納濾膜工藝在太倉某水廠深度處理工程中的應用

石 潔,姚家隆,唐 娜,呂學敏,祁 譽

(1.北京碧水源科技股份有限公司,北京 102206;2.太倉市水務集團有限公司,江蘇太倉 215400;3.北京碧水源膜科技有限公司,北京 101407)

水是生命之源,飲用水水質關系到人體的健康,對社會的穩定和發展具有重要意義。隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高,人們對于飲用水的安全性日益關注。2018年10月,上海市率先實施了我國第一部生活飲用水水質地方標準《生活飲用水水質標準》(DB 31/T 1091—2018),水質指標由原國家標準《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的106項增加至111項,并提標40項[1];江蘇省于2019年年底發布《江蘇省城市自來水廠關鍵水質指標控制標準》(以下簡稱“江蘇省內控標準”),該標準針對江蘇省集中式飲用水源地原水水質特點,明確了城市自來水關鍵水質指標的內控要求,提出城市供水品質由“合格”向“優質”的轉變目標[2]。隨后,深圳也發布地方飲用水標準《生活飲用水水質標準》(DB 4403/T 60—2020),修訂后的國家飲用水標準《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)也于2023年4月1日正式實施。飲用水標準的升級,體現了各級政府及人民群眾對生活品質的更高追求。

在我國的飲用水深度處理技術研究中,臭氧-活性炭為比較成熟有效的技術之一,對有機污染物去除效果顯著[3]。另外,膜分離技術中的納濾膜處理工藝,運行壓力低,可高效去除水中無機離子、有機物和病毒等污染物[4],產水品質優良穩定,使其在飲用水深度處理中具有廣闊的應用前景。

本文所述水廠位于江蘇省東南部,原采用混凝-沉淀-過濾-消毒的傳統工藝,設計規模為30萬m3/d。水廠原水為長江水,應急水源為瀏河水庫。長江太倉段原水水質總體較好,大部分時段水質指標達到國家地表水環境質量Ⅲ類標準以上。但長江原水存在某些指標季節性超標的狀況,以及江內通航船舶泄漏、兩岸沿線工業污染物排放等偶發事件引起的水質污染的風險。2017年1月—2019年9月,對水廠沉淀池出水進行不定時檢測,選取了22種微量有機污染物(TrOCs)作為目標物進行測定,共檢出了14種TrOCs,其中莠去津、稻瘟靈和草不綠等農藥類物質檢出率為100%,且在春季檢出質量濃度較高,最高達到180 ng/L,可能與當地農藥使用情況有一定關系[5]。而原水廠常規處理工藝在應對水源突發性污染方面能力較差。為響應江蘇省《省政府辦公廳關于切實加強城市供水安全保障工作的通知》蘇政辦發〔2014〕55號文的“進一步加強全省城市供水安全,切實保障居民飲用水安全,全面推進自來水深度處理工藝建設改造”的要求,該水廠從提高供水水質角度出發進行深度處理改造,其中5萬m3/d采用納濾膜處理工藝,以提高應對原水污染、保障水質安全的能力。經改造后水廠于2019年12月通水運行。該水廠是國內首座核心膜產品及設備全部為國產企業自主研發,以去除有機物為主的萬噸級納濾飲用水凈化工程。此前,山西陽泉市某飲用水水質改善工程[5](2014年,3.5萬m3/d)和西安渭北某水廠(2016年,4萬m3/d)[6]均采用超濾+納濾膜深度處理工藝,主要是以降低硬度和硫酸鹽濃度為目的,去除飲用水中的硫酸鹽、總溶解性固體(TDS)。該工程的成功示范驗證了國產納濾飲用水處理技術的安全性、穩定性和經濟性,為地表河網水系水廠增建或新建納濾工藝做出良好的技術示范,為構建城市安全保質的飲用水系統提供保障。

1 工藝路線與基本參數

1.1 工藝路線

基于原水的季節性指標超標以及突發性水質污染等問題,原水廠改造方案為在原常規處理前增加了預臭氧技術,并增設納濾深度處理段。為確保納濾的穩定運行,納濾膜進水水質要求污染指數(SDI)≤5,因此,選用超濾膜作為納濾膜的預處理工藝。主要工藝路線如圖1所示。

水源水經預臭氧接觸池、絮凝平流沉淀池,去除水中的懸浮物、膠體、大分子有機物后,進入浸沒式超濾池進行預處理,進一步去除水中的渾濁度、“兩蟲”、細菌微生物、病毒及藻類,保證產水SDI＜5等進水水質要求。隨后,超濾產水進入納濾系統進一步去除水中的重金屬離子、痕量溶解性有機物等有毒有害物質。納濾產水進入清水池,經二級泵房增壓后送至用戶。

1.2 納濾系統基本參數

納濾車間共設置8套膜組器,選用某國產品牌低壓納濾膜。每套膜組器對應配備1臺進水泵和1臺保安過濾器,單套膜組器設計凈產水能力為6 250 m3/d,設計總產水能力為5萬m3/d。納濾膜組器采用一級兩段式排布(圖2),一、二段之間設置段間增壓泵,采用恒通量運行模式,運行通量為15.85 L/(m2·h),設計產水回收率為85%。納濾車間設置1套化學清洗系統,每當納濾系統運行3個月或膜比通量下降15%以上時,執行化學清洗程序,使膜元件恢復原始膜比通量。納濾濃水與斜板濃縮池上清液以及納濾膜酸洗中和水混合后,污染物濃度低于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水質標準限值,經雨水管網排入附近河道。納濾系統布置如圖3所示。

圖2 納濾膜組器排布Fig.2 Configuration of NF Membrane Assembly

圖3 納濾系統布置Fig.3 System Layout of NF

2 工程運行效果

2.1 產水水質監測

2.1.1 總有機碳(TOC)

TOC可反映水體受到有機物污染的程度。當產水廠中含有一定量有機物時,會被管網中的細菌等微生物利用,細菌將附著于管網管壁生長,誘發管壁腐蝕、結垢、銹蝕等一系列問題,使龍頭產水渾濁,水質惡化。為了抑制管網微生物的再度繁殖,減少管網的“二次污染”,供水管網中需要保證一定量的余氯[7]。研究[8]表明,溶解性有機物在經過消毒、氧化分解等化學反應后會形成毒性更大的消毒副產物,存在對人體產生“致畸、致癌、致突變”的危害。夏巖[9]的試驗結果表明,在水中余氯存在的條件下,隨著水中TOC濃度的增加,消毒副產物的生成量也隨之增加,因此,給水處理過程中降低TOC濃度有助于減少消毒副產物的產生量。

圖4為原水及納濾系統產水TOC濃度的情況。根據圖4可知,原水中TOC質量濃度為0.96～2.95 mg/L,平均值為2.06 mg/L;納濾產水中TOC質量濃度低于0.60 mg/L,平均值為0.10 mg/L,遠低于目前國內給水處理標準中最嚴限值(上海市地標DB 31/T 191—2018中要求TOC質量濃度≤3 mg/L)。產水中有機物濃度越低,表明加氯消毒時產生消毒副產物的風險越低[4]。

圖4 進水及出水TOC濃度變化Fig.4 Change of TOC Concentration in Inflow and Outflow

2.1.2 鋁離子

本工程混凝階段選用聚合硫酸鋁絮凝劑,會導致水中鋁元素的增加。鋁離子進入人體后,大部分無法隨代謝排出體外,而是殘留在體內,與人體多種蛋白質、酶等重要成分結合,進而導致一系列神經類疾病[10]。江蘇省內控指標也將水廠出廠水中鋁離子的質量濃度限制在0.15 mg/L以下。由圖5可知,經絮凝沉淀后,沉淀池產水中鋁離子的含量相比原水明顯增多,鋁離子質量濃度平均值由進水的0.02 mg/L增加為0.15 mg/L,說明聚合硫酸鋁絮凝劑會導致產水中鋁離子的殘留,使產水中的鋁離子濃度增大。但是經納濾系統處理后,產水中的鋁離子質量濃度＜0.02 mg/L,對鋁元素的去除效果十分顯著。

圖5 進水及出水中鋁濃度變化Fig.5 Change of Aluminum Concentration in Inflow and Outflow

2.1.3 溶解性有機質(DOM)

DOM是一類含有富里酸、腐植酸、芳烴聚合物質等可溶性物質的有機質,廣泛存在于各種天然水體中[11-12]。圖6為2021年3月、5月、8月取到的原水、超濾產水和納濾產水的三維熒光圖,分別記為1、2和3號水樣。由圖6可知,原水中污染物熒光強度的峰值主要分布在溶解性微生物代謝產物(SMP)、蛋白類區域和色氨酸芳香蛋白類區域,還有較多分布在富里酸類區域,少量分布在腐植酸類區域。在水處理中,SMP占產水殘余TOC的絕大部分,也是產水中DOM的主要成分[13-15];研究[16-17]表明,SMP可成為氯化消毒副產物的前驅物。而色氨酸類蛋白質和富里酸等物質,在氯化消毒過程中也極易生成消毒副產物[18-19]。由圖5可知,超濾可一定程度地去除SMP,但對色氨酸類蛋白質、富里酸類物質及腐植酸類物質去除效果不明顯。經納濾處理后,產水中幾乎無以上物質。由此可以看出,納濾膜對色氨酸類蛋白質、微生物代謝產物、腐植酸、富里酸等DOM物質均有顯著的去除作用,可有效保障產水水質。

注:Ⅰ區、Ⅱ區—色氨酸類蛋白質;Ⅲ區—富里酸類物質;Ⅳ區—SMP;Ⅴ區—腐植酸類物質。圖6 不同水樣的三維熒光圖Fig.6 3D Fluorogram of Different Water Samples

2.1.4 TDS和總硬度

飲用水中的TDS和總硬度是評價飲用水口感與質量的重要指標,兩者濃度過高會引起口感不佳,影響人體腸胃功能,并可能會損壞配水設施[20-21]。而過度去除水中TDS和總硬度,會使水中缺少人體必需的微量元素與礦物質。世界衛生組織(WHO)發布的論文集《飲用水中的營養素》中明確提到,不論飲食結構如何豐富,人體始終需要從水中攝取一定比例的礦物元素,長期飲用過濾掉營養成分的飲用水,會造成較大的健康危害。由圖7、圖8可知,納濾產水TDS和總硬度分別為130～185 mg/L和89～126 mg/L,對兩者平均去除率為24.78%和30.64%。這也就意味著,納濾膜可選擇性地保留一部分對人體有益的天然礦物營養,符合健康飲用水的理念。

圖7 進水及出水TDS濃度變化Fig.7 Change of TDS Concentration in Inflow and Outflow

2.2 納濾系統運行穩定性監測及成本核算

2.2.1 納濾系統運行穩定性監測

納濾系統日常運行中,每隔12 h,在線正沖洗1次,每次20 min;每隔3個月,維護性清洗(化學清洗)1次。納濾系統運行期間,在線監測納濾系統的進水通量和運行壓力。圖9為該項目其中一組納濾膜堆,在恒通量[14～15 L/(m2·h)]運行情況下,連續4個月的一段進水壓力變化曲線。由圖9可知,運行初期,進水壓力為0.26 MPa,隨著系統持續運行,進水壓力逐漸增大。運行到第3個月時,進水壓力分別提高至0.38 MPa。經過恢復性清洗后,進水壓力再次降至0.26 MPa,恢復效果明顯,說明維護性清洗可有效去除納濾膜污染。與傳統納濾膜運行壓力相比,該納濾系統的低壓運行優勢明顯(僅為0.2～0.4 MPa),在飲用水深度處理領域具有廣闊的應用前景。

圖9 納濾系統運行結果Fig.9 Operation Results of NF System

2.2.2 納濾系統直接運行成本核算

為維護納濾系統的正常運行,日常需要按要求投加阻垢劑、還原劑、殺菌劑,定期進行化學清洗,化學清洗藥劑為EDTA-4Na、NaOH和檸檬酸。其中,阻垢劑為連續投加,加藥量通過記錄加藥泵電磁流量計的累積流量核算;還原劑根據超濾產水的氧化還原電位值(ORP值)的變化情況自動投加,加藥量通過記錄某階段加藥泵電磁流量計的累積流量核算;殺菌劑為間歇沖擊性投加,每周投加一次,投加量通過藥劑調配方案核算;清洗藥劑為周期性清洗時投加,加藥量根據清洗周期與藥劑調配方案核算。另外,納濾系統的設備用電量通過記錄納濾車間總電表的讀數來獲得。

如表1所示,經核算,納濾系統藥劑費為0.079元/m3,電費為0.157元/m3,直接運行成本總計為0.236元/m3。

表1 納濾系統成本核算Tab.1 Cost Accounting of Nanofiltration System

3 結論與展望

本研究水廠深度處理工程通過采用納濾膜處理工藝,對長江原水進行深度處理。經過一段時間的運行,得出以下結論。

(1)納濾膜對水中有機物去除效果顯著,其產水TOC平均值僅為0.10 mg/L,遠低于目前國內飲用水處理標準中的最嚴限制,對色氨酸類蛋白質、微生物代謝產物、腐植酸、富里酸等DOM物質均有顯著的去除作用;對鋁離子等重金屬離子的去除效果明顯,在投加鋁離子絮凝劑的前提下,產水仍能滿足江蘇省內控指標;對TDS和總硬度平均去除率為24.78%和30.64%,脫鹽適度。

(2)納濾膜系統以恒通量模式運行,產水回收率為85%。連續4個多月的監測結果顯示,納濾膜系統通量處于14～15 L/(m2·h),運行壓力在3個月內由0.26 MPa緩慢上升至0.38 MPa。經化學清洗(清洗周期3個月)后,壓力可有效恢復。

(3)在本階段核算周期內,納濾系統噸水藥劑費為0.079元/m3,噸水電費0.157元/m3,噸水直接運行成本總計0.236 元/m3。

該水廠項目的實施,與當下人們安全健康的飲水需求相吻合。用戶終端“龍頭”供水的飲用水品質提高,大幅降低民眾對“桶裝水”“瓶裝水”等高價水的依賴,從而減少了民眾在飲水方面的開支,生活成本顯著降低。目前,我國納濾膜處理技術在飲用水處理領域的應用尚處于起步階段,還有許多方面存在問題,如預處理投加絮凝劑后的鋁離子殘留帶來的納濾膜污染問題、如何提升納濾膜的抗污染性能、納濾膜系統投資成本較高等。因此,改進預處理技術、持續優化高性能膜材料和膜系統運行參數、探索成本更低的制膜工藝等,就有了重大現實意義。隨著納濾膜技術與產品的不斷發展、完善,未來納濾膜技術在制備優質健康的飲用水方面將有廣闊的應用前景。