公共供水水處理中膜過濾替代傳統過濾的應用與思考

王如華

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

王如華，上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司副總工程師，正高級工程師，享受國務院政府特殊津貼專家，上海市領軍人才。主持完成數十項重大工程的設計、咨詢和技術研發工作，參與2項國家“863”和3項“水專項”重大課題研究。主編國家標準《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)、行業標準《城鎮給水微污染水預處理技術規程》(CJJ/T 229—2015)和《城鎮給水膜處理技術規程》(CJJ/T 251—2017)；主編《給水排水設計手冊(第三冊 城鎮給水)》(第三版)；中國土木工程獲詹天佑創新團隊獎、黑龍江省技術發明一等獎1項、上海科技進步一等和二等獎3項、大禹科技進步一等獎1項、全國和上海市優秀工程咨詢成果和勘察設計獎數十項。

近10年來，水質提升成為我國公共供水事業的重大任務之一，其中先進、可靠和經濟可承受的新興水處理技術的應用，對實現水質提升起到了關鍵的支撐作用。始于20世50年代并在20世80年代才開始在家庭和公共供水系統應用的膜分離技術，目前已被業內廣泛認同為21世紀飲用水處理的新技術。20世紀初我國家庭和商用小型飲用水處理系統開始采用膜分離技術以來，隨著市場需求的不斷增加，其中膜過濾技術的應用得到了快速發展，先后經歷了全進口產品、全進口產品為主與國產產品為輔、國產產品為主與進口產品為輔的應用歷程。在我國公共供水系統中目前已建成的膜過濾項目規模約為800萬m3/d，其中還包括了個別除膜過濾技術外的探索性膜分離技術應用案例，如納濾和低壓納濾技術；在建的膜過濾項目規模約為200萬m3/d，已建和在建的規模約占我國現有城市供水能力的5%。此外，已計劃或規劃將來建設的膜過濾項目規模也接近500萬m3/d。因此，保障供水安全和提供優質飲用水成為我國公共供水的一項持續的重要任務，以及隨著我國膜工業水平的不斷提高，未來膜過濾技術在我國的應用規模仍將有較大的發展空間。

雖然目前我國公共供水系統中膜分離技術的應用已達到了一定的規模，且未來仍將有較大的發展空間，但是，在對各類膜分離技術特征和及其應用場景的認識上，尚存在一些誤區，致使其在一些公共供水系統中的應用不盡合理。比如將膜分離技術中的膜過濾工藝作為一種傳統常規處理工藝基礎上的疊加工藝來應用，甚至作為去除水中溶解性污染物為目標的深度處理工藝來應用。這些做法雖然對水質無負面影響，卻仍無法去除水中溶解性污染物，并造成了一定程度的功能和公共資源的浪費，導致不必要的公共供水成本的增加。因此，有必要從替代傳統飲用水處理工藝的角度出發，根據公共供水的基本要求，結合各類膜分離技術的特征以及膜過濾工藝的技術特點和適用性分析，對膜過濾工藝替代傳統飲用水處理工藝的可行性進行研判。

1 公共供水發展與水處理技術的關系

公共供水的基本任務應包括制訂基于健康結果與公眾可接受性、技術可達性和經濟可承受性的供水水質標準，掌握供水項目安全、穩定、可靠建設與運行的成熟工程技術與管理技術，以及擁有可持續支撐項目建設與運營的資金與水價政策。公共供水的發展歷史表明，水處理技術的持續進步在應對各種涉水健康風險中具有舉足輕重的作用，如化學消毒技術控制致病菌風險、臭氧生物活性炭技術控制長期化學風險，以及膜分離技術控制特定致病微生物(如兩蟲)風險等。同時，對公共供水水平的不斷提高也有著重要影響，如與慢速過濾相比，快速過濾使得在相同土地條件下的水處理能力得以百倍的增加，對擴大公共供水的規模和服務范圍起到了積極的推動作用[1]。

水處理的基本方法是通過一系列的物理、化學和生物過程將水中目標污染物轉移、轉化或轉化結合轉移這3種基本方法。在傳統的飲用水處理技術中，通常這3種方法都會采用。如地表水水源取水設施中圍油欄、攔藻網、格柵與格網就是通過吸附、攔截的方法將水中目標污染物(水草、樹葉、編織物、浮油和水藻)從水中轉移。水廠水處理過程中的混凝、沉淀(澄清)與快速顆粒過濾，則是采用轉化后再進行轉移的方法，即先將水中膠體(包括附著在膠體上的致病微生物)脫穩和凝聚，使其易于沉淀或在過濾介質顆粒表面附著，然后通過沉淀(澄清)與過濾予以去除。同樣，目前被普遍采用的臭氧生物活性炭技術也包含了轉化和轉化結合轉移這2種方法，即通過臭氧的氧化能力把可以氧化成無機物的小分子有機物直接氧化成二氧化碳(礦化)，把大分子有機物分解成易于活性炭吸附的小分子有機物，再通過活性炭中的好氧微生物將吸附在活性炭上的可生化有機物分解成二氧化碳。

膜分離作為現代水處理的新型技術，是通過半透膜對水溶液中不同組分進行選擇性透過(分離)來實現對水的凈化。因此，從水處理的基本方法角度看，膜分離就是采用純粹轉移的方法來實現對水的凈化，即通過選擇合適的膜分離過程去除水中特定的目標污染物。

2 飲用水處理中膜分離技術的應用與發展

膜分離技術始于20世紀50年代，早期主要是用于工業領域的澄清、濃縮、提純、消毒、廢水處理和廢水液回收的膜過濾技術，到20世紀80年代開始逐漸在家庭和小型公共供水系統中得以應用。始于20世紀60年代中期的反滲透技術(包括20世紀80年代中期開發的納濾)也開始在以海水、苦咸水和水質特殊的地下水(高硬度、高色度和有機物)為水源的水處理中得以應用，主要用于除鹽、軟化和脫色。

2.1 飲用水處理中的膜分離類型

按驅動力不同，水處理用的膜分離可分為壓力驅動和電力驅動兩類，用于公共飲用水處理的則主要為壓力驅動膜分離。

按壓力驅動膜分離不同的物理化學過程，膜分離可分為膜過濾和反滲透(含納濾)兩大類。同時，按照其孔徑或截留溶質的大小不同又可分為四小類，如表1所示。

表1 壓力驅動膜分離分類

膜過濾(微濾、超濾)和反滲透(含納濾)對水中目標污染物的去除機理有很大不同。膜過濾的進水是懸浮液或兩相系統，分離的對象是懸浮液中的固相物，包括沉淀物、懸浮物(膠體)和各類微生物(藻類、原生動物、細菌、病毒)等。反滲透(含納濾)的進水則是溶液或單相系統，分離的對象是溶液中的溶質，包括各種陰陽離子和溶解性有機物。

2.2 膜過濾的主要工藝特征

(1)膜過濾影響因素

膜過濾中的微濾和超濾是根據擬去除的目標污染物尺寸來選擇相應截留性能的膜產品，在膜未破損(完整性)的前提下，對目標污染物去除率幾乎達100%，且無論進水水質如何變化均不影響其出水水質。膜過濾水通量由膜進出水的壓力梯度所決定，影響其水通量的主要因素有驅動壓力、水溫和膜污堵。水通量隨驅動壓力的增減而增減。當以20 ℃為標準溫度時，在水溫為1～28 ℃，水溫每增減1 ℃，水通量相應增減2.5%～3%。同樣，膜污堵會降低水通量。因此，要消除水溫和膜污堵對水通量的影響，必須調整驅動壓力。影響膜過濾水回收率的主要因素是進水水質、清洗與維護方式。進水中污染物濃度越高則膜污堵越快，膜污堵越快則膜清洗和維護越頻繁，膜清洗和維護越頻繁則水回收率越低。但是，合理的清洗和維護方式有助于水回收率的提高。

(2)常用的膜過濾形式及驅動方式

目前，最常用的中空纖維微濾、超濾膜按其驅動壓力不同可分為壓力式[2]和浸沒式兩種工藝形式。其中壓力式是通過對膜進水施加壓力來驅動過濾；浸沒式是通過對膜出水施加負壓來驅動過濾。

(3)常用膜的膜結構及過濾精度

微濾和超濾雖然凈水機理相同，且作用相似，但最常用的有機中空纖維微濾膜和超濾膜在膜結構、過濾(截留)精度表征和微生物截留對象上仍有明顯差異。通常微濾膜為對稱膜結構，超濾膜為非對稱膜膜結構。

在過濾(截留)精度上，微濾以篩分尺寸(額定孔徑)表征，篩分尺寸(額定孔徑)通常為0.1～1 μm，也有把上限放大成10 μm的。超濾則既有采用篩分尺寸定義的，也有采用截留分子量(MWCO)來表征。篩分尺寸(額定孔徑)通常為0.01～0.04 μm，在一定條件下超濾膜對某一已知分子量物質的截留率達到90%時為膜的MWCO，并給出該已知分子量物質與篩分尺寸的近似計算公式。如表2所示，美國材料協會的標準推薦采用葡聚糖來測定超濾膜的截留分子量，同時給出了篩分尺寸(額定孔徑)與截留分子量近似計算公式。我國膜工業的國家標準對超濾膜的過濾(截留)精度表征基本采用美國標準，而國家行業標準《飲用水處理用浸沒式中空纖維超濾膜組件及裝置》(CJ/T 530—2018)則推薦采用聚乙二醇(PEG)測定超濾膜MWCO，給出的篩分尺寸(額定孔徑)與MWCO近似計算公式(表2)和常見PEG MWCO與孔徑關系(表3)。在實際應用中，微濾、超濾均以其額定孔徑(篩分尺寸)來表示其過濾(截留)精度。

表2 分子量與篩分尺寸的近似計算公式

表3 常見PEG MWCO與孔徑關系

飲用水處理中目標微生物主要為原生動物(兩蟲)、細菌和病毒，其體型尺寸相差較大，其中原生動物(兩蟲)體型尺寸均超過了1 μm，細菌因形態不同尺寸差異大，大的可超過10 μm，小的可至0.2 μm，病毒的尺寸則在0.02～0.2 μm。因此，按照微濾和超濾截留精度不同，當以原生動物(兩蟲)為目標污染物時，采用具有合適篩分尺寸的微濾，理論上可完全去除。細菌則應根據具體對象既可采用微濾，也可采用超濾。而病毒若要達大于log6的去除率，則應該采用超濾。

由于膜的實際孔徑沿膜厚度方向不是一成不變和筆直的，且孔徑分布也不是完全均勻的，實際應用中有發現少量大于膜額定孔徑的顆粒物未被截留的現象。因此，針對特定致病微生物的去除，僅用膜制造商產品標識的額定孔徑來選擇膜是不安全的。為保障飲用水生物安全，歐美等發達國家的相關技術法規規定，對用于去除特定致病微生物(如兩蟲)的微濾、超濾膜，應通過模型微生物挑戰試驗并獲得信譽認證后，才能進入應用市場。我國目前尚未有類似的技術法規和進行挑戰試驗的認證機構。

2.3 膜過濾技術的應用

相對于傳統快速顆粒過濾出水水質依賴于運行人員應對原水水質變化的經驗，以及控制顆粒過濾之前的混凝沉淀(澄清)工藝穩定運行的能力，膜過濾由于能有界限地篩分顆粒物，可使有明確尺寸的目標顆粒物(包括特定的致病微生物)完全去除(膜未破損時)，出水水質不受進水水質條件影響，運行過程受人為因素影響少，自動操作運行程度高。因此，20世紀80年代在美國、法國等歐美國家的小型公共供水系統中開始應用。但由于設備價格較高，較長一段時間內市場應用規模相對較小。21世紀以來，隨著技術進步、大量成熟產品進入市場和膜產品成本的顯著下降，在任何規模的地表水處理中，膜過濾技術已被認為是能與傳統的顆粒過濾進行競爭的技術。

我國膜過濾在以地表水為水源的公共供水中進行規模化應用始于2010年左右，粗率估計，目前已建或在建的膜過濾系統規模接近1 000萬m3/d。主要用于替代傳統的顆粒過濾和在臭氧生物活性炭工藝后增加保安過濾[3]。例如，山東泰安某12萬m3/d規模水廠中采用浸沒式中空纖維超濾膜工藝作為過濾工藝；杭州某30萬m3/d規模水廠中采用壓力式中空纖維微濾膜工藝作為臭氧生物活性炭后的保安過濾工藝。此外，也有少量用于納濾或反滲透前的預處理。例如，青島某10萬m3/d規模海水淡化廠中采用壓力式中空纖維超濾膜工藝作為反滲透脫鹽工藝前的預處理工藝，預處理規模為27萬m3/d。

已建成項目的運行效果表明，膜過濾作為過濾時，與傳統快速顆粒過濾相比，出水渾濁度和微小顆粒數含量可實現數量級的提升。作為臭氧生物活性炭后的保安工藝時，可有效去除臭氧生物活性炭出水中的極微小顆粒(≤2 μm)，消除臭氧生物活性炭工藝的生物泄漏風險。作為納濾或反滲透的預處理時，可穩定保障進入納濾、反滲透水的淤泥密度指數(SDI)小于3，有效減緩了納濾或反滲透膜的污堵。表4列出了國內其他一些應用案例。

表4 國內部分典型膜過濾工藝應用案例

3 中空纖維微濾、超濾與傳統砂濾比較與分析

3.1 凈水效果比較

傳統的快速砂濾通常只對尺寸>80 μm的顆粒物有直接篩分截留的作用，其他尺寸更小的顆粒物捕獲主要通過與濾床內自上而下的眾多濾料表面數千次的沉淀、貼近吸附和擴散吸附機會來捕獲去除。這也可以解釋尺寸遠小于80 μm的顆粒、原生動物、細菌和病毒在砂濾過程中能夠得到一定去除的現象。但是，混凝不完善或原水水質變化(有機污染、水溫、pH和堿度等)會引起濾前水處理效果不穩定，使進入濾池的部分微小顆粒物脫穩不充分，最終導致濾池出水不穩定。如原水出現季節性污染或水溫低時，通常會出現這種現象，生產運行中習慣上把這種進入濾池的水質差異現象稱為“可過濾性差異”，可過濾性高則濾后水好，低則濾后水差。以上海的長江與黃浦江兩種水源為例，據了解，冬季水溫低時，濾后水渾濁度要穩定達到≤0.1 NTU的內控標準，水質較好的長江水源沉后水渾濁度只要控制在2～3 NTU即可，而有機污染較重的黃浦江水源的沉后水渾濁度則需要控制在1 NTU以下。此外，低溫引起顆粒物在水中的擴散速度降低，減少其被濾料表面擴散吸附捕獲的機會，也會導致濾后水渾濁度升高。有時即使渾濁度沒變化，但出水中無法通過渾濁度反映出來的極微小顆粒數卻會顯著增加。因此，一旦因各種自然或人為因素無法保障沉后水渾濁度小于既定值時，濾后水的渾濁度就難以持續穩定達標。

如前所述，無論水中顆粒物的物理化學性質如何，通過選擇篩分尺寸合適的微濾、超濾膜均可以對水中相應尺寸的目標顆粒物進行幾乎完全攔截，水溫與水質變化不會對膜后水質產生影響，僅對水量和水回收率產生影響，這些影響因素均可在項目設計階段綜合考慮后通過合理的系統配置予以解決。國內外已有應用表明[4]，膜過濾出水渾濁度和菌落總數與傳統的快速砂過濾相比，均可以提高一個數量等級，如出水渾濁度可穩定保持在0.05～0.08 NTU。因此，膜過濾在保障渾濁度穩定和生物安全方面具有非常明顯的優勢。

3.2 工程要素比較

表5為微濾、超濾與傳統砂濾在用地、能耗和運行控制等主要工程要素的比較。

3.3 綜合分析

由上述凈水效果比較和表5可知，從凈水效果看，膜過濾的出水水質較傳統過濾更優，且出水水質不受進水水質波動的影響，能穩定地保持優異的出水水質。其具有的對水中顆粒物進行明確尺寸篩除的能力，可實現對特定致病微生物的高效去除，大大提高了飲用水的衛生安全。

表5 微濾、超濾與傳統砂濾主要工程要素比較

從工程建設效益看，雖然其單位水量造價是傳統砂濾的2～3倍，但過濾設施單位面積可處理水量卻是傳統砂濾的1.5～4倍，用地成本上的優勢完全可以抵消造價上的劣勢。從水回收率(產水率)看，采用二級膜過濾已可以與傳統砂濾持平。

從工程運行成本看，采用浸沒式虹吸負壓出水的膜過濾的過水能耗已與傳統砂濾基本相當。即使采用浸沒式泵吸負壓出水或壓力式膜過濾，與傳統砂濾相比，增加的單位水量過水能耗也非常有限。

主要增加的成本是膜元件的定期更換和日常有限的化學清洗藥劑的消耗。雖然傳統砂濾所用的石英砂(海砂)單位水量造價遠低于膜元件，但是石英砂是一種不可再生的天然資源，會越來越稀缺，近10年來的成本正逐年提高，且這種趨勢是不可逆的。國內部分地區甚至有采用對過濾水質產生不利影響的礦砂或河沙替代石英砂的做法。此外，為在原水水質變化時保持濾池進水水質穩定，傳統砂濾之前的混凝沉淀(澄清)處理的日常藥劑消耗會明顯高于膜過濾之前的混凝沉淀(澄清)處理，許多運行經驗表明，冬季低溫時混凝劑的消耗通常是夏季的2～3倍，膜過濾則不需要，甚至在前序混凝沉淀(澄清)進行超負荷運行而出水水質下降時，仍不會對膜過濾出水水質帶來影響。國外有應用經驗顯示，對于原水常年保持總有機碳(TOC)小于2 mg/L水平的水庫水(無藻華風險)或受地表影響的地下水，膜過濾之前甚至不需要進行混凝沉淀(澄清)處理[5]。

從運行控制難度看，膜過濾出水水質因不受進水水質變化的影響，需要人為干預的因素少。傳統過濾則需要根據進水水質變化，對過濾之前混凝沉淀(澄清)和自身運行進行人為干預，如調整混凝劑投加比例、更換混凝劑、增加助凝助濾措施、調整濾池過濾周期等。因此，在相同自動化程度條件下，膜過濾自動化運行程度更高，更方便管理。

綜上，從提高水質、保持水質穩定、增加供水能力和方便運行管理角度考慮，膜過濾替代傳統過濾具有很高的可行性，且隨著膜產品標準的更完善和生產技術的更成熟、膜過濾在公共供水領域應用市場的逐步擴大以及膜產品的市場競爭更充分，膜過濾的工程成本將進一步下降，替代傳統過濾的可行性將更高。

4 總結與思考

公共供水水質提高需要水處理技術的不斷發展和提高來支撐，同時也應充分考慮各利益攸關方的經濟承受力。相對于已經超過百年應用歷史的傳統過濾，膜過濾作為20世紀80年代中期才開始在公共供水系統應用的新技術，隨著應用規模的逐步擴大，其對于傳統過濾的優勢已被業內逐漸了解和認可，應用成本和性價比更趨合理。但是，膜過濾處理的對象是水中不溶解的顆粒物(包括微生物)，其僅是替代傳統過濾的新技術，而不能替代處理水中溶解性污染物的傳統深度處理工藝。膜過濾至少在下列場合替代傳統過濾或作為臭氧生物活性炭后的保安過濾具有很高的可行性：(1)原水常年渾濁度維持在10 NTU左右和高錳酸鹽指數小于1 mg/L的新建水廠項目；(2)建設用地緊張的新建和擴建改造水廠項目；(3)既有水廠傳統老舊過濾設施改造項目；(4)既有水廠利用既有混凝沉淀(澄清)或過濾設施進行水質提升和水量增加的改造項目；(5)已實施了臭氧生物活性炭深度處理的既有水廠水質生物安全保障水平提升項目；(6)納濾、反滲透工藝前處理項目。