杜邦™FilmTec™ NF270纳滤膜在欧洲市政饮用水处理中的应用案例
摘要:纳滤（NF）是一种非常有吸引力的饮用水和工业水处理技术，因为纳滤膜的分离能力介于超滤（UF）和反渗透（RO）膜之间。纳滤主要被设计用来高度去除有机污染物（腐植酸、农药、色度），并同时能透过中到高度的盐。与超滤膜相比，纳滤产水水质明显更好；而与反渗透系统相比，纳滤系统需要更低的操作压力。由于这些特点，纳滤被越来越广泛地应用于水处理领域，一般应用包括软化，以及色度、有机物和微生物的去除。杜邦™ FilmTec™ NF270是水处理中最常用的纳滤膜之一，本文介绍了在欧洲使用NF270纳滤膜的两个市政饮用水厂案例。这两个水厂Eupen和Stembert均位于比利时，通过处理地表水生产饮用水。运行结果表明，纳滤是一种极具竞争力的低成本水处理技术。
关键词:纳滤、NF270、水厂运行、饮用水
介绍:纳滤膜（NF）截留溶质能力介于超滤（UF）和反渗透膜（RO）之间，能同时满足低操作压力和对200-1,000分子量范围内的颗粒物和多价离子高截留率的需求。纳滤目前在诸如饮用水处理、商业/工业水处理以及食品和乳制品加工等领域都有广泛应用（Mänttäri等，2004；Boussu等，2007；罗等，2009）。由于能去除腐植酸、农药和色度等有机物，纳滤在地表水处理中的应用越来越广泛，对多价盐的截留使其适用于去除硬度（膜软化）和硫酸盐（Gorenflo等，2003）。纳滤膜具有较高的纯水渗透系数，因此可以在比反渗透膜更低的操作压力下运行，从而降低水厂的运行成本。纳滤膜型号的选择取决于具体的应用需求。
反渗透和纳滤复合膜结构相似，两种类型的膜都有三层：聚酯无纺布支撑网、微孔聚砜中间层和上层的超薄聚酰胺屏障层，每一层都适应特定的要求（Anon，2010），最上层的屏障层负责决定溶质去除特性。纳滤膜FilmTec™NF270由芳香/脂肪聚酰胺制成的屏障层，具有酰胺和羧酸基团，而反渗透膜和更致密的纳滤膜（NF90）具有芳香聚酰胺屏障层。就切割分子量（MWCO）而言，没有指定具体的值或范围。总的来说，行业普遍认为MWCO介于200-400 Da，其中NF270膜最疏松（MWCO较高），NF90膜最致密（MWCO较低）。Park等（2005）使用不带电的聚乙二醇（PEG）的分数截留法确定NF270的MWCO为270 Da。Lin等（2007）估计NF270膜的 MWCO为300 Da。对于NF90膜，Yangali-Quintanilla等（2010）收集的数据证实MWCO为200 Da。
NF270膜最初被开发用来在低操作压力下高度去除TOC和三卤甲烷（THM）前体，并维持中至高度盐透过率和中等硬度透过率。因此，它是处理地表水和地下水的一个极佳选择，尤其用于期望实现好的有机物去除效果的同时实现部分软化。这种膜的另一个应用是脱色，这种应用特别是在寒冷气候地区非常常见，这些地区的水是软的，但含有高浓度的天然有机物（NOM）和相当数量的色度（Thorsen & Flogstad，2006）。具有高的色度、细菌和TOC去除率（98%）的NF270膜已成功应用于挪威的一家饮用水厂（Majamaa等，2009年）。在瑞典，NF270的前一代产品（NF255）被用于净化湖水（去除色度和铁，并降低COD）以生产饮用水（Anon，2001）。Lin等（2007）验证了NF270在脱除THM前体（THMPs）方面的有效性，作者证实了在中性pH值下，小分子THMPs的截留率超过70%；在pH值高于9时，截留率超过80%，这表明电荷排斥是小分子THMPs去除的主要机制。de la Rubia等（2008）证实NF270膜可以显著去除THMPs，但也得出NF90膜对亲水THMPs的去除效果更好的结论。这些发现与两种膜的物理特性保持了很好的一致性。
NF90膜提供高的产水量，同时高度截留盐、硝酸盐、铁和有机化合物比如农药、除草剂和THM前体。与NF270膜相比，NF90对单价离子的截留率更高，但产水量相应较低。Ahmad等（2008）指出，在所测试的四种纳滤膜中，NF90是去除农药效果最好的膜元件，NF90对莠去津和乐果的去除率分别达到90%和95%以上，产水通量良好。在较宽泛的温度、跨膜压差、pH值和给水浓度等操作条件下，该膜还具备非常好的除砷效果（91%以上）（Figoli等，2010）。Santafé-Moros等（2007）指出NF90是一种可以将硝酸盐浓度降低到饮用水限值的非常合适的膜，他们研究了二元和三元混合物，以及不同离子和pH值对硝酸盐截留率的影响，在所有测试条件下，NF90膜都表现出非常好的性能。
另一种型号的纳滤膜-NF200B，是专门为法国巴黎Méry-sur Oise水厂-当时全球最大的纳滤水厂（14万吨/天）而设计的，成功用于去除有机物和农药；此外，通过与传统处理工艺的平行运行对比发现，纳滤产水的感官特性也得到了改善（氯味和钙浓度降低）。自1999年以来，纳滤水厂的运行是完全可控的，并能够保持长期、高效的运行 (Ventresque等, 2000；Cyna等, 2002；Plottuet等, 2003)。
与传统的水处理方法相比，膜处理工艺的应用常因其高能耗需求和污染倾向而受到非议。合理的设计、正确的膜选型、良好的预处理和正确的系统控制是减少污染发展并实现尽可能低能耗运行的关键。本文的目的是展示以最小能耗达到处理目标的纳滤水厂的两个欧洲案例。这两个纳滤水厂 Eupen和Stembert均位于比利时，通过处理地表水生产饮用水。为了达到日益严苛的欧盟水质标准，水厂采用纳滤膜作为深度处理工艺进行升级改造。
这两个水厂供水总规模达到11万吨/天，是当时欧洲最大的纳滤水厂之一，仅次于法国巴黎Méry-sur Oise水厂。
本文所有给出的结果-产水量、压差和截留率，均已使用FTNORM工具进行标准化，这个工具是基于ASTM标准D4516开发的。标准化的目的是考虑操作参数波动的情况下将实际性能与给定的参考性能（例如启动、设计）进行比较。这些参数例如温度、压力或进水盐浓度等对产水量和截留率都有很大影响，由于上述操作参数难以保持恒定，因此必须采用校正因子，通过标准化，可以获得有关水厂性能的真实信息，并尽早发现潜在问题，比如污染、化学损害等。
比利时的两个水坝-Vesdre和Gileppe给Eupen, Verviers和le Pays de Herve地区的大量城镇以及通过连接的管道同时给几乎Liège整个地区提供水源。为了达到未来欧盟水质标准，自来水公司（SWDE）对水厂进行升级改造，特别是以地表水为水源的这两个水厂-Eupen和Stembert水厂，因为以地表水为水源的水厂对天然有机物质（NOM）污染物更加敏感。如果水中的天然有机物去除不足会导致以下问题：
首先，形成THMs（三卤甲烷），它们沿着供水管网大大增加，导致无法达到欧盟对水中THMs允许含量从150微克/升降低到100微克/升的要求。THMs是水中有机物在最后的消毒阶段有机物与氯反应生成的消毒副产物。
其次，形成生物膜，这是供水管网的自然现象。这种生物膜可能会根据水流或有机物含量的变化而意外松动，结果是水浑浊和有颜色，但对健康无害。
为了在现有处理技术中寻找最佳的天然有机物去除解决方案，自来水公司进行了对比中试实验。通过中试研究发现，最有效的有机物去除解决方案是在现状水厂传统处理工艺基础上增加纳滤深度处理工艺。
比利时Eupen水厂
Eupen水厂设计规模为5.0万吨/天，位于比利时西部，毗邻Vesdre大坝。作为水厂项目的一部分，水厂还配备了一个水力发电站为水厂提供动力。
图1. 比利时Eupen水厂全貌
水厂以水库水作为水源，现状水厂采用传统的处理工艺。为了提高产水品质以达到新的欧盟饮用水质标准要求，特别是地表水水源中天然有机物，水厂经过中试实验最终选择采用纳滤膜作为升级改造深度处理工艺。升级改造后水厂的整体处理工艺流程如图2所示。
图2. 比利时Eupen水厂处理工艺流程示意图
图3. 比利时Eupen水厂纳滤厂房
比利时Stembert水厂
Stembert水厂设计规模为3.6万吨/天，同样位于比利时西部，毗邻 Gilleppe大坝。
图4. 比利时Stembert水厂
图5. 比利时Stembert水厂处理工艺流程示意图
图6. 比利时Stembert水厂纳滤装置
两个水厂的纳滤系统均设置在现状水厂传统处理工艺后，作为深度处理工艺处理水库水，以降低饮用水中的有机物水平。饮用水在被输送进管网前需要进行加氯消毒处理，而纳滤深度处理的目标是去除THM前体，以减少消毒副产物的形成。纳滤进水总有机碳（TOC）浓度为4mg /L，纳滤产水有机物一直低于0.4 mg/L。高的去除效率可允许将部分传统处理工艺的产水与纳滤产水勾兑混合。为了获得理想的产水品质，产水和进水的勾兑使水厂的纳滤规模最小化，因此降低了水厂的投资成本。TOC水平被连续监测，混合比例可以根据进水TOC水平进行调整。基于成功的中试，最终选择了NF270膜，因为它具有在最低进水压力下高的NOM去除能力。纳滤装置设计目的是达到最大产水供应能力，两个水厂的纳滤系统概况如表1所示。
表1. Eupen水厂和Stembert水厂纳滤系统概况
备注：a基于设计温度和长周期运行的流量因子FF=0.7计算
Eupen水厂的5套纳滤装置在2009年3月至9月期间完成了调试和启动。目前纳滤系统按两套装置同时运行，交替运行的模式运行。本文以运行时间最长的2号纳滤装置的数据为例（图7），纳滤系统运行性能稳定，达到预期。标准化压差的增加（图7）表明，纳滤装置第一段发生了一定程度的污染，但可以通过适当的化学清洗方案得到很好地控制。
图7. 比利时Eupen水厂纳滤产水量和压差
Stembert水厂于2009年9月和10月期间进行调试并投入使用。同样的，纳滤目前按一套装置运行，交替运行的模式运行。图8中显示的是2号装置的数据。自启动以来，纳滤膜性能良好，达到预期。稳定的标准化压差表明在运行的第一个月没有发生污染。
图8. 比利时Stambert水厂纳滤产水量和压差
总结:本文所举的案例表明，与传统处理方法相比，纳滤是一种极具竞争力的技术，传统方法在去除广泛污染物时并不总是有效。两个水厂纳滤系统的运行结果表明，纳滤可以成功地作为深度处理技术用于饮用水生产。选用具有较高产水量的纳滤膜NF270，确保以极低的能耗（0.25-0.31 kWh/m³）运行。合理的设计、良好的预处理和正确的系统控制是减少污染发展的关键。
