王如华：公共供水水处理中膜过滤替代传统过滤的应用与思考
近10年来，水质提升成为我国公共供水事业的重大任务之一，其中先进、可靠和经济可承受的新兴水处理技术的应用，对实现水质提升起到了关键的支撑作用。始于20世50年代并在20世80年代才开始在家庭和公共供水系统应用的膜分离技术，目前已被业内广泛认同为21世纪饮用水处理的新技术。20世纪初我国家庭和商用小型饮用水处理系统开始采用膜分离技术以来，随着市场需求的不断增加，其中膜过滤技术的应用得到了快速发展，先后经历了全进口产品、全进口产品为主与国产产品为辅、国产产品为主与进口产品为辅的应用历程。在我国公共供水系统中目前已建成的膜过滤项目规模约为800万m3/d，其中还包括了个别除膜过滤技术外的探索性膜分离技术应用案例，如纳滤和低压纳滤技术；在建的膜过滤项目规模约为200万m3/d，已建和在建的规模约占我国现有城市供水能力的5%。此外，已计划或规划将来建设的膜过滤项目规模也接近500万m3/d。因此，保障供水安全和提供优质饮用水成为我国公共供水的一项持续的重要任务，以及随着我国膜工业水平的不断提高，未来膜过滤技术在我国的应用规模仍将有较大的发展空间。
虽然目前我国公共供水系统中膜分离技术的应用已达到了一定的规模，且未来仍将有较大的发展空间，但是，在对各类膜分离技术特征和及其应用场景的认识上，尚存在一些误区，致使其在一些公共供水系统中的应用不尽合理。比如将膜分离技术中的膜过滤工艺作为一种传统常规处理工艺基础上的叠加工艺来应用，甚至作为去除水中溶解性污染物为目标的深度处理工艺来应用。这些做法虽然对水质无负面影响，却仍无法去除水中溶解性污染物，并造成了一定程度的功能和公共资源的浪费，导致不必要的公共供水成本的增加。因此，有必要从替代传统饮用水处理工艺的角度出发，根据公共供水的基本要求，结合各类膜分离技术的特征以及膜过滤工艺的技术特点和适用性分析，对膜过滤工艺替代传统饮用水处理工艺的可行性进行研判。
1 公共供水发展与水处理技术的关系
公共供水的基本任务应包括制订基于健康结果与公众可接受性、技术可达性和经济可承受性的供水水质标准，掌握供水项目安全、稳定、可靠建设与运行的成熟工程技术与管理技术，以及拥有可持续支撑项目建设与运营的资金与水价政策。公共供水的发展历史表明，水处理技术的持续进步在应对各种涉水健康风险中具有举足轻重的作用，如化学消毒技术控制致病菌风险、臭氧生物活性炭技术控制长期化学风险，以及膜分离技术控制特定致病微生物(如两虫)风险等。同时，对公共供水水平的不断提高也有着重要影响，如与慢速过滤相比，快速过滤使得在相同土地条件下的水处理能力得以百倍的增加，对扩大公共供水的规模和服务范围起到了积极的推动作用。
水处理的基本方法是通过一系列的物理、化学和生物过程将水中目标污染物转移、转化或转化结合转移这3种基本方法。在传统的饮用水处理技术中，通常这3种方法都会采用。如地表水水源取水设施中围油栏、拦藻网、格栅与格网就是通过吸附、拦截的方法将水中目标污染物(水草、树叶、编织物、浮油和水藻)从水中转移。水厂水处理过程中的混凝、沉淀(澄清)与快速颗粒过滤，则是采用转化后再进行转移的方法，即先将水中胶体(包括附着在胶体上的致病微生物)脱稳和凝聚，使其易于沉淀或在过滤介质颗粒表面附着，然后通过沉淀(澄清)与过滤予以去除。同样，目前被普遍采用的臭氧生物活性炭技术也包含了转化和转化结合转移这2种方法，即通过臭氧的氧化能力把可以氧化成无机物的小分子有机物直接氧化成二氧化碳(矿化)，把大分子有机物分解成易于活性炭吸附的小分子有机物，再通过活性炭中的好氧微生物将吸附在活性炭上的可生化有机物分解成二氧化碳。
膜分离作为现代水处理的新型技术，是通过半透膜对水溶液中不同组分进行选择性透过(分离)来实现对水的净化。因此，从水处理的基本方法角度看，膜分离就是采用纯粹转移的方法来实现对水的净化，即通过选择合适的膜分离过程去除水中特定的目标污染物。
2 饮用水处理中膜分离技术的应用与发展
膜分离技术始于20世纪50年代，早期主要是用于工业领域的澄清、浓缩、提纯、消毒、废水处理和废水液回收的膜过滤技术，到20世纪80年代开始逐渐在家庭和小型公共供水系统中得以应用。始于20世纪60年代中期的反渗透技术(包括20世纪80年代中期开发的纳滤)也开始在以海水、苦咸水和水质特殊的地下水(高硬度、高色度和有机物)为水源的水处理中得以应用，主要用于除盐、软化和脱色。
2.1 饮用水处理中的膜分离类型
按驱动力不同，水处理用的膜分离可分为压力驱动和电力驱动两类，用于公共饮用水处理的则主要为压力驱动膜分离。
按压力驱动膜分离不同的物理化学过程，膜分离可分为膜过滤和反渗透(含纳滤)两大类。同时，按照其孔径或截留溶质的大小不同又可分为四小类，如表1所示。
表1 压力驱动膜分离分类
膜过滤(微滤、超滤)和反渗透(含纳滤)对水中目标污染物的去除机理有很大不同。膜过滤的进水是悬浮液或两相系统，分离的对象是悬浮液中的固相物，包括沉淀物、悬浮物(胶体)和各类微生物(藻类、原生动物、细菌、病毒)等。反渗透(含纳滤)的进水则是溶液或单相系统，分离的对象是溶液中的溶质，包括各种阴阳离子和溶解性有机物。
2.2 膜过滤的主要工艺特征
（1）膜过滤影响因素
膜过滤中的微滤和超滤是根据拟去除的目标污染物尺寸来选择相应截留性能的膜产品，在膜未破损(完整性)的前提下，对目标污染物去除率几乎达100%，且无论进水水质如何变化均不影响其出水水质。膜过滤水通量由膜进出水的压力梯度所决定，影响其水通量的主要因素有驱动压力、水温和膜污堵。水通量随驱动压力的增减而增减。当以20 ℃为标准温度时，在水温为1～28 ℃，水温每增减1 ℃，水通量相应增减2.5%～3%。同样，膜污堵会降低水通量。因此，要消除水温和膜污堵对水通量的影响，必须调整驱动压力。影响膜过滤水回收率的主要因素是进水水质、清洗与维护方式。进水中污染物浓度越高则膜污堵越快，膜污堵越快则膜清洗和维护越频繁，膜清洗和维护越频繁则水回收率越低。但是，合理的清洗和维护方式有助于水回收率的提高。
（2）常用的膜过滤形式及驱动方式
目前，最常用的中空纤维微滤、超滤膜按其驱动压力不同可分为压力式和浸没式两种工艺形式。其中压力式是通过对膜进水施加压力来驱动过滤；浸没式是通过对膜出水施加负压来驱动过滤。
（3）常用膜的膜结构及过滤精度
微滤和超滤虽然净水机理相同，且作用相似，但最常用的有机中空纤维微滤膜和超滤膜在膜结构、过滤(截留)精度表征和微生物截留对象上仍有明显差异。通常微滤膜为对称膜结构，超滤膜为非对称膜膜结构。
表2 分子量与筛分尺寸的近似计算公式
表3 常见PEG MWCO与孔径关系
饮用水处理中目标微生物主要为原生动物(两虫)、细菌和病毒，其体型尺寸相差较大，其中原生动物(两虫)体型尺寸均超过了1 μm，细菌因形态不同尺寸差异大，大的可超过10 μm，小的可至0.2 μm，病毒的尺寸则在0.02～0.2 μm。因此，按照微滤和超滤截留精度不同，当以原生动物(两虫)为目标污染物时，采用具有合适筛分尺寸的微滤，理论上可完全去除。细菌则应根据具体对象既可采用微滤，也可采用超滤。而病毒若要达大于log6的去除率，则应该采用超滤。
由于膜的实际孔径沿膜厚度方向不是一成不变和笔直的，且孔径分布也不是完全均匀的，实际应用中有发现少量大于膜额定孔径的颗粒物未被截留的现象。因此，针对特定致病微生物的去除，仅用膜制造商产品标识的额定孔径来选择膜是不安全的。为保障饮用水生物安全，欧美等发达国家的相关技术法规规定，对用于去除特定致病微生物(如两虫)的微滤、超滤膜，应通过模型微生物挑战试验并获得信誉认证后，才能进入应用市场。我国目前尚未有类似的技术法规和进行挑战试验的认证机构。
2.3 膜过滤技术的应用
相对于传统快速颗粒过滤出水水质依赖于运行人员应对原水水质变化的经验，以及控制颗粒过滤之前的混凝沉淀(澄清)工艺稳定运行的能力，膜过滤由于能有界限地筛分颗粒物，可使有明确尺寸的目标颗粒物(包括特定的致病微生物)完全去除(膜未破损时)，出水水质不受进水水质条件影响，运行过程受人为因素影响少，自动操作运行程度高。因此，20世纪80年代在美国、法国等欧美国家的小型公共供水系统中开始应用。但由于设备价格较高，较长一段时间内市场应用规模相对较小。21世纪以来，随着技术进步、大量成熟产品进入市场和膜产品成本的显著下降，在任何规模的地表水处理中，膜过滤技术已被认为是能与传统的颗粒过滤进行竞争的技术。
我国膜过滤在以地表水为水源的公共供水中进行规模化应用始于2010年左右，粗率估计，目前已建或在建的膜过滤系统规模接近1 000万m3/d。主要用于替代传统的颗粒过滤和在臭氧生物活性炭工艺后增加保安过滤。例如，山东泰安某12万m3/d规模水厂中采用浸没式中空纤维超滤膜工艺作为过滤工艺；杭州某30万m3/d规模水厂中采用压力式中空纤维微滤膜工艺作为臭氧生物活性炭后的保安过滤工艺。此外，也有少量用于纳滤或反渗透前的预处理。例如，青岛某10万m3/d规模海水淡化厂中采用压力式中空纤维超滤膜工艺作为反渗透脱盐工艺前的预处理工艺，预处理规模为27万m3/d。
已建成项目的运行效果表明，膜过滤作为过滤时，与传统快速颗粒过滤相比，出水浑浊度和微小颗粒数含量可实现数量级的提升。作为臭氧生物活性炭后的保安工艺时，可有效去除臭氧生物活性炭出水中的极微小颗粒(≤2 μm)，消除臭氧生物活性炭工艺的生物泄漏风险。作为纳滤或反渗透的预处理时，可稳定保障进入纳滤、反渗透水的淤泥密度指数(SDI)小于3，有效减缓了纳滤或反渗透膜的污堵。表4列出了国内其他一些应用案例。
表4 国内部分典型膜过滤工艺应用案例
3 中空纤维微滤、超滤与传统砂滤比较与分析
3.1 净水效果比较
传统的快速砂滤通常只对尺寸>80 μm的颗粒物有直接筛分截留的作用，其他尺寸更小的颗粒物捕获主要通过与滤床内自上而下的众多滤料表面数千次的沉淀、贴近吸附和扩散吸附机会来捕获去除。这也可以解释尺寸远小于80 μm的颗粒、原生动物、细菌和病毒在砂滤过程中能够得到一定去除的现象。但是，混凝不完善或原水水质变化(有机污染、水温、pH和碱度等)会引起滤前水处理效果不稳定，使进入滤池的部分微小颗粒物脱稳不充分，最终导致滤池出水不稳定。如原水出现季节性污染或水温低时，通常会出现这种现象，生产运行中习惯上把这种进入滤池的水质差异现象称为“可过滤性差异”，可过滤性高则滤后水好，低则滤后水差。以上海的长江与黄浦江两种水源为例，据了解，冬季水温低时，滤后水浑浊度要稳定达到≤0.1 NTU的内控标准，水质较好的长江水源沉后水浑浊度只要控制在2～3 NTU即可，而有机污染较重的黄浦江水源的沉后水浑浊度则需要控制在1 NTU以下。此外，低温引起颗粒物在水中的扩散速度降低，减少其被滤料表面扩散吸附捕获的机会，也会导致滤后水浑浊度升高。有时即使浑浊度没变化，但出水中无法通过浑浊度反映出来的极微小颗粒数却会显著增加。因此，一旦因各种自然或人为因素无法保障沉后水浑浊度小于既定值时，滤后水的浑浊度就难以持续稳定达标。
如前所述，无论水中颗粒物的物理化学性质如何，通过选择筛分尺寸合适的微滤、超滤膜均可以对水中相应尺寸的目标颗粒物进行几乎完全拦截，水温与水质变化不会对膜后水质产生影响，仅对水量和水回收率产生影响，这些影响因素均可在项目设计阶段综合考虑后通过合理的系统配置予以解决。国内外已有应用表明，膜过滤出水浑浊度和菌落总数与传统的快速砂过滤相比，均可以提高一个数量等级，如出水浑浊度可稳定保持在0.05～0.08 NTU。因此，膜过滤在保障浑浊度稳定和生物安全方面具有非常明显的优势。
3.2 工程要素比较
表5为微滤、超滤与传统砂滤在用地、能耗和运行控制等主要工程要素的比较。
3.3 综合分析
由上述净水效果比较和表5可知，从净水效果看，膜过滤的出水水质较传统过滤更优，且出水水质不受进水水质波动的影响，能稳定地保持优异的出水水质。其具有的对水中颗粒物进行明确尺寸筛除的能力，可实现对特定致病微生物的高效去除，大大提高了饮用水的卫生安全。
表5 微滤、超滤与传统砂滤主要工程要素比较
注：(a)根据中空纤维微滤、超滤膜元件(组件)常见充填密度，结合膜元件(组件)安装和维护空间要求及若干工程案例测算所得；(b)按传统快滤池冲洗排水总渠占滤格总面积的15%计算所得
从工程建设效益看，虽然其单位水量造价是传统砂滤的2～3倍，但过滤设施单位面积可处理水量却是传统砂滤的1.5～4倍，用地成本上的优势完全可以抵消造价上的劣势。从水回收率(产水率)看，采用二级膜过滤已可以与传统砂滤持平。
从工程运行成本看，采用浸没式虹吸负压出水的膜过滤的过水能耗已与传统砂滤基本相当。即使采用浸没式泵吸负压出水或压力式膜过滤，与传统砂滤相比，增加的单位水量过水能耗也非常有限。
主要增加的成本是膜元件的定期更换和日常有限的化学清洗药剂的消耗。虽然传统砂滤所用的石英砂(海砂)单位水量造价远低于膜元件，但是石英砂是一种不可再生的天然资源，会越来越稀缺，近10年来的成本正逐年提高，且这种趋势是不可逆的。国内部分地区甚至有采用对过滤水质产生不利影响的矿砂或河沙替代石英砂的做法。此外，为在原水水质变化时保持滤池进水水质稳定，传统砂滤之前的混凝沉淀(澄清)处理的日常药剂消耗会明显高于膜过滤之前的混凝沉淀(澄清)处理，许多运行经验表明，冬季低温时混凝剂的消耗通常是夏季的2～3倍，膜过滤则不需要，甚至在前序混凝沉淀(澄清)进行超负荷运行而出水水质下降时，仍不会对膜过滤出水水质带来影响。国外有应用经验显示，对于原水常年保持总有机碳(TOC)小于2 mg/L水平的水库水(无藻华风险)或受地表影响的地下水，膜过滤之前甚至不需要进行混凝沉淀(澄清)处理。
从运行控制难度看，膜过滤出水水质因不受进水水质变化的影响，需要人为干预的因素少。传统过滤则需要根据进水水质变化，对过滤之前混凝沉淀(澄清)和自身运行进行人为干预，如调整混凝剂投加比例、更换混凝剂、增加助凝助滤措施、调整滤池过滤周期等。因此，在相同自动化程度条件下，膜过滤自动化运行程度更高，更方便管理。
综上，从提高水质、保持水质稳定、增加供水能力和方便运行管理角度考虑，膜过滤替代传统过滤具有很高的可行性，且随着膜产品标准的更完善和生产技术的更成熟、膜过滤在公共供水领域应用市场的逐步扩大以及膜产品的市场竞争更充分，膜过滤的工程成本将进一步下降，替代传统过滤的可行性将更高。
4 总结与思考
公共供水水质提高需要水处理技术的不断发展和提高来支撑，同时也应充分考虑各利益攸关方的经济承受力。相对于已经超过百年应用历史的传统过滤，膜过滤作为20世纪80年代中期才开始在公共供水系统应用的新技术，随着应用规模的逐步扩大，其对于传统过滤的优势已被业内逐渐了解和认可，应用成本和性价比更趋合理。但是，膜过滤处理的对象是水中不溶解的颗粒物(包括微生物)，其仅是替代传统过滤的新技术，而不能替代处理水中溶解性污染物的传统深度处理工艺。膜过滤至少在下列场合替代传统过滤或作为臭氧生物活性炭后的保安过滤具有很高的可行性：(1)原水常年浑浊度维持在10 NTU左右和高锰酸盐指数小于1 mg/L的新建水厂项目；(2)建设用地紧张的新建和扩建改造水厂项目；(3)既有水厂传统老旧过滤设施改造项目；(4)既有水厂利用既有混凝沉淀(澄清)或过滤设施进行水质提升和水量增加的改造项目；(5)已实施了臭氧生物活性炭深度处理的既有水厂水质生物安全保障水平提升项目；(6)纳滤、反渗透工艺前处理项目。
作者简介
王如华，上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司副总工程师，正高级工程师，享受国务院政府特殊津贴专家，上海市领军人才。主持完成数十项重大工程的设计、咨询和技术研发工作，参与2项国家“863”和3项“水专项”重大课题研究。主编国家标准《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)、行业标准《城镇给水微污染水预处理技术规程》(CJJ/T 229—2015)和《城镇给水膜处理技术规程》(CJJ/T 251—2017)；主编《给水排水设计手册(第三册 城镇给水)》(第三版)；中国土木工程获詹天佑创新团队奖、黑龙江省技术发明一等奖1项、上海科技进步一等和二等奖3项、大禹科技进步一等奖1项、全国和上海市优秀工程咨询成果和勘察设计奖数十项。
