周 强

(福州城建设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，城市居民对生活饮用水水质标准提升的期望值也不断增加。因原水中的污染物质成分日益复杂，常规的混凝-沉淀-过滤工艺只能去除水中20%～30%有机物[1]，无法有效解决因离子浓度较高造成水质不达标问题。

如长乐二水厂原先水质受海水倒灌、咸潮等影响，导致出厂水氯化物阶段性超标，后经采用超滤+纳滤+反渗透技术进行提标改造，使出厂水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)。本文基此详细介绍其处理工艺。

1 项目背景

长乐区位于福建省东部，闽江口南岸，地处闽江口感潮区。长乐二水厂原水取自闽江炎山段，位于闽江、乌龙江汇流处，目前最大供水规模为11万m3/d，采用的主要供水工艺流程为：闽江炎山泵站取水+折板絮凝(加矾)+平流沉淀+V型滤池+清水池(液氯消毒)+二泵增压至用户，居民普遍反映饮用水具有咸味，尤其在咸潮期该现象更为明显，且持续时间长达3个月。

根据长乐二水厂2017年10月～12月水质监测结果表明，咸潮期出厂水氯化物含量达250～750mg/L，部分时段氯化物含量高达1000～1500mg/L，厂区内现有水处理构筑物对氯化物并无明显去除效果。出厂水中氯化物含量已严重超过《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中规定的250mg/L限值，居民生活饮用水安全性受到严重威胁。为进一步提高供水安全性和饮用水水质，使供水系统逐步适应长乐区的经济及社会发展要求，当地政府及水司决定对长乐二水厂采用膜技术进行深度处理，彻底解决因咸潮期日益突出造成的出厂水氯化物含量严重超标的水质问题，保障人民用水需求和水质安全。

2 不同膜工艺的特点

膜分离技术源于20世纪30年代，60年代开始在商业上得到应用。膜技术是一种通过使用具有选择透过性的膜，在以外界能量或化学位差作为推动力下，对混合气体或液体中的大分子进行截留，从而达到物质的分离、分级、提纯和富积的技术。由于膜技术具有无污染无相变、适应性强、浓缩分离同时进行等特点，使其在食品工业、饮用水处理、污水净化、水资源可持续利用等方面的应用越来越广泛。根据操作压力和所用膜的平均孔径不同，一般可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)等多种膜分离技术，被誉为“21世纪的水处理技术”，在给水深度处理领域中具有广阔的应用前景[2]。

2.1 微滤(MF)

微滤截留颗粒粒径范围0.1～1um。微滤膜允许大分子有机物和溶解性固体(无机盐)等通过，能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体，膜两侧的运行压差(有效推动力)一般为0.7bar，属于精密过滤，具有高效、方便及经济的特点[3]。微滤膜在饮用水处理、医药行业、食品工业、生物技术行业都有着较为广泛的运用。饮用水处理方面，常用作反渗透和纳滤工艺的前处理，也用于水库、湖泊、江河等地表水中藻类和颗粒性杂质的去除。

2.2 超滤(UF)

超滤是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术，其膜为多孔性不对称结构。超滤过程是以膜两侧压差为驱动力，以机械筛分原理为基础的一种溶液分离过程，使用压力通常为0.01～0.3MPa，筛分孔径范围为0.002～0.1um，截留分子量为1000～100 000左右。超滤主要用于截留去除水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌和病毒等大分子物质。

2.3 纳滤(NF)

纳滤是一种特殊而有前途的分离膜，截留物质大小约1nm；在高温、酸、碱等苛刻条件下运行，膜耐受的条件范围宽，浓缩倍数高，耐污染；运行压力低，膜通量高，装置运行费用低。纳滤的操作区间介于超滤和反渗透之间，能有效地截留二价及高价离子和相对分子质量高于200的有机小分子，使大部分一价无机盐透过，可分离同类氨基酸和蛋白质，实现高分子量和低分子量有机物的分离，如氯化钠及氯化钙脱除率为80%～96%，硫酸镁及硫酸钠脱除率为90%～98%[4]。纳滤膜分离所需跨膜压差一般为0.5～2.0MPa，比反渗透膜达到同样渗透能量所必须施加的压差低0.5～3MPa。

2.4 反渗透(RO)

反渗透是最精密的膜法液体分离技术，过滤精度为0.0001um左右，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水分子透过。据研究表明，醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。目前反渗透膜已广泛用于海水及苦咸水的淡化(如青岛水务碧水源海水淡化厂、天津大港新泉海水淡化厂、青岛百发海水淡化厂等)，锅炉给水、工业纯水及电子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程。反渗透膜的运行压力当进水为苦咸水时一般大于5bar，当进水为海水时，一般低于84bar。

3 超滤+纳滤+反渗透技术的应用

3.1 设计水质参数

该工程设计产水量为10万m3/d，设计水温范围10～25℃，24h连续运行。根据2017年10月～12月共取样监测原水和出厂水各329次，得到表1数据。从水质检测报告可知，出厂水除氯化物超标外，其余指标值均在《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中规定限值内。因此，工程主要目的是去除原出厂水中的超标氯化物。

表1 常规处理工艺进出厂水氯化物浓度

3.2 处理工艺比选

为保证产水设计规模，提高产水率，去除氯化物的膜工艺至少考虑两级。此外，为确保纳滤膜或反渗透膜安全，一般在之前采用增加超滤膜作为预处理工艺。考虑到纳滤膜产水率相对较高，一般去除氯化物的一级膜处理工艺采用纳滤膜(除盐率按90%计算)。该工程考虑对一级纳滤系统产生的浓水进行二次处理，二级处理工艺可采用纳滤膜(除盐率按85%计算)或反渗透膜(除盐率按99%计算)。

该工程设计规模为10万m3/d，其中超滤产水量约为11万m3/d，一级纳滤产水量约为8.8万m3/d，一级纳滤浓水量约为2.2万m3/d，浓水纳滤或反渗透产水量约为1.4万m3/d。该工程拟定：方案一：超滤+一级纳滤+浓水纳滤；方案二：超滤+一级纳滤+浓水反渗透，两种膜处理工艺方案进行比较(表2)。

表2 膜处理工艺方案除盐率比较表

原水氯化物含量达到1500mg/L时，从两种膜处理工艺方案除盐率比较可知，方案一出厂水中含盐率为272mg/L，不满足要求；方案二出厂水中含盐率为139mg/L，优于《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)；因此，该改造项目采用方案二：超滤+一级纳滤+浓水反渗透为膜处理工艺为推荐方案。根据计算，原水氯化物含量小于750mg/L时(频率为96.6%)，出厂水氯化物含量不大于70mg/L。

3.3 工艺及水量平衡流程

在现状长乐二水厂预留深度处理用地处增设膜处理车间1座。在咸潮期时，闽江原水经炎山取水泵站提升后由原水管道输送至长乐二水厂，进入折板反应平流沉淀池、V型滤池处理，再接入膜处理车间，经膜处理合格后，再送至现有厂区清水池中，最后经二级泵房中增压泵增压至各用水点。具体工艺流程和水量平衡图(单位：m3/d)如图1所示。

图1 超滤+纳滤+反渗透处理工艺流程及水量平衡图

3.4 超滤系统设计

超滤系统，主要由超滤进水池及提升泵房、超滤膜系统、超滤产水池、超滤废水池及回流泵房、超滤清洗系统(含水洗、气洗及化学清洗)等组成。超滤膜系统设置目的，将其作为纳滤及反渗透系统的预处理系统，以进一步去除原水中的悬浮物、胶体、色度、浊度、有机物等妨碍后续工艺系统正常运行的杂质，确保纳滤及反渗透系统正常运行。

工程采用外压式过滤膜，采用全流过滤、气水反洗的全自动连续运行方式，共设置12套超滤膜装置。具体设计参数如下：设计平均净产水量4583.0m3/h，工作压力≤0.3MPa，系统水回收率95.9%，连续膜过滤主机数量12套(每套80支)，膜材质为PVDF，最大跨膜压差(15℃)2.0bar，运行通量65.57L/(m2·h)，膜孔径外径1.3mm，内径0.7mm。

为保证超滤膜系统安全可靠连续运行，对超滤膜定期进行清洗。超滤膜系统的清洗，包括水反洗、水正洗、气擦洗及化学清洗，其中，化学清洗包括维护性化学清洗(EFM)及恢复性化学清洗(CIP)两种。水正洗时间每次30s；水反洗周期40min，时间为每次60s，其中，上反洗30s，下反洗30s；气洗周期与反洗相同，单支组件进气量为6～8Nm/h，气洗时间为每次30～60s；维护性化学清洗周期为5～10d，循环清洗时间20min，采用500ppm NaClO、NaOH、HCl溶液；恢复性化学清洗周期3～6月，清洗时间为120～240min，每根膜壳清洗流量为2t/h，采用2000ppm NaClO、1000ppm NaOH、2000ppm HCl溶液。

超滤主要设备：

(1)保安过滤器：Q=640m3/h，P=0.6MPa，过滤精度5um，材质为316不锈钢，共2台；

(2)超滤提升泵：Q=2550m3/h，H=32m，N=280kW，共3台，变频控制(2用1备)；

(3)保安过滤器：Q=260m3/h，P=0.6MPa，过滤精度5um，材质为SS316不锈钢，共4台；

(4)超滤反洗泵：Q=640m3/h，H=36m，N=90kW，共2台，变频控制(1用1备)；

(5)EFM、CIP碱清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2台(超滤、反渗透，1用1备)；

(6)空压机：Q=10.5m3/min，P=0.85MPa，N=75kW，配三级过滤，配套冷干机，两台(1用1备)；

(7)超滤废水回流泵：Q=200m3/h，H=12m，N=11kW，共2台，变频控制(1用1备)。

3.5 纳滤系统设计

纳滤系统，主要由纳滤提升泵房、纳滤膜系统、加药系统、清洗系统、纳滤浓水池等组成。根据产水量要求及膜性能，纳滤系统共设置10套纳滤膜装置，单套膜元件为72支，分两段排列(48∶24)。纳滤膜前设纳滤提升泵、纳滤高压泵，将超滤产水池内的待处理水提升进入纳滤膜装置。纳滤膜是“错流过滤”的膜元件置，第二段纳滤膜含盐量远高于第一段，导致第二段膜元件的跨膜渗透压急剧升高，根据 “IMSDESIGN”膜设计软件模拟计算，一段与二段纳滤膜之间设置段间增压泵提高二段膜的跨膜水压，以确保纳滤膜装置的除盐率与出水率，段间泵扬程约50m。具体参数参如下：设计平均产水量3666.67m3/h；纳滤膜元件数量10套(单套72支)，共720支；排列方式一级两段；操作压力≤0.9MPa；系统水回收率≥80%；纳滤膜性能：复合膜，8″× 40″，工作膜通量≤20L/(m2·h)；膜架：纳滤膜配套，碳钢防腐，共10套；单支膜元件最大跨膜压差：1.0bar。

纳滤膜和反渗透膜，考虑酸性清洗和碱性清洗两种情况：酸性清洗主要是去除膜表面的氧化铁、Ca2+、Mg2+垢类；碱性清洗则主要去除膜表面的有机物污染。纳滤及反渗透膜考虑低压冲洗及化学清洗两种方式，化学清洗周期45d，清洗时间2h，清洗药剂为30%盐酸溶液、30%氢氧化钠溶液，每根膜壳清洗流量10t/h。

为防止进水中可能存有的余氯对膜造成不可逆转的氧化性破坏，在纳滤及反渗透进水中投加还原剂。还原剂采用10%的Na2S2O5溶液，投加浓度为2mg/L。原水进入纳滤及反渗透装置前加阻垢剂以防止浓水侧膜表面结垢。药剂采用高效阻垢/分散剂，以有效控制碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡的结垢，对SiO2、铁铝氧化物及胶体产生很强的分散效果，阻垢剂采用10%有机磷酸盐系列溶液，投加浓度为2mg/L。为防止进水中滋生的细菌对膜造成性能影响，在纳滤及反渗透进水中投加非氧化性杀菌剂，药剂浓度10%，投加浓度为2mg/L。药剂投加点位于纳滤提升泵出水总管的静态混合器上。

纳滤主要设备：

(1)保安过滤器：Q=465m3/h，P=0.60MPa，过滤精度5um，材质为316不锈钢，共10台；

(2)纳滤提升泵：Q=2315m3/h，H=35m，N=315kW，共3台，变频控制(2用1备)；

由图5可知：对于预制裂纹花岗岩仅在失稳破坏阶段接收到了较大的电荷感应信号和微震信号，信号幅值分别达到最大值50pC和6×10-3 m/s，而在失稳破坏阶段前无明显的电荷感应和微震信号。

(3)EFM、CIP碱清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2台，变频控制(2用)；

(4)纳滤高压泵：Q=465m3/h，H=76m，N=132kW，共11台，变频控制(10用1库备)；

(5)段间增压泵：Q=220m3/h，H=50m，N=45kW，共11台，变频控制(10用1库备)；

(6)纳滤非氧化性杀菌剂计量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)；

(7)纳滤还原剂计量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)；

(8)纳滤阻垢器计量泵：Q=200L/h，P=0.5MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)。

3.6 反渗透系统设计

反渗透系统，主要由反渗透提升泵房、反渗透系统、加药系统、清洗系统等组成。浓水反渗透系统设置4套反渗透装置，每套反渗透装置含26支膜元件。具体设计参数如下：设计平均产水量504.17m3/h；反渗透膜元件数量4套(单套26支)，共104支；系统水回收率≥50%；纳滤膜性能：复合膜，8″× 40″，工作膜通量≤20L/(m2·h)；膜架：纳滤膜配套，碳钢防腐，每两套纳滤膜主机共用1套膜架，共2套；单支膜元件最大跨膜压差：1.0bar。

反渗透主要设备：

(2)反渗透高压泵：Q=240m3/h，H=254m，N=315kW，共5台，变频控制(4用1库备)；

(3)反渗透提升泵：Q=930m3/h，H=48m，N=160kW，共2台，变频控制(1用1备)；

(4)EFM、CIP碱清洗水泵：Q=260m3/h，H=43m，N=45kW，共2台(超滤、反渗透，1用1备)；

(5)反渗透非氧化性杀菌剂计量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)；

(6)反渗透还原剂计量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)；

(7)反渗透阻垢器计量泵：Q=40L/h，P=0.7MPa，N=0.37kW，共2台(1用1备)。

4 工程运行效果

该工程目前已施工完成并进入试运行阶段，经测算单位制水成本为0.65元/m3，运行效果良好，满足原设计要求，具体运营数据如表3所示。

表3 工程72h试运行数据

根据72h运行数据表明，纳滤膜除盐率大于95%，反渗透膜除盐率大于99.5%，系统产水率90%；在原水氯化物1500mg/L时，出水水质氯化物≤200mg/L，达到设计目标。

5 结语

该工程采用超滤+纳滤+反渗透技术，有效地解决了长乐二水厂出厂水因咸潮影响导致的氯化物阶段性严重超标的问题。在常规净水处理工艺后增加膜分离技术，能有效地解决常规处理工艺无法去除的因离子、大分子等超标造成的水质不达标的问题。

该项目是福建省内首座采用“超滤+纳滤+反渗透”技术进行深度处理的大型市政给水厂，对以后生活饮用水的深度处理和提标改造具有一定的参考意义。