纳滤膜在太仓某水厂深度处理工程中的应用
摘要：向太仓市民供应“优质”饮用水，太仓市某水厂选用国内自主研发的低压纳滤膜产品与技术进行深度处理改造，规模为5万m3/d，于2019年12月投产运行。对纳滤系统连续监测的数据显示，在设计回收率为85%的情况下，纳滤膜产水TOC平均质量浓度为0.10 mg/L，残留铝质量浓度低于0.02 mg/L，对色氨酸类蛋白质、微生物代谢产物等溶解性有机质的去除效果显著；对TDS和总硬度平均去除率为24.78%和30.64%，说明纳滤膜在高效截留有毒有害物质的同时，保留了一部分对人体有益的天然矿物质。纳滤系统运行稳定、抗污染性能较好，运行电费和药剂费仅为0.236元/m3，经济可行，是一种优质的饮用水深度处理技术。该水厂为国内首座采用国产纳滤膜去除有机物的饮用水净化工程，验证了国产纳滤饮用水处理技术的安全性、稳定性和经济性。
关键词 深度处理 纳滤膜 消毒副产物 有机物 抗污染
【引文格式】
石洁, 姚家隆, 唐娜, 等. 纳滤膜工艺在太仓某水厂深度处理工程中的应用[J]. 净水技术, 2024, 43(1):50-57.
SHI J, YAO J L, TANG N, et al. Application of nanofiltration membrane technology in advanced treatment project of a WTP in Taicang[J]. Water Purification Technology, 2024, 43(1):50-57.
引言
水是生命之源，饮用水水质关系到人体的健康，对社会的稳定和发展具有重要意义。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于饮用水的安全性日益关注。2018年10月，上海市率先实施了我国第一部生活饮用水水质地方标准《生活饮用水水质标准》（DB 31/T 1091—2018），水质指标由原国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的106项增加至111项，并提标40项；江苏省于2019年年底发布《江苏省城市自来水厂关键水质指标控制标准》（以下简称“江苏省内控标准”），该标准针对江苏省集中式饮用水源地原水水质特点，明确了城市自来水关键水质指标的内控要求，提出城市供水品质由“合格”向“优质”的转变目标。随后，深圳也发布地方饮用水标准《生活饮用水水质标准》（DB 4403/T 60—2020），修订后的国家饮用水标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）也于2023年4月1日正式实施。饮用水标准的升级，体现了各级政府及人民群众对生活品质的更高追求。
在我国的饮用水深度处理技术研究中，臭氧-活性炭为比较成熟有效的技术之一，对有机污染物去除效果显著。另外，膜分离技术中的纳滤膜处理工艺，运行压力低，可高效去除水中无机离子、有机物和病毒等污染物，产水品质优良稳定，使其在饮用水深度处理中具有广阔的应用前景。
本文所述水厂位于江苏省东南部，原采用混凝-沉淀-过滤-消毒的传统工艺，设计规模为30万m3/d。水厂原水为长江水，应急水源为浏河水库。长江太仓段原水水质总体较好，大部分时段水质指标达到国家地表水环境质量III类标准以上。但长江原水存在某些指标季节性超标的状况，以及江内通航船舶泄漏、两岸沿线工业污染物排放等偶发事件引起的水质污染的风险。2017年1月~2019年9月，对水厂沉淀池出水进行不定时检测，选取了22种微量有机污染物（TrOCs）作为目标物进行测定，共检出了14种TrOCs，其中莠去津、稻瘟灵和草不绿等农药类物质检出率为100%，且在春季检出质量浓度较高，最高达到180 ng/L，可能与当地农药使用情况有一定关系。而原水厂常规处理工艺在应对水源突发性污染方面能力较差。为响应《江苏省政府办公厅关于切实加强城市供水安全保障工作的通知》[2014]55号文的“进一步加强全省城市供水安全，切实保障居民饮用水安全，全面推进自来水深度处理工艺建设改造”的要求，该水厂从提高供水水质角度出发进行深度处理改造，其中5万m3/d采用纳滤膜处理工艺，以提高应对原水污染、保障水质安全的能力。经改造后水厂于2019年12月通水运行。该水厂是国内首座核心膜产品及设备全部为国产企业自主研发，以去除有机物为主的万吨级纳滤饮用水净化工程。此前，山西阳泉市某饮用水水质改善工程（2014年，3.5万m3/d）和西安渭北某水厂（2016年，4万m3/d）均采用超滤+纳滤膜深度处理工艺，主要是以降低硬度和硫酸盐浓度为目的，去除饮用水中的硫酸盐、总溶解性固体（TDS）。该工程的成功示范验证了国产纳滤饮用水处理技术的安全性、稳定性和经济性，为地表河网水系水厂增建或新建纳滤工艺做出良好的技术示范，为构建城市安全保质饮用水系统提供保障。
纳滤系统基本参数
图1：纳滤膜组器排布
图2：纳滤系统布置
纳滤车间共设置8套膜组器，选用某国产品牌低压纳滤膜。每套膜组器对应配备1台进水泵和1台保安过滤器，单套膜组器设计净产水能力为6 250 m3/d，设计总产水能力为5万m3/d。纳滤膜组器采用一级两段式排布（图1），一、二段之间设置段间增压泵，采用恒通量运行模式，运行通量为15.85 L/(m2·h)，设计产水回收率为85%。纳滤车间设置1套化学清洗系统，每当纳滤系统运行3个月或膜比通量下降15%以上时，执行化学清洗程序，使膜元件恢复原始膜比通量。纳滤浓水与斜板浓缩池上清液以及纳滤膜酸洗中和水混合后，污染物浓度低于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中III类水质标准限值，经雨水管网排入附近河道。纳滤系统布置如上图2所示。
纳滤系统运行成本
表1：纳滤系统成本核算
为维护纳滤系统的正常运行，日常需要按要求投加阻垢剂、还原剂、杀菌剂，定期进行化学清洗，化学清洗药剂为EDTA-4Na、NaOH和柠檬酸。其中，阻垢剂为连续投加，加药量通过记录加药泵电磁流量计的累积流量核算；还原剂根据超滤产水的氧化还原电位值（ORP值）的变化情况自动投加，加药量通过记录某阶段加药泵电磁流量计的累积流量核算；杀菌剂为间歇冲击性投加，每周投加一次，投加量通过药剂调配方案核算；清洗药剂为周期性清洗时投加，加药量根据清洗周期与药剂调配方案核算。另外，纳滤系统的设备用电量通过记录纳滤车间总电表的读数来获得。
如表1所示，经核算，纳滤系统药剂费为0.079元/m3，电费为0.157元/m3，直接运行成本总计为0.236元/m3。
结论
本报告所述水厂深度处理工程通过采用纳滤膜处理工艺，对长江原水进行深度处理。经过一段时间的运行，得出以下结论。
（1）纳滤膜对水中有机物去除效果显著，其产水TOC平均值仅为0.10 mg/L，远低于目前国内饮用水处理标准中的最严限制，对色氨酸类蛋白质、微生物代谢产物、腐植酸、富里酸等物质均有显著的去除作用；对铝离子等重金属离子的去除效果明显，在投加铝离子絮凝剂的前提下，产水仍能满足江苏省内控指标；对TDS和总硬度平均去除率为24.78%和30.64%，脱盐适度。
（2）纳滤膜系统以恒通量模式运行，产水回收率为85%。连续4个多月的监测结果显示，纳滤膜系统通量处于14~15 L/(m2·h)，运行压力在3个月内由0.26 MPa缓慢上升至0.38 MPa。经化学清洗（清洗周期3个月）后，压力可有效恢复。
（3）在本阶段核算周期内，纳滤系统吨水药剂费为0.079元/m3，吨水电费0.157元/m3，吨水直接运行成本总计0.236 元/m3。
该水厂项目的实施，与当下人们安全健康的饮水需求相吻合。用户终端“龙头”供水的饮用水品质提高，大幅降低民众对“桶装水”“瓶装水”等高价水的依赖，从而减少了民众在饮水方面的开支，生活成本显著降低。目前，我国纳滤膜处理技术在饮用水处理领域的应用尚处于起步阶段，还有许多方面存在问题，如预处理投加絮凝剂后的铝离子残留带来的纳滤膜污染问题、如何提升纳滤膜的抗污染性能、纳滤膜系统投资成本较高等。因此，改进预处理技术、持续优化高性能膜材料和膜系统运行参数、探索成本更低的制膜工艺等，就有了重大现实意义。随着纳滤膜技术与产品的不断发展、完善，未来纳滤膜技术在制备优质健康的饮用水方面将有广阔的应用前景。
