高 雪，陈才高，刘海燕，李 虹

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

生活饮用水水质要求的发展可分为卫生、安全和健康3个阶段，现在正处于水质安全阶段，健康饮水的理念正在萌芽和发展中。健康的水，应在去除水中有毒、有害污染物的基础上，保留水源水中天然的对人体有益的营养物质，安全又健康，即为高品质饮用水[1]。

我国饮用水水源存在较大的安全风险。一方面，饮用水源存在离子超标的问题。健康的饮用水硬度应在150～200 mg/L，而西北部地区水源钙、镁离子普遍偏高，硬度接近或超过国标上限值(450 mg/L)，导致人们饮水口感差、患有结石病等问题。沿海城市潮水倒灌导致氯离子含量超过国标上限值(250 mg/L)，峰值可达1 000～1 500 mg/L。还有部分地区硫酸盐含量超过国标上限值(250 mg/L)，峰值可达近1 000 mg/L，氟离子含量超过国标上限值(1.0 mg/L)，高氟区可达10～20 mg/L。另一方面，随着工业的发展，人工合成的有机物快速增加，如内分泌干扰物、个人防护用品和药品等，它们会通过多种途径进入天然水体和供水系统，虽然浓度很低，但其致癌、致畸、致突变等毒性危害不可小觑。我国环保部的一项调查也发现56个城市的206个饮用水源地中共检出132种有机污染物，其中，103种属于优先控制污染物[1]。

纳滤膜可截留多种价态的溶解盐类物质，包括钙、镁(硬度)、硫酸盐、氟化物、硝酸盐、氯化物、砷等，同时截留分子量约为200～2 000的有机物，包括消毒副产物前体物、内分泌干扰物、微量有毒有害物等，所以，纳滤处理工艺适用于超标离子型或有机微污染型饮用水源深度处理[2]。

1 国内纳滤水厂建设与水源水质特征

纳滤膜从最早应用于特种分离、物料浓缩等领域，逐步扩展到污水处理零排放分盐，近10年来开始在国内自来水厂深度处理中得到应用。

中国水利企业协会脱盐分会《膜法水处理技术在水深度处理及再生回用领域的应用规模调研报告》中，统计了截至2019年6月国内已投入运行及在建的项目，其中，国内纳滤膜技术用于自来水厂深度处理项目，纳滤系统产水总规模为74.87万m3/d。

为探明纳滤膜技术工程应用现状，实地调研或函调了覆盖国内各流域、各种水源特征的绝大部分饮用水纳滤水厂和国际首座纳滤水厂——法国巴黎梅里奥塞水厂，统计纳滤系统厂家、规模、水源等情况如表1所示。

2 纳滤水厂的水源水质与工艺系统

2.1 水源水质特征

通过调研分析目前纳滤膜技术的应用地区与场景，将其适用的水源分为持续性离子类、季节性离子类、复合类以及有机类4种类型，每种类型的水源都有较为集中的应用地区，其水质特征如表2所示。

2.2 纳滤膜选型

原则上纳滤处理工艺应将有机污染物最大程度去除，而将无机离子含量控制到适宜人体的程度(TDS含量在100～400 mg/L)。因此，应针对不同水源的水质特征(表2)，确定特征离子去除率的目标，再根据需求选择合适的纳滤膜元件。例如，长江流域多为有机微污染，原水中TDS含量为100～200 mg/L，不存在特征离子超标时，应尽量少去除TDS，给予饮用者更多的矿物质。

纳滤膜是该项技术的核心元件，根据具体项目对二价/多价离子与一价离子有不同截留率的需要，选择特定的纳滤膜类型。目前，国内外的纳滤膜厂商均有系列纳滤膜产品，不同型号的纳滤膜对不同离子的脱盐率均不同，脱盐率为15%～98%，通常有总TDS去除率为30%、60%、90%左右的纳滤膜可供选择[3-4]。

2.3 工艺系统

纳滤水厂主体工艺流程为“混凝沉淀→多级过滤→纳滤→消毒”，多级过滤的主要目的是保障纳滤系统的进水水质，提高纳滤系统的运行状态，降低清洗频率，延长其使用寿命。

在不同的工程实例中，根据项目实际情况的不同，可以选用多种多级过滤的方式，如图1所示。比较常见的工程实例：(1)砂滤→保安过滤→纳滤，如法国巴黎某水厂等；(2)砂滤→超滤→保安过滤→纳滤，如张家港某水厂、中宁县某水厂等；(3)超滤→保安过滤→纳滤，如太仓某水厂等。

图1 纳滤水厂工艺流程示意图Fig.1 Flow Diagram of Process in NF Waterworks

为了提高产水率、减少浓水的产生，工艺设计时，纳滤膜技术可选择多段纳滤工艺，如图2所示。其也可与反渗透技术联用，例如长乐某水厂(图3)[5]，经两段纳滤系统后，将纳滤浓水经反渗透膜过滤，产水与纳滤系统产水混合，作为最终的出水，仅排放反渗透的浓水，浓水排放量减少了60%～70%。

图2 多段纳滤工艺与目标回收率Fig.2 Multistage NF Process and Target Recovery Rate

图3 长乐某水厂工艺流程示意图[5]Fig.3 Flow Diagram of Process of Waterworks in Changle[5]

3 纳滤水厂评估指标体系与分析

3.1 指标体系

结合我国供水关键材料设备的需求和发展现状，在深入调研评估纳滤系统性能及应用状况的基础上，参照《纳滤装置》(HY/T 114—2008)[6]、《纳滤膜及其元件》(HY/T 113—2008)[7]、《Reverse Osmosis and Nanofiltration Systems for Treatment(水处理用反渗透和纳滤系统)》(AWWA B114—2016)[8]、《Reverse Osmosis and Nanofiltration Manual of Water Supply Practices(反渗透和纳滤供水实践手册)》(AWWA M46—2007)[9]等相关标准规范，结合生产企业和用户关注的主要问题，筛选可量化或易于考核的指标进行评价，建立了一套科学合理且有效的评估指标体系。

一级指标设定了技术先进性、技术可靠性、性能稳定性、经济适用性、国际竞争力等5个维度，对产品性能进行全方位综合判断，为今后产品主要提升性能提供参考。根据调研的关键性指标，包括装置水回收率、膜通量、进水压力、电控系统智能性、装置脱盐率、有机微污染物去除率、膜更换周期、清洗频率、建设运行成本、膜组件国产化情况等，进一步设定了二级指标体系，形成评估内容框架(图4)。

图4 纳滤系统评估内容Fig.4 NF System Assessment Content

3.2 代表性水厂验证结果分析

通过对国内代表性纳滤水厂项目进行实地深入调研，进行3个月以上的生产性验证。利用3.1节中二级评价指标体系梳理验证数据，如表3所示，对标国际平均水平[10-13]，分析我国纳滤工艺应用现状。

根据典型样本调查研究发现，纳滤膜技术对水质的提升效果明显、优势突出，有如下特点。

(1)装置水回收率是设备先进性的重要衡量指标，回收率越高，越能体现先进性。国内系统回收率在77%～85%，均值略低于国际平均水平。已建成的实际工程应用中，根据进水水质与产水目标的需求，通常部分采用纳滤工艺，再与其他工艺产水勾兑后，供市政管网。未来根据不同的工程需求，特别是针对有机微污染水源，可能会采取全纳滤处理方式。

(2)膜通量与进水压力成正相关关系，膜通量越高，进水压力越低。国内膜系统的膜通量和进水压力通常略低于国际水平，膜通量通常在16～30 L/(m2·h)，国际平均水平为28 L/(m2·h)，进水压力通常在0.2～0.9 MPa，国际平均水平在0.3～2 MPa，均值为0.6 MPa。

(3)装置脱盐率和有机物去除率指标是技术可靠性的最关键指标，当净水工艺以脱盐为目标时，目标离子去除率越高，效果越好，以去除有机物为目标时，应尽可能保留有益矿物质，离子选择性越佳，效果越好。纳滤膜对不同价态离子有选择性，通常对二价离子的去除率在90%以上，对一价离子的去除率在60%以下，保留有益矿物质成分；对TOC去除率可达85%以上，能满足高品质饮用水水质的要求与国际水平相当，比超滤或臭氧-生物活性炭工艺(去除率60%左右)对有机物的去除能力明显增强，更能满足高品质饮用水水质的要求。保留有益矿物质成分，要比全部去除原有TDS，然后再通过介质过滤器(装有麦饭石、石灰石、白云石等介质粒料，可溶解部分钙、镁离子的滤器)矿化，使出水获得一定的矿物质离子的方法更经济、更符合健康水的要求,同样，若原水矿物质的浓度不高，建议使用部分纳滤与其他工艺勾兑后供管网，一方面，保障了人体对矿物质的需求，另一方面，减少浓水，提高了水资源利用率。

表3 代表性纳滤水厂生产性验证结果Tab.3 Production Verification Results of Representative NF Waterworks

(4)膜更换周期是衡量性能稳定的指标，国内质保年限一般为3～8年，因项目建成时间并不长，还未换膜，国际上也是根据具体项目的出水情况按需换膜，法国某水厂运行20年间，仅维护性换膜一次。

(5)清洗频率指标是运行维护的重要指标，目前国内项目间隔45～120 d进行一次化学清洗，与国际平均水平相当。

(6)吨水建设成本考虑设备成本和设备安装施工这2部分土建成本，其中，进口设备成本高于国产设备成本，设备安装施工成本基本相当。运行成本包括电耗和药耗。根据典型样本调查研究，建设成本与建设规模、选取的膜元件及其他配套设备的品牌等要素相关，项目间差别较大。运行成本在0.3～1.0元/m3，略低于国外平均水平。在给水深度处理技术中应用的纳滤膜技术最常用的是“超滤-纳滤”双膜法。现阶段国产化程度较高的项目，双膜技术(超滤+纳滤)投资在1 000元/(m3·d-1)左右，运行费用不到1元/m3。从今后我国发展状况及国民经济收入来看，双膜技术在一些经济条件较好的地区有较好应用前景。

(7)国内纳滤系统的国产化程度差异性比较大，现阶段国外的膜供应商还占据了大部分市场，主要为美国陶氏化学、美国海德能、日本东丽、日本日东电工等。近10年，金科环境、碧水源、时代沃顿、沁森高科等国内厂家迅速崛起，正逐渐缩小国内外差距，并试图在某些细分领域实现技术引领。对于规模相当的系统，通常国产化程度越高，建设及运行成本越低。

4 结语

纳滤作为一种分离效果介于超滤和反渗透之间的新型膜过滤技术，既可以高效去除水中超标离子和有机污染物，也可保留水中部分对人体有益的矿物元素，特别是对某些超标物质的去除方面具有优势，出水与其他工艺流程出水勾兑后出厂，为我国饮用水水质安全方面提供了强有力的技术保障。

纳滤膜技术还应持续改进膜元件抗污堵性能、增强离子选择性[14]、降低运行压力，加快设备国产化，妥善处理纳滤系统浓水问题，在研究不同类型水源特征与供水需求基础上，提出针对性较强的纳滤膜选型与系统设计方案，既能满足供水需求，又控制经济成本。

随着纳滤膜技术的日益成熟，社会经济能力的增强，大众生活质量的提升，高品质健康型饮用水的需求日益增强。因此，该技术在饮用水深度处理领域将得到越来越多的特别需求应用，这会成为水厂提标升级改造的重要组合技术选择类型。