輔助系統(tǒng)。若干納濾膜組件經(jīng)過合理的排列組合后集成于膜架內(nèi)組成膜堆，多個膜堆在自動化系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下構成相對獨立的納濾膜主機。系輔助系統(tǒng)包括納濾高壓泵、納濾清洗設備、納濾沖洗設備、納濾加藥系統(tǒng)、電氣自控系統(tǒng)等，所配置的輔助系統(tǒng)保證膜系統(tǒng)連續(xù)安全運行。

1.2.2 納濾工藝說明

納濾工藝在運行過程中，在生產(chǎn)純水的同時，污染物/鹽分在濃水側濃縮，超過了在水中的自然溶解度，造成濃水容易結垢。工藝選擇不同的阻垢劑來破壞納濾膜濃水側的垢的形成及晶體晶格結構減輕結垢趨勢。此外納濾膜材質受氧化后易降解，因此要求納濾進水投加還原劑。

納濾設備運行一段時間后，濃水側的硬度是將原水中的各種污染物濃縮了若干倍，由于濃差極化的原因，可能會在納濾膜表面產(chǎn)生各類污垢，致使納濾膜性能下降、產(chǎn)水量下降、脫鹽率下降，這時必須進行化學清洗來恢復膜的透水量。清洗周期的確定應在同樣產(chǎn)水量下，膜運行壓力超過10%或同等壓力下產(chǎn)水量減少10%時清洗，膜的通量恢復較好，可使膜的產(chǎn)水量恢復到接近原有水平。

當納濾系統(tǒng)由于各種原因停機時，膜元件內(nèi)部的水中硬度處于若干倍的濃縮狀態(tài)，在水流靜止的情況下，容易造成污染物質沉積、結垢，污染膜組件。設計的納濾系統(tǒng)中有在線自動沖洗裝置。在系統(tǒng)停機時，可自動沖洗膜元件表面，將膜表面的污染水置換成凈化水，減輕表面沉積物的污染，從而保證膜元件的正常壽命。

2.膜技術在給水深度處理中的應用

2.1 超濾膜技術的應用

超濾膜技術作為一種較新的水處理技術，近年來在國內(nèi)自來水廠已有多個應用實例。與傳統(tǒng)的處理技術相比，超濾膜技術在給水深度處理中主要有以下優(yōu)勢：

（1）可有效去除幾乎全部致病微生物，包括隱孢子蟲、賈第蟲、細菌和病毒等，提高供水的生物安全性；

（2）可減少消毒劑的用量，降低水中消毒副產(chǎn)物的生成量，提高供水的化學安全性；

（3）超濾去除水中污染物的過程是通過膜的物理篩除，對污染物的去除有極好的穩(wěn)定性；

（4）超濾系統(tǒng)為模塊化設計，可增容設計，處理能力可在較大的范圍內(nèi)調整，且相較與常規(guī)工藝占地面積大大減少。

超濾膜技術在給水深度處理中主要解決了以下三種問題：高品質供水；處理高藻水體（千萬級）；反滲透/納濾膜技術的預處理。超濾膜技術的應用也可按上述分類分為三類。

2.1.1 高品質供水

近年來，隨著飲用水水質要求越來越嚴格，傳統(tǒng)的水處理技術已經(jīng)無法滿足這些水質要求，或者工藝復雜，需要較大的占地面積和較高的投資。而超濾膜技術可有效去除幾乎全部致病微生物，包括隱孢子蟲、賈第蟲、細菌和病毒等，確保供水的生物安全性，同時減少了消毒劑使用量，控制消毒副產(chǎn)物的生成量，實現(xiàn)高品質供水。

在地表水處理中，超濾膜技術通常放置于臭氧炭（砂）濾池后，常見的工藝流程如下圖所示：

圖4 高品質供水的典型工藝流程

2.1.2 處理高藻水體

針對千萬級別的高藻水體，常規(guī)工藝在處理過程中通常面臨濾池易堵塞，日常維護工作繁重，出水水質不穩(wěn)定的問題。而超濾膜技術可結合預氧化、混凝絮凝氣浮、粉炭接觸的的短流程工藝，通過粉炭對藻毒素的吸附和超濾物理截留，對硅藻、藍藻、藻毒素的去除率高達95～99%，確保供水水質合格穩(wěn)定。

高藻水體治理的典型工藝流程如圖5 所示：

圖5 高藻水體治理的典型工藝流程

2.1.3 反滲透/納濾膜技術的預處理

反滲透/納濾系統(tǒng)預處理效果的重要指標為SDI，而跟傳統(tǒng)的過濾工藝及微濾相比，超濾對懸浮顆粒、細菌及病毒的去除效果最好，可確保SDI 在99%的保證率下穩(wěn)定＜3，是現(xiàn)有工藝中最有效的預處理工藝。使用超濾膜技術作為反滲透/納濾系統(tǒng)的預處理工藝，可顯著降低反滲透/納濾膜的清洗頻率，減少濾芯等耗材費用，同時減輕現(xiàn)場運用維護人員的工作量，也是當下給水處理廠反滲透/納濾系統(tǒng)前端的主流預處理工藝。

2.2 納濾膜技術的應用

近年來，隨著地表水和地下水的污染日益嚴重，部分地區(qū)水源中的有害物質已經(jīng)從微生物擴展到無機物（硬度、硫酸鹽、氟化物及重金屬等）及有機化合物（天然有機物、抗生素、農(nóng)藥、殺蟲劑等）。針對這類水源，傳統(tǒng)的給水處理技術及超濾技術已經(jīng)力不從心，因此引入了反滲透/納濾等新型深度處理技術。

跟臭氧活性炭等傳統(tǒng)深度處理技術相比，納濾膜技術具有如下優(yōu)勢：

（1）占地面積小、自動化程度高，運營維護簡單；

（2）對有機物及氨氮等的去除率更高、且出水水質更穩(wěn)定，可降低消毒劑消耗量；

（3）可以高效去除無機物。

跟反滲透膜技術相比，納濾膜技術具有如下優(yōu)勢：

（1）低壓力、低能耗、節(jié)能效果明顯

相對于反滲透膜，由于納濾膜滲透性較好，只允許部分鹽分透過膜，因此常規(guī)納濾膜運行壓力較低，節(jié)能效果顯著。

（2）運行藥耗較低

納濾對碳酸氫根、硅酸的截留率不高，對鈣、鎂離子的去除率低于反滲透，因此濃水側結垢傾向很低，阻垢劑用量少，運行費用低且化學污染排放少。

（3）高回收率穩(wěn)定運行，制水率較高

因濃水側結垢傾向很低，單級納濾可以做到較高的系統(tǒng)回收率（85%～90%），提高水資源利用率的同時，減小了濃水排放的壓力。

（4）去除率穩(wěn)定且選擇性分離，保留了產(chǎn)水一定的礦化度

對于有機微污染水體，選擇性納濾膜整體脫鹽率通常在30%左右，在有效減少水體中的污染物的同時，較大程度上保留水體中的有益礦物質，能穩(wěn)定滿足當?shù)貎?nèi)控標準的“優(yōu)質水”的要求，達到了水廠深度處理的目的。

（5）納濾產(chǎn)水pH 波動穩(wěn)定小于1, 可直接并入市政供水管網(wǎng)

納濾產(chǎn)水pH 波動穩(wěn)定小于1，對現(xiàn)有供水管網(wǎng)的沖擊無影響，產(chǎn)水可直接并入市政供水管網(wǎng)。

基于以上優(yōu)勢，目前納濾膜技術在給水深度處理中的工程化應用也越來越受到人們的關注。其應用主要有兩個方向，第一類為地下水、地表水苦咸水處理，如氟化物、硫酸鹽、硬度等鹽分的去除，第二類為地表水體中天然有機物、抗生素、色度、消毒副產(chǎn)物等微量污染物的去除。

2.2.1 苦咸水處理

在我國，苦咸水主要分布在西北地區(qū)及華北平原等，例如寧夏地區(qū)沿黃河流域高硬度、硫酸鹽地下水，新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)高含氟地下水，山東地區(qū)高硫酸鹽、高硝酸鹽南水北調東線水等水源。針對以上地區(qū)的水源，金科采用納濾膜技術，主要用于去除氟化物、硫酸鹽、硬度等無機鹽分，納濾系統(tǒng)凈產(chǎn)水規(guī)模至今累計約18 萬噸/天。

針對苦咸水的處理，金科的主要業(yè)績包括：

表1 金科在苦咸水處理中的主要業(yè)績

有機微污染物的去除

在人口密度較高、經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，地表水體多受到有機物污染，如江浙地區(qū)長江及當?shù)睾恿骱?，多為微污染地表水。金科環(huán)境在以上地區(qū)采用納濾膜技術，去除水體中的天然有機物、控制消毒副產(chǎn)物和改善飲用水口感，同時應對水體突發(fā)污染，納濾系統(tǒng)凈產(chǎn)水規(guī)模至今累計約50 萬噸/天。

在微污染地表水的應用中，金科的主要業(yè)績包括：

表2 金科在微污染地表水處理中的主要業(yè)績

3.3 金科環(huán)境在膜處理技術中的優(yōu)勢

金科環(huán)境股份有限公司（科創(chuàng)板股票代碼：688466）是專業(yè)從事水深度處理及污廢水資源化的國家高新技術企業(yè)，依托公司自主研發(fā)的膜通用平臺裝備技術、膜系統(tǒng)應用技術、膜系統(tǒng)運營技術等三大核心技術，為客戶提供水處理技術解決方案、運營服務以及資源化產(chǎn)品。

成立17 年來，通過多個工程經(jīng)驗的積累，金科在膜處理技術中積累了大量經(jīng)驗，并通過技術人員逐漸改進完善形成了自己的技術優(yōu)勢，這些技術優(yōu)勢包括：

3.1 GTMOST 膜通用平臺技術

公司自主研發(fā)的膜通用平臺裝備技術，填補了國內(nèi)空白，屬國內(nèi)首創(chuàng)。膜通用平臺裝備技術可以實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)多數(shù)廠家膜元件在通用平臺裝備中的通用互換，且可實現(xiàn)單體設備處理規(guī)模大型化，降低了水廠的建設成本和運營成本。公司運用該技術，設計研發(fā)了多個系列的裝備產(chǎn)品，包括膜通用平臺裝備-經(jīng)典風系列、未來星系列等，用于滿足不同客戶的需要。

① 膜通用平臺裝備-經(jīng)典風系列

該裝備主要適用于臥式布置系統(tǒng)，系統(tǒng)采用雙層車間設計，膜裝備與工藝管廊上下分置，實現(xiàn)了功能區(qū)與維護區(qū)的合理分區(qū)。單套膜裝備處理量大、占地面積小、投資少。該系列是目前公司在市場上使用最廣泛的設計和裝備。

該系列產(chǎn)品的膜元件為水平方向端部拆卸，可在垂直方向擴展，單體裝備處理能力高達2 ～4 萬噸/日，在大規(guī)模系統(tǒng)應用中，膜裝備部分占地面積比立式超濾膜裝備減少約20 ～30%，有效降低占地面積。

由于材料選用合理、布置緊湊，減少了相應的管道、電纜等安裝材料，該膜裝備成本比其他形式的膜裝備降低約20 ～30%（不含膜）。

圖6 膜通用平臺示意圖

② 膜通用平臺裝備-未來星系列

未來星系列主要適用于立式布置系統(tǒng)，系統(tǒng)采用單層車間設計，膜裝備與配套前后布置。單套膜裝備處理量大、連接件少、占地面積小、投資少，更適合于工業(yè)項目。

由于專用功能分區(qū)板設計，將行業(yè)中常用的立式超濾膜裝備的進水、產(chǎn)水、濃水、反洗排水口以及上下膜端頭連接件簡化為可調節(jié)適配器連接，從而將膜裝備的連接件減少約30 ～50%，降低了泄漏風險。采用膜容器的方式有效降低了膜元件之間所需的管道布置間距，在安裝同樣膜數(shù)量的條件下，膜裝備部分占地面積減少約20 ～30%。

該系列產(chǎn)品布置緊湊，減少了相應的連接件數(shù)量、管道、電纜等材料，該膜裝備成本比常用立式布置形式的超濾膜裝備降低約30 ～40%（不含膜）。

圖7 膜通用平臺示意圖

3.2 膜防污染技術

3.2.1 超濾膜防污染技術

超濾膜技術在水處理應用中的最大問題是膜污染和破損，其主要原因是在過濾過程中，水中的膠體、有機污染物、生物黏泥等引起膜污染。目前行業(yè)中針對超濾膜解決污染的措施一般為水洗、氣洗、化學清洗等。其中氣洗的過程雖然可以改善膜污染情況，但常會帶來膜絲機械損傷的風險，降低膜的使用壽命?；瘜W清洗是通過定期加入一定濃度的酸、堿、氧化劑等進行浸泡，將污染物質去除，從而解決污染的問題。但化學清洗是把雙刃劍，頻繁的化學清洗會加速膜材質的化學分解導致性能衰減，降低膜的使用壽命。

金科從水處理系統(tǒng)整體著手，開發(fā)了針對控制超濾膜污染的工藝技術。該技術根據(jù)項目水質的變化波動等情況，針對性選擇微絮凝，預防膜污染，降低膜系統(tǒng)的化學清洗頻率，使膜系統(tǒng)通過反洗即可恢復性能，從而實現(xiàn)延長膜元件的壽命，提高膜系統(tǒng)運行效率，特別適用于特殊水質時期，如進水水質惡化，或者低溫期。

膜防污染技術的先進性及其具體表征如下：

（1）維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性以跨膜壓差（TMP）和通量的穩(wěn)定性來衡量的，在恒定的通量下，跨膜壓差（TMP）越低越好。隨著過濾時間的增加，膜會逐漸污堵，跨膜壓差（TMP）逐漸增加，該技術可將同周期跨膜壓差上升變化控制在0.05 ～0.4bar 范圍內(nèi)，將在線維護性化學清洗周期延長2 ～4 倍。

（2）延長膜壽命。由于膜的使用壽命與清洗的酸、堿、氧化劑濃度和浸泡時間的乘積成反比，累積浸泡時間越長、浸泡濃度越高，使用壽命越短；采用了該技術，化學清洗的頻率和濃度可大大減少，從而延長了膜壽命。

3.2.2 納濾膜防污染技術

納濾系統(tǒng)在日常運行中，由于對流沉積、濃差極化等原因，難免會出現(xiàn)微生物的滋生、有機物的污染及無機鹽的結垢等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在目前行業(yè)中常規(guī)解決方法的基礎上，金科結合項目現(xiàn)場的調試運營經(jīng)驗，研發(fā)出了阻垢劑精準投加裝置和多段高效納濾沖洗裝置，可以更高效的預防膜污染，并有效節(jié)省運行藥耗，降低納濾膜的清洗頻率，延長膜的使用壽命。

阻垢劑藥劑費約占納濾膜運行藥劑費的50%～80%，因此在控制納濾膜不受無機鹽垢污染的前提下，合理降低阻垢劑投加量顯得尤為重要。金科阻垢劑精準投加裝置為一對一投加，采用液晶數(shù)顯電磁隔膜計量泵，并配套超聲波流量計，可實現(xiàn)加藥量與進水流量、水質互相連鎖，同時可通過超聲波流量計實時監(jiān)測阻垢劑的投加量及累計耗量，實現(xiàn)精準加藥。這種方法不僅可以針對水質波動匹配合理的加藥量，有效預防無機鹽垢污染，還可以直觀監(jiān)測阻垢劑的用量，有效避免設備故障及人工操作導致的阻垢劑浪費，節(jié)省納濾膜的運行藥劑費。

在納濾系統(tǒng)運行過程中，常規(guī)的沖洗裝置僅可實現(xiàn)從首段進水側向末端濃水側沖洗，無法針對不同的膜污染類型分段高效的沖洗。金科通過多個項目的納濾膜系統(tǒng)污染分析診斷發(fā)現(xiàn)，膜首段污染主要表現(xiàn)為有機物和重金屬富集及微生物滋生引起的污染，末端污染主要為無機鹽濃縮產(chǎn)生的鹽垢污染。針對這種現(xiàn)狀，金科研發(fā)了多段高效納濾沖洗裝置，其可針對不同的膜污染類型，分段倒向進行沖洗，實現(xiàn)沖洗過程的無死角、更徹底、更高效。目前該沖洗裝置已成功申請實用新型專利。

3.3 水廠數(shù)字化運營

圖8 項目駕駛艙

圖9 在線診斷

除了常規(guī)的技術服務外，金科還可以提供“水廠雙胞胎”建設及運營平臺的技術服務，從線上及線下兩方面幫助用戶，使用戶在水廠全生命周期運行中受益。

金科環(huán)境水廠雙胞胎-運營管理平臺，是基于BIM 輕量化技術、大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術打造的實時可視化高效管理工具。該平臺以水廠設備為核心業(yè)務對象，對水廠運營管理的主要業(yè)務流程進行了全量、全要素的數(shù)據(jù)建模，建立水廠的數(shù)字鏡像，即數(shù)字孿生體。以實時數(shù)據(jù)采集為基礎，自控應用層為銜接，數(shù)據(jù)分析處理為決策依據(jù)，三維可視化為界面，為用戶提供了所見即所管理的高效管理平臺。

平臺包含數(shù)據(jù)監(jiān)測、設備故障智能預警、設備維修保養(yǎng)、數(shù)字巡檢、工藝診斷優(yōu)化等功能模塊，并可以通過對數(shù)據(jù)的科學管理，提供了較高的業(yè)務擴展性，滿足用戶個性化定制需求，全面提升水廠數(shù)字化運營管理水平。例如系統(tǒng)中工藝診斷優(yōu)化功能模塊，通過直觀的圖形化配置界面，將專家經(jīng)驗數(shù)字化的過程，使系統(tǒng)具備專家的決策能力，在系統(tǒng)運行到某組特定狀態(tài)組合下，給出相關的報警和預案，有利地提高了水廠運維管理工作的質量和效率。