杨珮瑶 李 键 刘 渊 周友刚

（金科环境股份有限公司，北京 100102）

近年来，随着社会经济水平快速发展，居民对生活品质的追求快速增高，膜技术在市政给水领域的工程化应用越来越受到人们的关注。跟传统水处理技术相比，膜技术具有处理效率更高、出水水质更稳定、占地面积小、自动化程度高等优势，目前已在国内多个市政给水厂得到应用。

1.膜技术介绍

膜是分离两相和选择性传递物质的屏障，可称之为半透膜或分离膜。而在某种推动力的作用下，利用其选择性传递物质的性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。跟传统过滤相比，膜分离的过滤可以在分子范围内进行，并且在此过程没有相的变化。

根据膜材料的不同可分为无机膜和有机膜，无机膜主要包括陶瓷膜和金属膜，膜的孔径通常为微米级；有机膜包括纤维素类、聚酰胺类、聚砜类、聚烯烃类、含氟聚合物等高分子材料，膜孔径可达到纳米级，因此应用更为广泛。

根据膜孔径的不同（或截留分子量）的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。根据图1 的过滤图谱可知，从左往右看膜的孔径依次减小，致密性依次增加，可拦截的污染物依次增多。

图1 水中污染物的过滤图谱

在以上几种过滤中，超滤及纳滤膜技术在给水深度处理中的应用最为广泛，因此本文将重点介绍超滤及纳滤膜技术。

1.1 超滤膜技术介绍

1.1.1 超滤膜及系统简介

超滤膜的过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。超滤膜为多孔性不对称结构，其筛分孔径范围为0.005～0.1μm，可将分子量为5,000～100,000 的物质截留，在水中一般可截留悬浮物、胶体颗粒和细菌等杂质。

在工程实际应用中，超滤膜组件分为压力式膜和浸没式膜两种形态。压力式与浸没式膜系统的本质区别为被处理水透过膜表面的驱动方式不同。压力式的驱动源为压力泵，浸没式的驱动源为真空抽吸系统，通常采用泵的吸程产生的负压为驱动力。基于设计膜通量较高、投资运营成本低、维护管理更简便等优势，压力式超滤膜在国内大规模水处理行业中应用更为广泛，下文主要介绍压力式超滤。

超滤膜系统包括超滤主机及相应的辅助系统。若干超滤膜组件集成于膜架内组成膜堆，多个膜堆在自动化系统的统一控制下构成相对独立的超滤主机。辅助系统包括原水提升系统、自清洗过滤系统、反冲洗系统、化学清洗系统、中和废水处理系统、完整性检测系统和电气自控系统等，所配置的辅助系统保证膜系统连续安全运行。

超滤装置及配套系统工艺流程简图如图2所示：

图2 超滤系统工艺流程简图

1.1.2 超滤工艺说明

超滤供水泵将预处理出水提升加压，经加压后水送至超滤自清洗过滤器，水中大于200µm 的悬浮颗粒得到去除，同时也保护超滤膜元件端口不会受到大颗粒物质的擦伤而损坏。自清洗过滤器在经过一段时间的过滤后，需要进行定时反洗。经自清洗过滤器过滤后的带压水进入超滤膜组件，由于超滤膜本身的特性，大部分的细菌、藻类、胶体物质和微小（大于0.2µm）的颗粒物质被截留在膜的表面，水及水溶性的物质透过膜孔，水质在膜系统得到净化。通过超滤膜的过滤作用，SS 及胶体物质基本得以去除。

过滤一定时间后，在膜的表面会沉积一层污染层，需要对膜元件进行物理反洗：反洗水泵将超滤出水提升加压后由超滤出水管进入系统，带压反洗水将膜表面的污染物冲洗出系统，膜元件的通量得以恢复。由于水中含有各种细菌、有机物、无机物等，仅用清水进行反洗并不能完全恢复膜通量，因此在进行若干次反洗后，需要对膜进行CEB清洗，通过化学药剂彻底去除膜表面的污染物。

图3表示系统运行过程中跨膜压差的变化，其中A 段表示过滤过程，B 段表示反洗过程，C 段表示化学加强反洗过程（CEB）。通过不同过程跨膜压差的变化可知，将过滤、反洗、化学加强反洗三个过程合理设计，可以确保超滤系统运行稳定，运行费用较低。

图3 超滤系统运行跨膜压差随时间变化图

1.2 纳滤膜技术介绍

1.2.1 纳滤膜及系统简介

纳滤膜(NF)早期被称为“低压反渗透膜”或“疏松反渗透膜”，是一种介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间的新型的压力驱动膜。NF膜孔径为纳米级(10-9m)，通常为0.5～1nm，截留分子量在200～2000Da(道尔顿)，选择性分离直径大于l nm 左右的溶解组分，可以有效截留二价及以上离子、有机小分子(分子量≥200Da)，但是使大部分一价无机盐透过，从而实现高低分子量有机物的选择性分离。

纳滤系统包括纳滤主机及相应的辅助系统。若干纳滤膜组件经过合理的排列组合后集成于膜架内组成膜堆，多个膜堆在自动化系统的统一控制下构成相对独立的纳滤膜主机。系辅助系统包括纳滤高压泵、纳滤清洗设备、纳滤冲洗设备、纳滤加药系统、电气自控系统等，所配置的辅助系统保证膜系统连续安全运行。

1.2.2 纳滤工艺说明

纳滤工艺在运行过程中，在生产纯水的同时，污染物/盐分在浓水侧浓缩，超过了在水中的自然溶解度，造成浓水容易结垢。工艺选择不同的阻垢剂来破坏纳滤膜浓水侧的垢的形成及晶体晶格结构减轻结垢趋势。此外纳滤膜材质受氧化后易降解，因此要求纳滤进水投加还原剂。

纳滤设备运行一段时间后，浓水侧的硬度是将原水中的各种污染物浓缩了若干倍，由于浓差极化的原因，可能会在纳滤膜表面产生各类污垢，致使纳滤膜性能下降、产水量下降、脱盐率下降，这时必须进行化学清洗来恢复膜的透水量。清洗周期的确定应在同样产水量下，膜运行压力超过10%或同等压力下产水量减少10%时清洗，膜的通量恢复较好，可使膜的产水量恢复到接近原有水平。

当纳滤系统由于各种原因停机时，膜元件内部的水中硬度处于若干倍的浓缩状态，在水流静止的情况下，容易造成污染物质沉积、结垢，污染膜组件。设计的纳滤系统中有在线自动冲洗装置。在系统停机时，可自动冲洗膜元件表面，将膜表面的污染水置换成净化水，减轻表面沉积物的污染，从而保证膜元件的正常寿命。

2.膜技术在给水深度处理中的应用

2.1 超滤膜技术的应用

超滤膜技术作为一种较新的水处理技术，近年来在国内自来水厂已有多个应用实例。与传统的处理技术相比，超滤膜技术在给水深度处理中主要有以下优势：

（1）可有效去除几乎全部致病微生物，包括隐孢子虫、贾第虫、细菌和病毒等，提高供水的生物安全性；

（2）可减少消毒剂的用量，降低水中消毒副产物的生成量，提高供水的化学安全性；

（3）超滤去除水中污染物的过程是通过膜的物理筛除，对污染物的去除有极好的稳定性；

（4）超滤系统为模块化设计，可增容设计，处理能力可在较大的范围内调整，且相较与常规工艺占地面积大大减少。

超滤膜技术在给水深度处理中主要解决了以下三种问题：高品质供水；处理高藻水体（千万级）；反渗透/纳滤膜技术的预处理。超滤膜技术的应用也可按上述分类分为三类。

2.1.1 高品质供水

近年来，随着饮用水水质要求越来越严格，传统的水处理技术已经无法满足这些水质要求，或者工艺复杂，需要较大的占地面积和较高的投资。而超滤膜技术可有效去除几乎全部致病微生物，包括隐孢子虫、贾第虫、细菌和病毒等，确保供水的生物安全性，同时减少了消毒剂使用量，控制消毒副产物的生成量，实现高品质供水。

在地表水处理中，超滤膜技术通常放置于臭氧炭（砂）滤池后，常见的工艺流程如下图所示：

图4 高品质供水的典型工艺流程

2.1.2 处理高藻水体

针对千万级别的高藻水体，常规工艺在处理过程中通常面临滤池易堵塞，日常维护工作繁重，出水水质不稳定的问题。而超滤膜技术可结合预氧化、混凝絮凝气浮、粉炭接触的的短流程工艺，通过粉炭对藻毒素的吸附和超滤物理截留，对硅藻、蓝藻、藻毒素的去除率高达95～99%，确保供水水质合格稳定。

高藻水体治理的典型工艺流程如图5 所示：

图5 高藻水体治理的典型工艺流程

2.1.3 反渗透/纳滤膜技术的预处理

反渗透/纳滤系统预处理效果的重要指标为SDI，而跟传统的过滤工艺及微滤相比，超滤对悬浮颗粒、细菌及病毒的去除效果最好，可确保SDI 在99%的保证率下稳定＜3，是现有工艺中最有效的预处理工艺。使用超滤膜技术作为反渗透/纳滤系统的预处理工艺，可显著降低反渗透/纳滤膜的清洗频率，减少滤芯等耗材费用，同时减轻现场运用维护人员的工作量，也是当下给水处理厂反渗透/纳滤系统前端的主流预处理工艺。

2.2 纳滤膜技术的应用

近年来，随着地表水和地下水的污染日益严重，部分地区水源中的有害物质已经从微生物扩展到无机物（硬度、硫酸盐、氟化物及重金属等）及有机化合物（天然有机物、抗生素、农药、杀虫剂等）。针对这类水源，传统的给水处理技术及超滤技术已经力不从心，因此引入了反渗透/纳滤等新型深度处理技术。

跟臭氧活性炭等传统深度处理技术相比，纳滤膜技术具有如下优势：

（1）占地面积小、自动化程度高，运营维护简单；

（2）对有机物及氨氮等的去除率更高、且出水水质更稳定，可降低消毒剂消耗量；

（3）可以高效去除无机物。

跟反渗透膜技术相比，纳滤膜技术具有如下优势：

（1）低压力、低能耗、节能效果明显

相对于反渗透膜，由于纳滤膜渗透性较好，只允许部分盐分透过膜，因此常规纳滤膜运行压力较低，节能效果显著。

（2）运行药耗较低

纳滤对碳酸氢根、硅酸的截留率不高，对钙、镁离子的去除率低于反渗透，因此浓水侧结垢倾向很低，阻垢剂用量少，运行费用低且化学污染排放少。

（3）高回收率稳定运行，制水率较高

因浓水侧结垢倾向很低，单级纳滤可以做到较高的系统回收率（85%～90%），提高水资源利用率的同时，减小了浓水排放的压力。

（4）去除率稳定且选择性分离，保留了产水一定的矿化度

对于有机微污染水体，选择性纳滤膜整体脱盐率通常在30%左右，在有效减少水体中的污染物的同时，较大程度上保留水体中的有益矿物质，能稳定满足当地内控标准的“优质水”的要求，达到了水厂深度处理的目的。

（5）纳滤产水pH 波动稳定小于1, 可直接并入市政供水管网

纳滤产水pH 波动稳定小于1，对现有供水管网的冲击无影响，产水可直接并入市政供水管网。

基于以上优势，目前纳滤膜技术在给水深度处理中的工程化应用也越来越受到人们的关注。其应用主要有两个方向，第一类为地下水、地表水苦咸水处理，如氟化物、硫酸盐、硬度等盐分的去除，第二类为地表水体中天然有机物、抗生素、色度、消毒副产物等微量污染物的去除。

2.2.1 苦咸水处理

在我国，苦咸水主要分布在西北地区及华北平原等，例如宁夏地区沿黄河流域高硬度、硫酸盐地下水，新疆、内蒙古地区高含氟地下水，山东地区高硫酸盐、高硝酸盐南水北调东线水等水源。针对以上地区的水源，金科采用纳滤膜技术，主要用于去除氟化物、硫酸盐、硬度等无机盐分，纳滤系统净产水规模至今累计约18 万吨/天。

针对苦咸水的处理，金科的主要业绩包括：

表1 金科在苦咸水处理中的主要业绩

有机微污染物的去除

在人口密度较高、经济较发达的地区，地表水体多受到有机物污染，如江浙地区长江及当地河流湖库，多为微污染地表水。金科环境在以上地区采用纳滤膜技术，去除水体中的天然有机物、控制消毒副产物和改善饮用水口感，同时应对水体突发污染，纳滤系统净产水规模至今累计约50 万吨/天。

在微污染地表水的应用中，金科的主要业绩包括：

表2 金科在微污染地表水处理中的主要业绩

3.3 金科环境在膜处理技术中的优势

金科环境股份有限公司（科创板股票代码：688466）是专业从事水深度处理及污废水资源化的国家高新技术企业，依托公司自主研发的膜通用平台装备技术、膜系统应用技术、膜系统运营技术等三大核心技术，为客户提供水处理技术解决方案、运营服务以及资源化产品。

成立17 年来，通过多个工程经验的积累，金科在膜处理技术中积累了大量经验，并通过技术人员逐渐改进完善形成了自己的技术优势，这些技术优势包括：

3.1 GTMOST 膜通用平台技术

公司自主研发的膜通用平台装备技术，填补了国内空白，属国内首创。膜通用平台装备技术可以实现行业内多数厂家膜元件在通用平台装备中的通用互换，且可实现单体设备处理规模大型化，降低了水厂的建设成本和运营成本。公司运用该技术，设计研发了多个系列的装备产品，包括膜通用平台装备-经典风系列、未来星系列等，用于满足不同客户的需要。

① 膜通用平台装备-经典风系列

该装备主要适用于卧式布置系统，系统采用双层车间设计，膜装备与工艺管廊上下分置，实现了功能区与维护区的合理分区。单套膜装备处理量大、占地面积小、投资少。该系列是目前公司在市场上使用最广泛的设计和装备。

该系列产品的膜元件为水平方向端部拆卸，可在垂直方向扩展，单体装备处理能力高达2 ～4 万吨/日，在大规模系统应用中，膜装备部分占地面积比立式超滤膜装备减少约20 ～30%，有效降低占地面积。

由于材料选用合理、布置紧凑，减少了相应的管道、电缆等安装材料，该膜装备成本比其他形式的膜装备降低约20 ～30%（不含膜）。

图6 膜通用平台示意图

② 膜通用平台装备-未来星系列

未来星系列主要适用于立式布置系统，系统采用单层车间设计，膜装备与配套前后布置。单套膜装备处理量大、连接件少、占地面积小、投资少，更适合于工业项目。

由于专用功能分区板设计，将行业中常用的立式超滤膜装备的进水、产水、浓水、反洗排水口以及上下膜端头连接件简化为可调节适配器连接，从而将膜装备的连接件减少约30 ～50%，降低了泄漏风险。采用膜容器的方式有效降低了膜元件之间所需的管道布置间距，在安装同样膜数量的条件下，膜装备部分占地面积减少约20 ～30%。

该系列产品布置紧凑，减少了相应的连接件数量、管道、电缆等材料，该膜装备成本比常用立式布置形式的超滤膜装备降低约30 ～40%（不含膜）。

图7 膜通用平台示意图

3.2 膜防污染技术

3.2.1 超滤膜防污染技术

超滤膜技术在水处理应用中的最大问题是膜污染和破损，其主要原因是在过滤过程中，水中的胶体、有机污染物、生物黏泥等引起膜污染。目前行业中针对超滤膜解决污染的措施一般为水洗、气洗、化学清洗等。其中气洗的过程虽然可以改善膜污染情况，但常会带来膜丝机械损伤的风险，降低膜的使用寿命。化学清洗是通过定期加入一定浓度的酸、碱、氧化剂等进行浸泡，将污染物质去除，从而解决污染的问题。但化学清洗是把双刃剑，频繁的化学清洗会加速膜材质的化学分解导致性能衰减，降低膜的使用寿命。

金科从水处理系统整体着手，开发了针对控制超滤膜污染的工艺技术。该技术根据项目水质的变化波动等情况，针对性选择微絮凝，预防膜污染，降低膜系统的化学清洗频率，使膜系统通过反洗即可恢复性能，从而实现延长膜元件的寿命，提高膜系统运行效率，特别适用于特殊水质时期，如进水水质恶化，或者低温期。

膜防污染技术的先进性及其具体表征如下：

（1）维持系统稳定性。膜系统的稳定性以跨膜压差（TMP）和通量的稳定性来衡量的，在恒定的通量下，跨膜压差（TMP）越低越好。随着过滤时间的增加，膜会逐渐污堵，跨膜压差（TMP）逐渐增加，该技术可将同周期跨膜压差上升变化控制在0.05 ～0.4bar 范围内，将在线维护性化学清洗周期延长2 ～4 倍。

（2）延长膜寿命。由于膜的使用寿命与清洗的酸、碱、氧化剂浓度和浸泡时间的乘积成反比，累积浸泡时间越长、浸泡浓度越高，使用寿命越短；采用了该技术，化学清洗的频率和浓度可大大减少，从而延长了膜寿命。

3.2.2 纳滤膜防污染技术

纳滤系统在日常运行中，由于对流沉积、浓差极化等原因，难免会出现微生物的滋生、有机物的污染及无机盐的结垢等现象，影响系统的稳定运行。在目前行业中常规解决方法的基础上，金科结合项目现场的调试运营经验，研发出了阻垢剂精准投加装置和多段高效纳滤冲洗装置，可以更高效的预防膜污染，并有效节省运行药耗，降低纳滤膜的清洗频率，延长膜的使用寿命。

阻垢剂药剂费约占纳滤膜运行药剂费的50%～80%，因此在控制纳滤膜不受无机盐垢污染的前提下，合理降低阻垢剂投加量显得尤为重要。金科阻垢剂精准投加装置为一对一投加，采用液晶数显电磁隔膜计量泵，并配套超声波流量计，可实现加药量与进水流量、水质互相连锁，同时可通过超声波流量计实时监测阻垢剂的投加量及累计耗量，实现精准加药。这种方法不仅可以针对水质波动匹配合理的加药量，有效预防无机盐垢污染，还可以直观监测阻垢剂的用量，有效避免设备故障及人工操作导致的阻垢剂浪费，节省纳滤膜的运行药剂费。

在纳滤系统运行过程中，常规的冲洗装置仅可实现从首段进水侧向末端浓水侧冲洗，无法针对不同的膜污染类型分段高效的冲洗。金科通过多个项目的纳滤膜系统污染分析诊断发现，膜首段污染主要表现为有机物和重金属富集及微生物滋生引起的污染，末端污染主要为无机盐浓缩产生的盐垢污染。针对这种现状，金科研发了多段高效纳滤冲洗装置，其可针对不同的膜污染类型，分段倒向进行冲洗，实现冲洗过程的无死角、更彻底、更高效。目前该冲洗装置已成功申请实用新型专利。

3.3 水厂数字化运营

图8 项目驾驶舱

图9 在线诊断

除了常规的技术服务外，金科还可以提供“水厂双胞胎”建设及运营平台的技术服务，从线上及线下两方面帮助用户，使用户在水厂全生命周期运行中受益。

金科环境水厂双胞胎-运营管理平台，是基于BIM 轻量化技术、大数据分析与人工智能技术以及工业互联网等技术打造的实时可视化高效管理工具。该平台以水厂设备为核心业务对象，对水厂运营管理的主要业务流程进行了全量、全要素的数据建模，建立水厂的数字镜像，即数字孪生体。以实时数据采集为基础，自控应用层为衔接，数据分析处理为决策依据，三维可视化为界面，为用户提供了所见即所管理的高效管理平台。

平台包含数据监测、设备故障智能预警、设备维修保养、数字巡检、工艺诊断优化等功能模块，并可以通过对数据的科学管理，提供了较高的业务扩展性，满足用户个性化定制需求，全面提升水厂数字化运营管理水平。例如系统中工艺诊断优化功能模块，通过直观的图形化配置界面，将专家经验数字化的过程，使系统具备专家的决策能力，在系统运行到某组特定状态组合下，给出相关的报警和预案，有利地提高了水厂运维管理工作的质量和效率。