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Z市是一座黃河水和南水北調(diào)水雙水源供水的城市，兩種水源在水質(zhì)指標(biāo)上存在許多差異，特別是離子（氯離子、硫酸根離子）濃度和總硬度的差別較大。由于Z市現(xiàn)有水廠所采用的常規(guī)處理工藝和臭氧/活性炭深度處理工藝對水中離子及總硬度均無明顯去除效果，采用黃河水為原水的水廠出水相應(yīng)指標(biāo)遠(yuǎn)高于以南水北調(diào)水為原水的水廠出水，兩種出廠水飲用的口感和觀感相差甚遠(yuǎn)，因此，供水企業(yè)經(jīng)常受到用戶的投訴。

作為第三代城市飲用水凈化工藝的膜技術(shù)，特別是超濾-納濾雙膜工藝，對水中離子及總硬度的去除效果顯著，被越來越廣泛地應(yīng)用于市政飲用水處理領(lǐng)域。為此，Z市供水企業(yè)擬對以黃河水為主要水源的D水廠進(jìn)行升級改造，增設(shè)超濾-納濾雙膜處理工藝，專門用于去除黃河水中的離子和總硬度。建成后D水廠將成為第一座使用雙膜工藝處理黃河水的水廠，該水廠生產(chǎn)規(guī)模為20×104m3/d，其中10×104m3/d規(guī)模采用“沉淀+臭氧/活性炭+超濾”工藝，另外10×104m3/d規(guī)模采用“沉淀+超濾+納濾”工藝，兩套系統(tǒng)出水經(jīng)過混合后出廠，達(dá)到同城同質(zhì)的供水目標(biāo)。

為了初步考察雙膜工藝對黃河水的處理效果及能耗情況，并為未來D水廠完成升級改造后的運行和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，Z市供水企業(yè)在以黃河水為原水的H水廠先期建設(shè)了一套超濾納濾雙膜工藝中試系統(tǒng)（處理規(guī)模為6m3/h）。

1、試驗裝置與方法

1.1 中試進(jìn)水水質(zhì)

中試系統(tǒng)位于Z市H水廠，該水廠采用黃河水為原水，現(xiàn)有工藝為“臭氧/活性炭”深度處理工藝（預(yù)臭氧→折板反應(yīng)→平流沉淀→砂濾→后臭氧→炭濾）。中試系統(tǒng)采用H水廠砂濾出水為原水，試驗期間的水質(zhì)指標(biāo)如下：pH為8.02~8.39（平均值為8.18），水溫為3.7~24.9℃（平均值為12.0℃），電導(dǎo)率為584~1103μS/cm（平均值為865.58μS/cm），總硬度為252~306mg/L（平均值為267.81mg/L），硫酸根離子為119.20~175.72mg/L（平均值為137.63mg/L），氯離子為74.90~112.88mg/L（平均值為85.77mg/L），鈣離子為47.40~63.90mg/L（平均值為53.26mg/L），鎂離子為20.20~27.60mg/L（平均值為22.97mg/L）。

1.2 雙膜工藝中試系統(tǒng)

雙膜工藝中試系統(tǒng)以“浸沒式超濾+一級二段式納濾”為主體，工藝流程如圖1所示。

超濾系統(tǒng)采用浸入式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維復(fù)合膜組件，總膜面積為300m2，產(chǎn)水通量為25L/（m2·h），產(chǎn)水率為95%，產(chǎn)水模式設(shè)定為重力過濾，控制方式選擇恒流過濾，每15d進(jìn)行一次維護(hù)性清洗（清洗劑采用次氯酸鈉），每6個月進(jìn)行一次恢復(fù)性清洗（清洗劑采用次氯酸鈉和檸檬酸）。超濾系統(tǒng)主要去除水中的膠體和懸浮物，設(shè)計出水污染密度指數(shù)（SDI）<5，以期為納濾系統(tǒng)提供合格的進(jìn)水。

一級二段式納濾系統(tǒng)采用6支8英寸（1英寸約為2.54cm）的低壓納濾膜元件，納濾膜為架橋芳香族聚酰胺復(fù)合膜，單支膜元件的有效膜面積為37m2，最低脫鹽率為95%，產(chǎn)水通量為27L/（m2·h），回收率為80%，根據(jù)試驗需要選擇相應(yīng)的產(chǎn)水控制方式，每個運行周期進(jìn)行一次酸性清洗（清洗劑采用檸檬酸），每3個月進(jìn)行一次酸性+堿性清洗（清洗劑采用檸檬酸和氫氧化鈉）。

1.3 分析項目及方法

pH：PHSJ-4f雷磁酸度計；電導(dǎo)率：DDB-303A便攜式電導(dǎo)率儀；總硬度：乙二胺四乙酸二鈉滴定法；硫酸根離子、氯離子、鈣離子、鎂離子：賽默飛ICS-1100離子色譜儀；沉積物成分分析：掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜儀（EDX）。

2、結(jié)果與討論

2.1 中試系統(tǒng)處理效果

2.1.1 對電導(dǎo)率的去除效果

雙膜工藝中試系統(tǒng)對電導(dǎo)率的去除效果見圖2。中試時間跨越冬季、春季和夏季，進(jìn)水電導(dǎo)率變化較大，并隨著溫度的升高而升高，整體在584～1103μS/cm之間；經(jīng)超濾系統(tǒng)處理后，出水電導(dǎo)率在576～1102μS/cm之間，平均去除率僅為1.29%；而再經(jīng)納濾系統(tǒng)處理后，出水電導(dǎo)率降為47～130μS/cm，去除率均在87%以上，平均去除率為90.64%?？梢钥闯?，相對于納濾系統(tǒng)，超濾系統(tǒng)對電導(dǎo)率的去除效果可以忽略不計，即雙膜工藝對離子的去除完全依靠納濾系統(tǒng)。

2.1.2 納濾系統(tǒng)存在的濃水排放問題

中試裝置的納濾系統(tǒng)回收率為80%，根據(jù)理論計算，濃水電導(dǎo)率應(yīng)為進(jìn)水的4倍左右，試驗期間濃水電導(dǎo)率最高可達(dá)到4490μS/cm。一般粗略計算時，電導(dǎo)率=2倍的總?cè)芙庑怨腆w（TDS），故此時濃水的TDS約為2245mg/L。根據(jù)《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T31962—2015）的要求，當(dāng)水中的TDS濃度超過2000mg/L時，不允許直接排入城鎮(zhèn)下水道。

D水廠納濾系統(tǒng)回收率設(shè)計值為90%，如果以本試驗周期內(nèi)原水水質(zhì)進(jìn)行理論計算，D水廠納濾系統(tǒng)濃水電導(dǎo)率將高達(dá)11020μS/cm，則濃水TDS約為5510mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB/T31962—2015的限值，水廠濃水排放問題凸顯。

從目前國內(nèi)幾個大型納濾水廠如福州長樂二水廠（10×104m3/d）、張家港第四水廠（10×104m3/d）、太倉第二水廠（5×104m3/d）等已經(jīng)批復(fù)的環(huán)評文件來看，環(huán)保部門批復(fù)均同意將納濾濃水直接排入水體。但是這些水廠都靠近較大水域，可將濃水直接排放，例如福州長樂二水廠的納濾濃水直接排入大海，不會對當(dāng)?shù)厮w環(huán)境造成污染。而對于類似Z市的內(nèi)陸城市，周邊無接收濃水的較大水域，若建設(shè)納濾水廠，濃水排放將是一個亟待解決的問題。

另外，在中試裝置的廢水箱內(nèi)發(fā)現(xiàn)有大量沉淀產(chǎn)生，對沉淀物進(jìn)行SEM和EDX分析，結(jié)果顯示沉淀物主要為碳酸鈣。經(jīng)檢測，廢水箱中的電導(dǎo)率為3680μS/cm，比濃水出口處下降了18%。主要原因是廢水箱中大量水垢析出后，降低了廢水的硬度，說明可以通過去除濃水硬度來達(dá)到降低濃水TDS的效果。據(jù)文獻(xiàn)報道，結(jié)晶造粒流化床系統(tǒng)具有一定的去除TDS能力，而且投加氫氧化鈣相比投加氫氧化鈉更利于降低出水的電導(dǎo)率。

為此，對利用氫氧化鈣降低濃水電導(dǎo)率的設(shè)想進(jìn)行了燒杯試驗驗證。試驗中，納濾系統(tǒng)濃水電導(dǎo)率為2350μS/cm，隨著氫氧化鈣投加量的增加，濃水電導(dǎo)率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，當(dāng)氫氧化鈣投加量為500mg/L時，濃水電導(dǎo)率最低，達(dá)到1640μS/cm，去除率為30.21%，此時濃水TDS≈820mg/L，可滿足GB/T31962—2015的要求。

根據(jù)上述研究，建議在進(jìn)行內(nèi)陸城市的雙膜水處理工藝設(shè)計中，工藝末端宜增設(shè)濃水處理設(shè)備，以滿足環(huán)保要求。根據(jù)文獻(xiàn)報道，采用結(jié)晶造粒流化床作為主要的濃水處理設(shè)備，不失為一種有效的方法，但其處理量尚不足以滿足大型水廠濃水處理的需求，因此，業(yè)界應(yīng)加大濃水處理研究力度，推陳出新，開發(fā)適合市政供水的濃水處理工藝。

2.1.3 對總硬度的去除效果

雙膜工藝對總硬度的去除效果見圖3。

從圖3可以看出，雙膜工藝對總硬度的去除效果顯著。中試系統(tǒng)進(jìn)水的總硬度為252～306mg/L，較南水北調(diào)水高出125mg/L左右，煮沸后可見大量白色漂浮物，感官性狀較差。經(jīng)超濾系統(tǒng)處理后，出水總硬度相比進(jìn)水無明顯變化，平均去除率僅為0.99%；再經(jīng)納濾系統(tǒng)處理后，出水總硬度為6～36mg/L，平均去除率為94.96%。納濾膜運行5個月后表面出現(xiàn)污堵現(xiàn)象，總硬度去除率最低降至86.77%，經(jīng)堿洗+酸洗后，總硬度去除率可提升至92.34%，恢復(fù)了97%的去除效果。

整體來看，超濾系統(tǒng)對總硬度沒有去除能力，而納濾系統(tǒng)可將水中總硬度幾乎完全去除。未來在D水廠的運行中，雙膜工藝出水與水廠常規(guī)處理工藝出水按不低于1∶1的比例混合，混合后出水總硬度可與以南水北調(diào)水為原水的水廠出水保持一致，在總硬度指標(biāo)上達(dá)到同城同質(zhì)供水的要求。

2.2 運行能耗分析

雙膜工藝的能耗主要來源于系統(tǒng)動力設(shè)備，即超濾系統(tǒng)的抽吸泵、反洗泵和鼓風(fēng)機(jī)，納濾系統(tǒng)的增壓泵、高壓泵和化學(xué)清洗泵，以及中試系統(tǒng)的產(chǎn)水提升泵和排水泵等，這些設(shè)備的電耗主要與運行壓力、流量、進(jìn)水溫度、泵效率、泵運行工況、膜污堵程度和管道水頭損失等有關(guān)。本研究重點分析運行壓力、流量和進(jìn)水溫度的影響，其中流量分析中包含泵效率和泵運行工況的影響，進(jìn)水溫度分析中包含膜污堵程度的影響。

由于雙膜工藝的能耗主要來自納濾系統(tǒng)，因此本研究重點對納濾系統(tǒng)進(jìn)行分析，納濾系統(tǒng)的能耗主要來自高壓泵，這是未來水廠中的主要能耗來源，理論上，進(jìn)水溫度越低、運行壓力越高、產(chǎn)水流量（系統(tǒng)產(chǎn)水率相同的條件下）越小，高壓泵的能量輸出就越大。

2.2.1 運行壓力對納濾系統(tǒng)能耗的影響

設(shè)定中試裝置中納濾系統(tǒng)的回收率為83%、膜通量為20L/（m2·h），調(diào)整一段進(jìn)水壓力為660～1010kPa，恒壓運行，記錄不小于24h的系統(tǒng)耗電量和產(chǎn)水量，計算該運行時段內(nèi)納濾系統(tǒng)的平均噸水能耗，納濾系統(tǒng)在冬季（進(jìn)水溫度在10℃以下）的能耗隨運行壓力的變化見圖4?？梢钥闯?，隨著運行壓力的增大，納濾系統(tǒng)的能耗呈階梯式下降趨勢。最不利工況下噸水能耗可達(dá)到1.4kW·h/m3以上，最優(yōu)工況下噸水能耗為0.8kW·h/m3左右。這是因為系統(tǒng)產(chǎn)水量與運行壓力呈正相關(guān)，隨著運行壓力的增大，系統(tǒng)產(chǎn)水量也將增大，雖然壓力升高會使系統(tǒng)高壓泵的能量輸出增加，但是平均到噸水能耗上，還是呈現(xiàn)出一種節(jié)能的狀態(tài)。

2.2.2 流量對能耗的影響

設(shè)定中試裝置中納濾系統(tǒng)的回收率為70%、膜通量為21L/（m2·h），調(diào)整產(chǎn)水流量為3.84～5.34m3/h，恒流運行，記錄不小于24h的系統(tǒng)耗電量和產(chǎn)水量，計算該運行時段內(nèi)納濾系統(tǒng)的平均噸水能耗，納濾系統(tǒng)能耗隨產(chǎn)水流量的變化見圖5?？梢钥闯觯{濾系統(tǒng)能耗隨產(chǎn)水流量的增大而減小，最優(yōu)工況的噸水能耗在0.80kW·h/m3左右，最不利工況的噸水能耗在0.96kW·h/m3左右。

2.2.3  溫度對能耗的影響

選擇冬季和春季的納濾系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，分析進(jìn)水溫度對納濾系統(tǒng)能耗的影響。設(shè)定中試裝置中納濾系統(tǒng)的回收率為74%、膜通量為22L/（m2·h）、一段進(jìn)水壓力為600kPa，恒壓運行，記錄不小于24h的系統(tǒng)耗電量、產(chǎn)水量和該時間段內(nèi)進(jìn)水平均溫度，計算該運行時段內(nèi)納濾系統(tǒng)的平均噸水能耗，進(jìn)水溫度對納濾系統(tǒng)能耗的影響見圖6?？梢钥闯?，納濾系統(tǒng)能耗受進(jìn)水溫度的影響較大，平均噸水能耗維持在0.7809～0.9614kW·h/m3之間，總體變化趨勢是隨著溫度的升高而下降。當(dāng)水溫從8℃升高到19℃時，納濾系統(tǒng)能耗下降18%，這與水的黏度有關(guān)，隨著溫度的升高，水的黏度下降，通過膜孔的能量消耗也有所下降。但是當(dāng)水溫從19℃升高到24℃時，納濾系統(tǒng)能耗增加了4%，這與納濾系統(tǒng)長時間運行中發(fā)生了一定程度的污堵有關(guān)。

2.2.4 多元回歸分析

由于納濾系統(tǒng)能耗的影響因素作用機(jī)理較為復(fù)雜，在中試過程中時常發(fā)生調(diào)整一個自變量，不僅影響因變量，還影響其他自變量的現(xiàn)象，因此擬利用多元回歸分析方法明確運行壓力、流量、進(jìn)水溫度對系統(tǒng)能耗的影響，并找出能反映它們之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以便未來水廠估算納濾系統(tǒng)的噸水能耗。經(jīng)分析，多元回歸方程如下：E=0.5591-0.0985×T+0.0058×P-0.3423×Q+0.0123×T×Q+0.0016×T2+0.0218×Q2，其中，E為每噸產(chǎn)水的耗電量（kW·h/m3），T為進(jìn)水溫度（℃），P為運行壓力（MPa），Q為產(chǎn)水流量（m3/h）。多元回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9438，表明它們之間的關(guān)系為高度相關(guān)；調(diào)整后的復(fù)決定系數(shù)R2為0.8746，說明自變量可以解釋因變量的87.46%，因變量的12.54%要由其他因素來解釋，例如泵效率、泵運行工況、膜污堵程度和管道水頭損失等。總體來說，該回歸方程的回歸效果顯著。

3、結(jié)論

①采用超濾-納濾雙膜工藝中試系統(tǒng)處理黃河水，其中，納濾系統(tǒng)對電導(dǎo)率和總硬度的平均去除率分別為90.64%和94.96%。如果將系統(tǒng)出水與水廠常規(guī)處理工藝出水按不低于1∶1的比例混合，混合后出水總硬度可與以南水北調(diào)水為原水的水廠出水保持一致，在總硬度指標(biāo)上可達(dá)到同城同質(zhì)供水的要求。

②雙膜工藝中納濾系統(tǒng)濃水TDS超過了《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T31962—2015）限值。燒杯試驗發(fā)現(xiàn)，向濃水中投加氫氧化鈣，可將濃水TDS降至GB/T31962—2015的限值以下，無需進(jìn)一步處理，濃水即可直接排入城鎮(zhèn)下水道。

③納濾系統(tǒng)能耗受運行壓力、流量和進(jìn)水溫度的影響較大。通過多元回歸分析，可以用回歸方程反映以上因素對系統(tǒng)能耗的影響，在D水廠的生產(chǎn)實踐中，可以利用該回歸方程合理調(diào)整納濾系統(tǒng)的運行參數(shù)，從而有效降低制水成本。