给水排水 |纳滤应用前景如何？看这篇就够了！
纳滤技术起源于20世纪80年代，最早被称为“疏松的反渗透膜”，是伴随着低压反渗透技术而诞生发展的一种新型膜技术，纳滤兼有超滤和反渗透的优点，因能截留物质的大小约1 nm而得名。纳滤的运行压力介于超滤和反渗透之间，它截留有机物的相对分子质量大约为200~400左右，截留溶解性盐的能力为20%~98%，对单价阴离子盐溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液，如氯化钠及氯化钙的脱除率为20%~80%，而硫酸镁及硫酸钠的脱除率为90%~98%。
纳滤可以脱盐软化、去除砷及氟化物，并对农药、内分泌干扰物和抗生素等微量有机物也有理想的处理效果，同时保留水中对人体有益的矿物元素，在市政给水领域具有广阔的应用前景。20世纪80年代以来，欧美地区建设了大量市政纳滤水厂，其中最有影响力为法国巴黎Mery-sur-Oise水厂，该水厂于1999年建成14万m³/d的纳滤系统，是世界上第一个应用于地表水处理的大型纳滤系统。
随着国内高质量发展的不断推进，公众对饮用水的水质需求日趋提高，部分经济发达地区陆续发布了更加严格地方饮用水水质控制标准，居民对饮用水健康安全问题十分关注。近年来，纳滤在国内市政给水领域的应用得到了迅速发展，太仓、张家港和嘉兴等市政给水纳滤项目的成功落地，开启了纳滤技术在国内市政给水领域大规模应用的一个新时代，以纳滤为核心的组合工艺将逐步应用于市政给水领域。
1 市场应用需求分析
1.1 安全供水的要求
1.1.1 硬度、硫酸盐、氯化物、硝酸盐及氟超标水的处理
盐分是健康饮用水的重要成分，但盐分过高的水不宜饮用，例如内陆地区的苦咸水和沿海地区的海水。此外，饮用水中硬度过高的容易引起结石等病变，硫酸盐过高可引起轻泻、脱水和胃肠道紊乱，氟、砷等有毒、有害离子也容易造成人体内脏器官的病变和损坏。纳滤膜能够有效地去除硬度、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、氟和砷。目前，在国内市政给水领域已建成投产的纳滤系统主要用于脱盐软化。
（1）苦咸地下水处理。苦咸水地区的地下水中总硬度、硫酸盐、氟、重金属等含量一般偏高，以此作为原水的供水厂出厂水水质较难达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。部分地区虽然没有超出生活饮用水卫生标准的规定要求，但饮用水中的硬度（以碳酸钙计）接近国标限值（450mg/L），当地居民反映在烧开后水杯内有白色沉淀，感观较差，洗脸毛巾使用后易变黄、变硬、管网系统结垢严重，一定程度上影响人民生活质量和身体健康。随着人民生活水平的不断提高，安全供水的刚性需求会促使大量的苦咸水地区市政水厂实施水质提标改造。鉴于纳滤技术优良的脱盐效果，该技术己逐渐成为苦咸水脱盐软化的首选，并得到了大规模的工程应用，现有工程案例见表1。
（2）受咸潮影响的地表水处理。对于靠近海洋地表水源，受冬季过程中随着海水倒灌的影响而发生咸潮，原水中氯离子含量超标，常规的净水工艺不能有效解决去除氯离子，导致咸潮期间水厂出厂水水质达不到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006)的相关要求。为了解决地表水源的咸潮问题，相关河流入海口城市建设了大型避咸水库，如上海的青草沙和陈行水库。由于纳滤膜工艺对于氯离子具有较好的去除效果，能有效保障受咸潮影响区域的饮用水水质安全，在某些地区可考虑作为建设避咸水库替代技术方案。
福州市长乐二水厂总设计产水规模为10万m³/d，原水取自闽江，每年十月份以后原水氯化物指标不断升高，最高时段原水氯化物已达1 000mg/L，由于常规自来水处理工艺无法处理水中氯化物，严重影响供水水质。为充分保证城市饮用水品质，长乐二水厂采用了纳滤处理工艺进行了深度处理改造，以降低产水中的氯离子含量及总含盐量，使之达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。长乐二水厂纳滤膜系统设计进水氯离子1 500mg/L，产水水质氯离子要求≤150mg/L，纳滤膜系统已于2018年10月建成并出水。
1.1.2 硬度、硫酸盐、氯化物超标的微污染地表水处理
南四湖作为南水北调东线工程的重要调蓄水库，同时也是将来山东受水区的重要地表水源地，其水质状况对当地居民以及后续其他受水区有着深刻的影响，对净水厂选择处理工艺也影响重大。南四湖水中较高的有机物和溶解性无机盐等问题，容易导致受水区域饮用水水质不稳定的情况。寻找一条经济有效、保证用水安全的解决方法一直是南水北调工程的工作重点之一。纳滤工艺可以有效去除硬度、硫酸盐和氯化物，在南水北调东线山东半岛受水区域具有广阔的应用市场。目前山东半岛区域的潍坊、济宁和东营等采用南水北调东线原水的某些水厂，在工艺方案设计阶段选用了纳滤处理工艺，设施分阶段建设或预留建设条件。
1.2 同城同质的需求
为了提升供水系统的安全保障性能和供水水质，多地实施了优质原水的引水工程。如果优质的外引水规模不能完全满足城市的供水量需求，就会造成同一城市不同的净水厂原水水质有所差别，在相同的净水工艺情况下就会出现同城不同质的供水情况。
某市主供水源为当地水和外引水，两种水源在水质指标上存在许多差异，尤其是水体总硬度差别较大。当地水原水硬度常年处于280~310mg/L之间，而外引水原水硬度在128.1~158.1mg/L之间。并且，两种水源的硫酸盐、氯化物等指标也存在较大差异，如表2所示。
目前某市现有水厂所采用的沉淀+砂滤的常规工艺以及臭氧-生物活性炭深度处理工艺对水中硬度、氯化物、硫酸盐等的去除均无明显效果。因此，以当地水为水源的水厂，其出厂水硬度及溶解性固体等指标远高于采用外引水为水源的水厂。对同一座城市不同地区的民众而言，最终实现自来水的同城同质，是迫切而现实的需求。因此某市水司拟对采用当地水水源的水厂采用纳滤膜工艺进行深度处理改造，主要聚焦硬度、氯化物及硫酸盐等无机盐的去除，使得相关水厂出厂水质对标外引水为水源的水厂，实现同城同质供水的目标。
1.3 高品质供水的追求
随着公众对高品质饮用水的需求日趋提高，居民对饮用水健康安全问题十分关注，原水水质相对较好的部分经济发达地区陆续发布了更加严格地方饮用水水质控制标准，相关水司在满足地方标准的前提下追求更高品质的供水水质，实现供水行业的高质量发展。
纳滤膜可在高效去除水中微量有毒有害有机物和致嗅味物质的同时，保留水中对人体有益的矿物元素(部分Ca2+、Mg2+与一价离子)，实现饮用水从“安全性阶段”进阶到“健康学阶段”的高品质饮用水目标。有研究表明纳滤技术在去除消毒副产物前体物方面具有去除率高、去除效果稳定等优点，同时由于纳滤产水中NOM浓度很低（TOC通常≤0.5mg/L），可减少消毒剂的投加剂量，进一步降低消毒副产物的生成。DIXON等研究了不同的纳滤膜元件对常见饮用水致嗅味物质土臭素和2-甲基异莰醇的去除效果，研究表明致密纳滤膜元件的去除率一般≥95%，疏松性纳滤膜元件去除率≥85%。
张家港现状水厂原水均取自长江，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准，经常规处理工艺处理后出厂水浊度在0.18~0.28 NTU，耗氧量平均为1.30~1.50mg/L，水质满足国家及江苏省的相关水质标准要求。为进一步提升张家港供水水质及安全可靠性，实现更高品质的供水水质，张家港水司在扩建及现状水厂深度处理改造中采用了纳滤工艺。其中张家港第四水厂20万m³/d扩建工程新建10万m³/d的纳滤系统，于2020年7月建成投产。另外，张家港第三水厂20万m³/d深度处理改造工程将建设10万m³/d的纳滤系统，张家港第四水厂现状40万m³/d深度处理改造工程将建设20万m³/d的纳滤系统。
2 工程投资及运行成本分析
纳滤系统具体项目工程投资及运行成本受到项目工程规模、系统商务技术要求和业主运行管理习惯等多种因素影响，本文相关数据仅供参考。
2.1 工程投资
纳滤系统工程投资分为土建投资和设备投资，以去除有机物为目标的某10万m³/d疏松性纳滤系统工程为例，初步设计概算中纳滤膜车间的工程造价一般为：土建2 000万元、设备及安装费用8 000万元，总投资为10 000万元，即1 000元/m³产水。
1 000元/m³产水的吨水投资仅包括纳滤膜系统，不包括纳滤的预处理工艺和浓水处理处置部分。在设备安装费用中，纳滤膜组件330元/m³产水，配套仪表阀门250元/m³产水，电气自控（不包括高压部分）100元/m³产水，配套管道、支架及电缆等70元/m³产水，安装调试50元/m³产水。
对于以去除硬度、硫酸盐、氯化物和硝酸盐为目标的致密性纳滤，纳滤膜组件的投资费约280元/m³产水，其余与疏松性纳滤基本相同，初步设计概算中吨水投资约950元/m³产水。
2.2 运行成本
经调研国内外已建成投产的纳滤水厂，纳滤系统直接运行成本的组成主要包括电耗、药耗、膜组件折旧和其他设备折旧及易耗耗材。以去除有机物为目标的疏松性纳滤与以去除硬度、硫酸盐、氯化物和硝酸盐为目标的致密性纳滤，在运行成本方面具有明显的差别。
2.2.1 疏松性纳滤
疏松性纳滤系统直接运行约0.45元/m³产水，主要组成为：
·电耗：系统耗电量约0.25 kW·h/m³产水，电费按0.7元/kW·h计，则系统电耗运行成本约0.18元/m³产水；
·药耗：疏松性纳滤系统阻垢剂投加量一般为0.2mg/L，折算成本约0.10元/m³产水，其他药耗成本约0.02元/m³产水，总药耗成本约0.12元/m³产水；
·膜组件折旧：本部分膜元件成本计算依据的膜元件价格与工程投资一致，膜元件使用寿命按8年计算，系统运行水量按设计规模计算，则膜元件折旧成本约0.11元/m³产水;
·其他设备折旧及易耗耗材：约0.04元/m³产水。
2.2.2 致密性纳滤
致密性纳滤系统运行成本受纳滤系统的进水水质和目标产水水质的影响较大，一般情况下直接运行约0.95元/m³产水，主要组成为：
·电耗：系统耗电量约0.80 kW·h/m³产水，电费按0.7元/kW·h计，则系统电耗运行成本约0.56元/m³产水；
·药耗：致密性纳滤系统阻垢剂投加量一般为0.4mg/L，折算成本约0.20元/m³产水，其他药耗成本约0.04元/m³产水，总药耗成本约0.24元/m³产水；
·膜组件折旧：本部分膜元件成本计算依据的膜元件价格与工程投资一致，膜元件使用寿命按7年计算，系统运行水量按设计规模计算，则膜元件折旧成本约0.11元/m³产水;
·其他设备折旧及易耗耗材：约0.04元/m³产水。
3 限制性因素分析
纳滤因为优越的处理效果且可保留水中对人体有益的矿物元素，在市政给水领域具有广阔的市场应用前景，但是仍存在一些有待解决的问题仍然限制了市政给水领域纳滤大规模工程化应用。
3.1 纳滤膜元件的无效分离
纳滤膜在饮用水处理应用过程中，去除目标污染物的同时也对一些无需及不希望去除的物质进行了分离，导致了纳滤系统的运行能耗及药耗增加，增加了纳滤系统的运行成本，同时影响了纳滤尾水的处理处置，某些条件下甚至会引起纳滤产水的化学不稳定性。
3.2 纳滤膜预处理系统的复杂性
现状工程上应用的纳滤膜元件基本为卷式复合膜结构，且膜元件采用错流串联的过滤方式，特殊的膜结构形式及运行方式，对于纳滤膜进水的水质提出了严格的要求，导致了纳滤膜预处理系统的复杂性，已建的大量市政给水项目为了应用纳滤膜工艺而增加了超滤膜等预处理系统，增加了工程投资及运行成本。
3.3 纳滤工艺系统与给水行业管理习惯的匹配性
目前国内市政给水领域纳滤的应用往往借鉴于工业领域，一般情况下工业系统纳滤工艺工程规模较小，且属于工业厂房的配套辅助系统，工业领域对于水处理系统布置和生产运行管理的关注点与市政给水领域差别较大，应依据市政给水大规模工程化应用的特点进行全面的系统优化，提升纳滤系统在工艺布置方面的感官效果、降低系统运行能耗和加强水厂生产运行维护便利性。
3.4 纳滤尾水的处理处置
纳滤膜系统在给水处理行业的应用中，伴随着一个不可避免的问题：即随着纳滤过程中高品质产水的不断回收，进水不断被浓缩，而最终形成盐分较高的尾水。部分地区原水中含盐量（TDS）较高，经过纳滤处理后，纳滤尾水的TDS含量不能满足当地的环保排放标准，造成了饮用水水质提升的需求与环保行业排放监管的矛盾。
4 结论与建议
为响应人们对饮用水水质越来越高的期盼，近年来全国各地均在推广深度处理工艺，部分经济发达地区提出了从供“合格水”到供“高品质水”的转变目标，从而对自来水厂出水水质提出了更高的要求，也对传统水处理工艺提出了挑战，人们对于饮用水水质的高标准需求必然要求更为先进的水处理工艺的应用。对于水源水质复杂或供水品质要求较高的地区，建设饮用水大型纳滤工艺水厂对提升人民饮用水安全及生活水平具有重要的战略意义。
目前纳滤在市政给水领域纳滤大规模工程化应用仍然面临着一些有待解决或优化的限制性因素，应当从用户实际需求的角度对纳滤工艺关键技术与设备集成开发进行研究，解决不同工程应用条件的重难点技术问题，相关建议为：
（1）纳滤膜元件研究开发：应依据国内市政给水领域纳滤大规模应用的实际需求，在膜材料开发和膜元件制造上进行创新，研究开发技术经济适用性更强的膜元件；
（2）纳滤膜装置设备集成开发：对纳滤膜装置进行装配化和集约化的设备成套集成开发，提升单套膜架装置的最大处理规模，降低膜装置的建造成本及运行费用，便于工程实施和生产运行管理；
（3）纳滤工艺系统优化研究：对纳滤膜工艺的预处理系统、膜车间重要设计参数以及运行维护关键点等方面进行研究，提升纳滤工艺技术的运行稳定性和经济可行性；
（4）纳滤尾水处理处置研究：建议相关部门联合研究纳滤尾水处理处置相关环保政策要求及排放许可情况，研究制定政策、技术和经济合理的纳滤尾水处理处置路线。
