納濾工藝處理微污染原水的中試

吳玉超，蘭亞瓊，陳呂軍，劉 銳

(1.杭州水務控股集團有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江清華長三角研究院生態環境研究所，浙江嘉興 314006)

隨著城市化和工業化的高速發展，我國南方部分平原地區存在一定程度的水質型缺水。雖然臭氧-活性炭組合深度處理工藝已經陸陸續續在許多水廠得到應用，然后在運營過程中，組合工藝也出現了一些問題，比如對部分微量有機物去除率有限、存在微生物泄露風險等[1]。隨著膜技術的日益成熟，在國內外自來水廠的應用步伐加快，許多大型水廠都在使用超濾作為末端保障[2]，但超濾無法有效去除水中溶解性的有機物，因此針對水源存在一定微污染的地區需要開發適宜的處理技術，保障飲用水的水質安全。納濾膜具有較好的分離性，能有效去除水中的微量有機物，目前已經成為國內外用于去除飲用水微量有機物的研究熱點，本研究將納濾作為水廠常規處理后的深度處理工藝，探討對水質的提升作用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在南方某水廠搭建一套納濾設備，應用常規工藝段混凝沉淀池出水作為進水，前端采用超濾截留水中雜質保護后端納濾系統，后端納濾膜采用了4段并聯運行的模式進行組合，第一段為陶氏NF270，后三段為陶氏NF90，材質均為聚酰胺復合膜，單膜有效面積為37 m2，過濾孔徑為1～2 nm，運行條件：進水壓力為0.30 MPa，產水量為180 L/h，產水率為75 %，每運行30 min正沖洗1 min，沖洗強度為400 L/h。納濾系統流程圖如圖1所示。

注：1-進水泵；2-超濾過濾器；3-提升泵；4-納濾組件圖1 納濾系統流程圖Fig.1 Schematic Diagram of NF System

1.2 試驗水質

試驗所在水廠在當地河網取水，采用生物預處理-混凝沉淀-V型濾池-臭氧活性炭深度處理工藝。中試裝置運行了3個月，原水水質如表1所示，從常規指標可以看出水體受人類活動影響較大，表征有機物含量的TOC、 UV254等指標較高，水中含有一定量的微量有機物。

表1 原水常規水質Tab.1 Conventional Water Quality of Raw Water

分子量分布能直觀反映水體中有機物的分子量大小以及分布狀況。Zhao等[3]調研分析了10個水源地的水質分子量分布狀況，結果表明，天然水體中的有機物主要為1 000 D以上物質，而1 000 D以下物質比例高則說明水體受人類活動影響大。測定水廠不同處理單元出水的分子量分特征，結果表明，原水中的分子量1 000 D以下的有機物占90 %以上，說明水廠原水含有較多的人類活動排放物，微污染較為嚴重；經過水廠現有工藝處理后，出水有機物分子量分布未有明顯變化，說明水廠現有工藝對微量有機物的去除效果有限。

表2 不同單元出水有機物分子量分布特征Tab.2 Characteristics of Effluent Organic Matter Molecular Weight Distribution from Different Treatment Units

1.3 分析項目與方法

氨氮：納氏試劑分光光度法；CODMn：高錳酸鉀法測定；總溶解固體(TDS)：上海三信SX650筆式TDS儀；濁度：哈希DR900便攜式濁度儀； UV254：日本島津UV-2450紫外分光光度計；總有機碳(TOC)：日本島津TOC-L總有機碳分析儀；溶解性有機物的分子量：Agilent 1260 Infinity液相色譜儀，具體測試操作條件參考文獻[3]；AOX：德國耶拿總鹵素分析儀Mutil X 2500，具體測試操作條件參考文獻[4]；16種多環芳烴：日本島津LC-2010 A高效液相色譜儀，具體測試操作條件參考文獻[5]；19種有機氯農藥：日本島津GC-2010 Plus型號氣相色譜儀，具體測試操作條件參考文獻[6]。

2 結果與討論

2.1 納濾膜系統運行情況

納濾膜系統運行過程中的產水量與壓力變化如圖2所示。運行期間，系統產水量整體基本保持穩定，而運行操作壓力略有提高，有效管理與定期清洗能降低膜污染，延長使用壽命。

圖2 納濾產水流量與操作壓力變化Fig.2 Variation of Water Yield Rate and Operating Pressure of NF

2.2 對常規水質指標的去除效果

將不同工藝段出水常規指標進行對比，結果如表3所示。與深度處理工藝相比，納濾出水的溫度、pH未有明顯變化，但對CODMn、TOC與UV254等表征水體有機物的綜合指標有較高的去除率，平均去除率在90%以上。

表3 不同單元原水與出水常規指標Tab.3 Conventional Indexes of Raw Water and Effluent

2.3 對無機離子的去除效果

總溶解固體(TDS)指的是水中溶解性的固體含量，自然水體中溶解性固體主要為無機物，因此一般也把含鹽量稱為TDS。《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中TDS限值為1 000 mg/L。TDS與飲用水的口感直接相關，Whelton 等[7]研究認為，當TDS大于801 mg/L時，口感較差；在451～800 mg/L時，口感一般，在80～450 mg/L時，口感較好；小于80 mg/L時，口感極佳[7]。國內對此也有研究，楊慶娟等[8]研究認為，當TDS<300 mg/L時，口感極好；在301～600 mg/L時，口感較好，在601～900 mg/L時，口感一般；當TDS>901 mg/L時，口感差。可見，國內外對于口感的評價有所差異。此外，TDS中的氯化物等對供水管網和熱水器等家庭用有一定的腐蝕作用，TDS過高會影響其使用壽命。本試驗的納濾系統對TDS的去除效果如圖3所示，納濾總出水TDS穩定在75 mg/L左右，平均去除率約75%。

圖3 納濾進出水TDS變化Fig.3 Variation of TDS of Influent and Effluent

納濾膜表面一般帶負電，主要依靠膜與離子的靜電作用截留水中的陰陽離子，滿足道南效應(Donnan effect)。納濾對不同離子的去除率與電荷強度有關，對二價離子的去除率大于一價離子，如表4、表5所示，出水中各離子濃度均滿足《生活飲用水衛生標準》相關要求。從人體健康角度出發，鈣、鎂離子為人體必需元素，長期飲用低濃度鈣、鎂離子的水可能會引起人體鈣鎂不足，與反滲透工藝相比，納濾膜能保留一定濃度的鈣、鎂離子，對人體健康有利。

表4 納濾進出水陰離子濃度Tab.4 Anion Concentration of Influent and Effluent of NF

注：檢測次數n≥3次，結果取均值

表5 納濾進出水陽離子濃度Tab.5 Cation Concentration of Influent and Effluent of NF

注：檢測次數n≥3次，結果取均值

2.4 對微污染物質的去除效果

以多環芳烴(PAHs)、有機氯農藥(OCPs)及可吸附有機物(AOX)作為代表性的微污染物質，對比分析其在不同工藝條件下的去除情況，如圖4所示。常規工藝與深度處理工藝無法有效去除水中的多環芳烴與有機氯農藥，去除率小于20%。納濾對有機氯農藥的去除率大于90%，對多環芳烴的去除率大于50%，均高于常規工藝與深度處理工藝。納濾對水中有機物主要依靠納米級微孔的分子篩效應進行截留，能有效截留分子量200 D以上有機物，因此，對分子量較大的有機物如有機氯農藥去除效果明顯，而對分子量較小的有機物如多環芳烴去除率相對較低[9]。

AOX(adsorbable organic halogens)用以表征具有“三致”效應的有機鹵化物的污染水平，目前很多國家已經出臺了有關AOX的飲用水標準，但國內尚未有相應標準[10]。本試驗原水中測出較高濃度的AOX，平均濃度為24.0 μg/L，說明原水受到一定程度的有機鹵化物污染，由圖5可知，常規處理工藝對AOX的去除效果有限，而臭氧-生物活性炭深度處理環節中，臭氧會氧化水中的鹵元素，進而與其他有機物反應生成有機鹵化物，導致出水AOX濃度上升。相比之下，納濾對AOX的去除率在90%以上，最終出水平均濃度為2.1 μg/L。

圖4 不同工藝有機氯農藥與多環芳烴去除Fig.4 Removal Efficiency of OCPs and PAHs in Effluent of Different Processes

圖5 不同工藝效果AOX去除效果Fig.5 Removal Efficiency of AOX in Effluent of Different Processes

3 結論

(1)試驗所在水廠原水受到一定程度的微污染，納濾膜能穩定去除水中的常規有機物，對CODMn、TOC與UV254的去除率在90%以上。

(2)納濾對水中的無機離子有較高的去除率，對TDS的去除率達到75%，與反滲透工藝相比，納濾膜能保留一定的鈣、鎂離子，符合人體健康需求。

(3)納濾依靠納米級微孔的分子篩效應截留水中微污染有機物，對有機氯農藥與AOX的去除率在90%以上，由于多環芳烴的分子量較小，去除率為50%。