石 潔,姚家隆,唐 娜,呂學(xué)敏,祁 譽(yù)

(1.北京碧水源科技股份有限公司,北京 102206;2.太倉(cāng)市水務(wù)集團(tuán)有限公司,江蘇太倉(cāng) 215400;3.北京碧水源膜科技有限公司,北京 101407)

水是生命之源,飲用水水質(zhì)關(guān)系到人體的健康,對(duì)社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展具有重要意義。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)于飲用水的安全性日益關(guān)注。2018年10月,上海市率先實(shí)施了我國(guó)第一部生活飲用水水質(zhì)地方標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/T 1091—2018),水質(zhì)指標(biāo)由原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的106項(xiàng)增加至111項(xiàng),并提標(biāo)40項(xiàng)[1];江蘇省于2019年年底發(fā)布《江蘇省城市自來(lái)水廠(chǎng)關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“江蘇省內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)”),該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)江蘇省集中式飲用水源地原水水質(zhì)特點(diǎn),明確了城市自來(lái)水關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的內(nèi)控要求,提出城市供水品質(zhì)由“合格”向“優(yōu)質(zhì)”的轉(zhuǎn)變目標(biāo)[2]。隨后,深圳也發(fā)布地方飲用水標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB 4403/T 60—2020),修訂后的國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)也于2023年4月1日正式實(shí)施。飲用水標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí),體現(xiàn)了各級(jí)政府及人民群眾對(duì)生活品質(zhì)的更高追求。

在我國(guó)的飲用水深度處理技術(shù)研究中,臭氧-活性炭為比較成熟有效的技術(shù)之一,對(duì)有機(jī)污染物去除效果顯著[3]。另外,膜分離技術(shù)中的納濾膜處理工藝,運(yùn)行壓力低,可高效去除水中無(wú)機(jī)離子、有機(jī)物和病毒等污染物[4],產(chǎn)水品質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定,使其在飲用水深度處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文所述水廠(chǎng)位于江蘇省東南部,原采用混凝-沉淀-過(guò)濾-消毒的傳統(tǒng)工藝,設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬(wàn)m3/d。水廠(chǎng)原水為長(zhǎng)江水,應(yīng)急水源為瀏河水庫(kù)。長(zhǎng)江太倉(cāng)段原水水質(zhì)總體較好,大部分時(shí)段水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以上。但長(zhǎng)江原水存在某些指標(biāo)季節(jié)性超標(biāo)的狀況,以及江內(nèi)通航船舶泄漏、兩岸沿線(xiàn)工業(yè)污染物排放等偶發(fā)事件引起的水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)。2017年1月—2019年9月,對(duì)水廠(chǎng)沉淀池出水進(jìn)行不定時(shí)檢測(cè),選取了22種微量有機(jī)污染物(TrOCs)作為目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)定,共檢出了14種TrOCs,其中莠去津、稻瘟靈和草不綠等農(nóng)藥類(lèi)物質(zhì)檢出率為100%,且在春季檢出質(zhì)量濃度較高,最高達(dá)到180 ng/L,可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)藥使用情況有一定關(guān)系[5]。而原水廠(chǎng)常規(guī)處理工藝在應(yīng)對(duì)水源突發(fā)性污染方面能力較差。為響應(yīng)江蘇省《省政府辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)城市供水安全保障工作的通知》蘇政辦發(fā)〔2014〕55號(hào)文的“進(jìn)一步加強(qiáng)全省城市供水安全,切實(shí)保障居民飲用水安全,全面推進(jìn)自來(lái)水深度處理工藝建設(shè)改造”的要求,該水廠(chǎng)從提高供水水質(zhì)角度出發(fā)進(jìn)行深度處理改造,其中5萬(wàn)m3/d采用納濾膜處理工藝,以提高應(yīng)對(duì)原水污染、保障水質(zhì)安全的能力。經(jīng)改造后水廠(chǎng)于2019年12月通水運(yùn)行。該水廠(chǎng)是國(guó)內(nèi)首座核心膜產(chǎn)品及設(shè)備全部為國(guó)產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā),以去除有機(jī)物為主的萬(wàn)噸級(jí)納濾飲用水凈化工程。此前,山西陽(yáng)泉市某飲用水水質(zhì)改善工程[5](2014年,3.5萬(wàn)m3/d)和西安渭北某水廠(chǎng)(2016年,4萬(wàn)m3/d)[6]均采用超濾+納濾膜深度處理工藝,主要是以降低硬度和硫酸鹽濃度為目的,去除飲用水中的硫酸鹽、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)。該工程的成功示范驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)納濾飲用水處理技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,為地表河網(wǎng)水系水廠(chǎng)增建或新建納濾工藝做出良好的技術(shù)示范,為構(gòu)建城市安全保質(zhì)的飲用水系統(tǒng)提供保障。

1 工藝路線(xiàn)與基本參數(shù)

1.1 工藝路線(xiàn)

基于原水的季節(jié)性指標(biāo)超標(biāo)以及突發(fā)性水質(zhì)污染等問(wèn)題,原水廠(chǎng)改造方案為在原常規(guī)處理前增加了預(yù)臭氧技術(shù),并增設(shè)納濾深度處理段。為確保納濾的穩(wěn)定運(yùn)行,納濾膜進(jìn)水水質(zhì)要求污染指數(shù)(SDI)≤5,因此,選用超濾膜作為納濾膜的預(yù)處理工藝。主要工藝路線(xiàn)如圖1所示。

水源水經(jīng)預(yù)臭氧接觸池、絮凝平流沉淀池,去除水中的懸浮物、膠體、大分子有機(jī)物后,進(jìn)入浸沒(méi)式超濾池進(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)一步去除水中的渾濁度、“兩蟲(chóng)”、細(xì)菌微生物、病毒及藻類(lèi),保證產(chǎn)水SDI＜5等進(jìn)水水質(zhì)要求。隨后,超濾產(chǎn)水進(jìn)入納濾系統(tǒng)進(jìn)一步去除水中的重金屬離子、痕量溶解性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)。納濾產(chǎn)水進(jìn)入清水池,經(jīng)二級(jí)泵房增壓后送至用戶(hù)。

1.2 納濾系統(tǒng)基本參數(shù)

納濾車(chē)間共設(shè)置8套膜組器,選用某國(guó)產(chǎn)品牌低壓納濾膜。每套膜組器對(duì)應(yīng)配備1臺(tái)進(jìn)水泵和1臺(tái)保安過(guò)濾器,單套膜組器設(shè)計(jì)凈產(chǎn)水能力為6 250 m3/d,設(shè)計(jì)總產(chǎn)水能力為5萬(wàn)m3/d。納濾膜組器采用一級(jí)兩段式排布(圖2),一、二段之間設(shè)置段間增壓泵,采用恒通量運(yùn)行模式,運(yùn)行通量為15.85 L/(m2·h),設(shè)計(jì)產(chǎn)水回收率為85%。納濾車(chē)間設(shè)置1套化學(xué)清洗系統(tǒng),每當(dāng)納濾系統(tǒng)運(yùn)行3個(gè)月或膜比通量下降15%以上時(shí),執(zhí)行化學(xué)清洗程序,使膜元件恢復(fù)原始膜比通量。納濾濃水與斜板濃縮池上清液以及納濾膜酸洗中和水混合后,污染物濃度低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值,經(jīng)雨水管網(wǎng)排入附近河道。納濾系統(tǒng)布置如圖3所示。

圖2 納濾膜組器排布Fig.2 Configuration of NF Membrane Assembly

圖3 納濾系統(tǒng)布置Fig.3 System Layout of NF

2 工程運(yùn)行效果

2.1 產(chǎn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2.1.1 總有機(jī)碳(TOC)

TOC可反映水體受到有機(jī)物污染的程度。當(dāng)產(chǎn)水廠(chǎng)中含有一定量有機(jī)物時(shí),會(huì)被管網(wǎng)中的細(xì)菌等微生物利用,細(xì)菌將附著于管網(wǎng)管壁生長(zhǎng),誘發(fā)管壁腐蝕、結(jié)垢、銹蝕等一系列問(wèn)題,使龍頭產(chǎn)水渾濁,水質(zhì)惡化。為了抑制管網(wǎng)微生物的再度繁殖,減少管網(wǎng)的“二次污染”,供水管網(wǎng)中需要保證一定量的余氯[7]。研究[8]表明,溶解性有機(jī)物在經(jīng)過(guò)消毒、氧化分解等化學(xué)反應(yīng)后會(huì)形成毒性更大的消毒副產(chǎn)物,存在對(duì)人體產(chǎn)生“致畸、致癌、致突變”的危害。夏巖[9]的試驗(yàn)結(jié)果表明,在水中余氯存在的條件下,隨著水中TOC濃度的增加,消毒副產(chǎn)物的生成量也隨之增加,因此,給水處理過(guò)程中降低TOC濃度有助于減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量。

圖4為原水及納濾系統(tǒng)產(chǎn)水TOC濃度的情況。根據(jù)圖4可知,原水中TOC質(zhì)量濃度為0.96～2.95 mg/L,平均值為2.06 mg/L;納濾產(chǎn)水中TOC質(zhì)量濃度低于0.60 mg/L,平均值為0.10 mg/L,遠(yuǎn)低于目前國(guó)內(nèi)給水處理標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)限值(上海市地標(biāo)DB 31/T 191—2018中要求TOC質(zhì)量濃度≤3 mg/L)。產(chǎn)水中有機(jī)物濃度越低,表明加氯消毒時(shí)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)越低[4]。

圖4 進(jìn)水及出水TOC濃度變化Fig.4 Change of TOC Concentration in Inflow and Outflow

2.1.2 鋁離子

本工程混凝階段選用聚合硫酸鋁絮凝劑,會(huì)導(dǎo)致水中鋁元素的增加。鋁離子進(jìn)入人體后,大部分無(wú)法隨代謝排出體外,而是殘留在體內(nèi),與人體多種蛋白質(zhì)、酶等重要成分結(jié)合,進(jìn)而導(dǎo)致一系列神經(jīng)類(lèi)疾病[10]。江蘇省內(nèi)控指標(biāo)也將水廠(chǎng)出廠(chǎng)水中鋁離子的質(zhì)量濃度限制在0.15 mg/L以下。由圖5可知,經(jīng)絮凝沉淀后,沉淀池產(chǎn)水中鋁離子的含量相比原水明顯增多,鋁離子質(zhì)量濃度平均值由進(jìn)水的0.02 mg/L增加為0.15 mg/L,說(shuō)明聚合硫酸鋁絮凝劑會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水中鋁離子的殘留,使產(chǎn)水中的鋁離子濃度增大。但是經(jīng)納濾系統(tǒng)處理后,產(chǎn)水中的鋁離子質(zhì)量濃度＜0.02 mg/L,對(duì)鋁元素的去除效果十分顯著。

圖5 進(jìn)水及出水中鋁濃度變化Fig.5 Change of Aluminum Concentration in Inflow and Outflow

2.1.3 溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)

DOM是一類(lèi)含有富里酸、腐植酸、芳烴聚合物質(zhì)等可溶性物質(zhì)的有機(jī)質(zhì),廣泛存在于各種天然水體中[11-12]。圖6為2021年3月、5月、8月取到的原水、超濾產(chǎn)水和納濾產(chǎn)水的三維熒光圖,分別記為1、2和3號(hào)水樣。由圖6可知,原水中污染物熒光強(qiáng)度的峰值主要分布在溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP)、蛋白類(lèi)區(qū)域和色氨酸芳香蛋白類(lèi)區(qū)域,還有較多分布在富里酸類(lèi)區(qū)域,少量分布在腐植酸類(lèi)區(qū)域。在水處理中,SMP占產(chǎn)水殘余TOC的絕大部分,也是產(chǎn)水中DOM的主要成分[13-15];研究[16-17]表明,SMP可成為氯化消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物。而色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)和富里酸等物質(zhì),在氯化消毒過(guò)程中也極易生成消毒副產(chǎn)物[18-19]。由圖5可知,超濾可一定程度地去除SMP,但對(duì)色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)、富里酸類(lèi)物質(zhì)及腐植酸類(lèi)物質(zhì)去除效果不明顯。經(jīng)納濾處理后,產(chǎn)水中幾乎無(wú)以上物質(zhì)。由此可以看出,納濾膜對(duì)色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)、微生物代謝產(chǎn)物、腐植酸、富里酸等DOM物質(zhì)均有顯著的去除作用,可有效保障產(chǎn)水水質(zhì)。

注:Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)—色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì);Ⅲ區(qū)—富里酸類(lèi)物質(zhì);Ⅳ區(qū)—SMP;Ⅴ區(qū)—腐植酸類(lèi)物質(zhì)。圖6 不同水樣的三維熒光圖Fig.6 3D Fluorogram of Different Water Samples

2.1.4 TDS和總硬度

飲用水中的TDS和總硬度是評(píng)價(jià)飲用水口感與質(zhì)量的重要指標(biāo),兩者濃度過(guò)高會(huì)引起口感不佳,影響人體腸胃功能,并可能會(huì)損壞配水設(shè)施[20-21]。而過(guò)度去除水中TDS和總硬度,會(huì)使水中缺少人體必需的微量元素與礦物質(zhì)。世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的論文集《飲用水中的營(yíng)養(yǎng)素》中明確提到,不論飲食結(jié)構(gòu)如何豐富,人體始終需要從水中攝取一定比例的礦物元素,長(zhǎng)期飲用過(guò)濾掉營(yíng)養(yǎng)成分的飲用水,會(huì)造成較大的健康危害。由圖7、圖8可知,納濾產(chǎn)水TDS和總硬度分別為130～185 mg/L和89～126 mg/L,對(duì)兩者平均去除率為24.78%和30.64%。這也就意味著,納濾膜可選擇性地保留一部分對(duì)人體有益的天然礦物營(yíng)養(yǎng),符合健康飲用水的理念。

圖7 進(jìn)水及出水TDS濃度變化Fig.7 Change of TDS Concentration in Inflow and Outflow

2.2 納濾系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及成本核算

2.2.1 納濾系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

納濾系統(tǒng)日常運(yùn)行中,每隔12 h,在線(xiàn)正沖洗1次,每次20 min;每隔3個(gè)月,維護(hù)性清洗(化學(xué)清洗)1次。納濾系統(tǒng)運(yùn)行期間,在線(xiàn)監(jiān)測(cè)納濾系統(tǒng)的進(jìn)水通量和運(yùn)行壓力。圖9為該項(xiàng)目其中一組納濾膜堆,在恒通量[14～15 L/(m2·h)]運(yùn)行情況下,連續(xù)4個(gè)月的一段進(jìn)水壓力變化曲線(xiàn)。由圖9可知,運(yùn)行初期,進(jìn)水壓力為0.26 MPa,隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,進(jìn)水壓力逐漸增大。運(yùn)行到第3個(gè)月時(shí),進(jìn)水壓力分別提高至0.38 MPa。經(jīng)過(guò)恢復(fù)性清洗后,進(jìn)水壓力再次降至0.26 MPa,恢復(fù)效果明顯,說(shuō)明維護(hù)性清洗可有效去除納濾膜污染。與傳統(tǒng)納濾膜運(yùn)行壓力相比,該納濾系統(tǒng)的低壓運(yùn)行優(yōu)勢(shì)明顯(僅為0.2～0.4 MPa),在飲用水深度處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖9 納濾系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.9 Operation Results of NF System

2.2.2 納濾系統(tǒng)直接運(yùn)行成本核算

為維護(hù)納濾系統(tǒng)的正常運(yùn)行,日常需要按要求投加阻垢劑、還原劑、殺菌劑,定期進(jìn)行化學(xué)清洗,化學(xué)清洗藥劑為EDTA-4Na、NaOH和檸檬酸。其中,阻垢劑為連續(xù)投加,加藥量通過(guò)記錄加藥泵電磁流量計(jì)的累積流量核算;還原劑根據(jù)超濾產(chǎn)水的氧化還原電位值(ORP值)的變化情況自動(dòng)投加,加藥量通過(guò)記錄某階段加藥泵電磁流量計(jì)的累積流量核算;殺菌劑為間歇沖擊性投加,每周投加一次,投加量通過(guò)藥劑調(diào)配方案核算;清洗藥劑為周期性清洗時(shí)投加,加藥量根據(jù)清洗周期與藥劑調(diào)配方案核算。另外,納濾系統(tǒng)的設(shè)備用電量通過(guò)記錄納濾車(chē)間總電表的讀數(shù)來(lái)獲得。

如表1所示,經(jīng)核算,納濾系統(tǒng)藥劑費(fèi)為0.079元/m3,電費(fèi)為0.157元/m3,直接運(yùn)行成本總計(jì)為0.236元/m3。

表1 納濾系統(tǒng)成本核算Tab.1 Cost Accounting of Nanofiltration System

3 結(jié)論與展望

本研究水廠(chǎng)深度處理工程通過(guò)采用納濾膜處理工藝,對(duì)長(zhǎng)江原水進(jìn)行深度處理。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行,得出以下結(jié)論。

(1)納濾膜對(duì)水中有機(jī)物去除效果顯著,其產(chǎn)水TOC平均值僅為0.10 mg/L,遠(yuǎn)低于目前國(guó)內(nèi)飲用水處理標(biāo)準(zhǔn)中的最嚴(yán)限制,對(duì)色氨酸類(lèi)蛋白質(zhì)、微生物代謝產(chǎn)物、腐植酸、富里酸等DOM物質(zhì)均有顯著的去除作用;對(duì)鋁離子等重金屬離子的去除效果明顯,在投加鋁離子絮凝劑的前提下,產(chǎn)水仍能滿(mǎn)足江蘇省內(nèi)控指標(biāo);對(duì)TDS和總硬度平均去除率為24.78%和30.64%,脫鹽適度。

(2)納濾膜系統(tǒng)以恒通量模式運(yùn)行,產(chǎn)水回收率為85%。連續(xù)4個(gè)多月的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,納濾膜系統(tǒng)通量處于14～15 L/(m2·h),運(yùn)行壓力在3個(gè)月內(nèi)由0.26 MPa緩慢上升至0.38 MPa。經(jīng)化學(xué)清洗(清洗周期3個(gè)月)后,壓力可有效恢復(fù)。

(3)在本階段核算周期內(nèi),納濾系統(tǒng)噸水藥劑費(fèi)為0.079元/m3,噸水電費(fèi)0.157元/m3,噸水直接運(yùn)行成本總計(jì)0.236 元/m3。

該水廠(chǎng)項(xiàng)目的實(shí)施,與當(dāng)下人們安全健康的飲水需求相吻合。用戶(hù)終端“龍頭”供水的飲用水品質(zhì)提高,大幅降低民眾對(duì)“桶裝水”“瓶裝水”等高價(jià)水的依賴(lài),從而減少了民眾在飲水方面的開(kāi)支,生活成本顯著降低。目前,我國(guó)納濾膜處理技術(shù)在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段,還有許多方面存在問(wèn)題,如預(yù)處理投加絮凝劑后的鋁離子殘留帶來(lái)的納濾膜污染問(wèn)題、如何提升納濾膜的抗污染性能、納濾膜系統(tǒng)投資成本較高等。因此,改進(jìn)預(yù)處理技術(shù)、持續(xù)優(yōu)化高性能膜材料和膜系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、探索成本更低的制膜工藝等,就有了重大現(xiàn)實(shí)意義。隨著納濾膜技術(shù)與產(chǎn)品的不斷發(fā)展、完善,未來(lái)納濾膜技術(shù)在制備優(yōu)質(zhì)健康的飲用水方面將有廣闊的應(yīng)用前景。