自來水處理中的不同濾膜技術(shù)對應(yīng)用效果的影響評價

中圖分類號：TQ028.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0098-04

Evaluation of the influence of different filter membrane technologies on the application effect in tap water treatment

LIU Yazhai （Tianjin YongquanWaterCo.，Ltd.，Tianjin3O1700，China）

Abstract：This paper discusses the application of diferent membrane technologies such as ultrafiltration（UF）， nanofiltration（NF）and reverse osmosis（RO）in waterworks，including particulate mater and microbial barrier，deep removal of dissolved organic matterand polutants，regulation of hardness and salinity，and improvement of water quality adaptability.Then，based on actualcases，the value ofdiferent membrane technologies inensuring drinking water safety，reducing disinfection by-products，optimizing operation management and sustainable economic development is analyzed.It is concluded that with the scientific progressof membrane materials，process optimization and continuous reduction oflarge-scaleapplication costs，new membrane technology willbecomethe key filtration technology for high-quality tap water production in the future.

Key words：waterworks;membrane technology;ultrafiltration; nanofiltration;reverse osmosis

水是生命之源，安全的飲用水供應(yīng)是保障公眾健康、維系社會正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。而隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速，水源污染成為日益復(fù)雜和突出的問題。傳統(tǒng)的飲用水處理工藝（混凝-沉淀-過濾-消毒）在面對微污染水源水、嗅味物質(zhì)、農(nóng)藥殘留、內(nèi)分泌干擾物、病原微生物（如隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲）以及消毒副產(chǎn)物前體物時，其處理效能還有待進(jìn)一步提高。在此背景下，膜分離技術(shù)憑借其物理篩分、選擇性分離的獨特機(jī)制，以其高效去除污染物、占地面積小、自動化程度高、出水水質(zhì)穩(wěn)定且優(yōu)良等優(yōu)勢，迅速成為自來水處理領(lǐng)域升級換代的核心技術(shù)方向2。特別是近10年來，超濾、納濾等新型膜技術(shù)及其集成工藝的成熟與成本下降，使其在市政自來水廠的大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實。

本文旨在深人探討新型膜技術(shù)在現(xiàn)代化自來水廠中的應(yīng)用現(xiàn)狀、核心工藝原理、具體實施案例及其產(chǎn)生的多維度效益，并分析當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢，從而為水處理行業(yè)的技術(shù)革新和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1自來水處理主流濾膜分離技術(shù)特性優(yōu)勢

膜分離技術(shù)是利用具有特定孔徑或選擇性分離功能的薄膜，在外界能量（如壓力差、濃度差、電位差）作用下，對水中不同組分進(jìn)行分離、純化、濃縮的過程4。在自來水處理領(lǐng)域，目前應(yīng)用的新型膜技術(shù)主要有微濾（N IF：0.1～10μm 超濾（UF： 1～100nm ）納濾 （NF;1nm） 、反滲透 ROlt;1nm 等[5]，其中的一些膜技術(shù)比傳統(tǒng)水處理工藝成本更低。

微濾（MF）是一種多孔均質(zhì)膜，屬于精密過濾技術(shù)，主要依靠物理篩分機(jī)制對不同體積的物質(zhì)進(jìn)行分離。在水處理領(lǐng)域，通過微濾技術(shù)能去除水中的泥沙、懸浮物、膠體以及微生物等雜質(zhì)，其顯著優(yōu)點是分離效率高。目前應(yīng)用的微濾膜材料主要分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類8，然而無論何種材料的微濾膜都需要頻繁進(jìn)行清洗，以免出現(xiàn)堵塞情況，導(dǎo)致運行難度、能耗和維護(hù)成本提高。

超濾（UF技術(shù)的核心驅(qū)動力為壓力差（常見壓力范圍 0.1～0.5MPa ，膜孔徑范圍在 0.01～0.1μm 其分離機(jī)理主要為篩分作用，能高效截留水中絕大部分懸浮顆粒、膠體、大分子有機(jī)物（如腐殖酸）、細(xì)菌一 gt;99.99% ）、病毒（部分，取決于膜孔徑和病毒大小）以及原生動物（如隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲）。出水濁度通常低于O.1NTU，SDI15值低，顯著優(yōu)于砂濾出水，為后續(xù)工藝（如消毒）提供優(yōu)質(zhì)進(jìn)水。超濾對溶解性小分子有機(jī)物和無機(jī)鹽基本無去除效果，因此常用于反滲透預(yù)處理工藝或者與其他工藝組合使用[1]。

納濾（NF）技術(shù)屬于膜技術(shù)的新興領(lǐng)域，其核心驅(qū)動力為壓力差（通常 0.5～1.5MPa ）。膜孔徑約為0.001～0.01μm （或通過分子量截留范圍，約200～1000Da ）。其分離機(jī)理結(jié)合了篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)（道南效應(yīng)） 膜通常帶有負(fù)電荷，能有效去除二價及多價離子（如 Ca²⁺，Mg²⁺，SO₄^2-? 大分子有機(jī)物、殺蟲劑、部分抗生素、大部分病毒，以及導(dǎo)致硬度和消毒副產(chǎn)物（DBPs）生成的主要前體物（腐殖酸、富里酸）。對單價離子 （Na⁺，Cl^-，K⁺） 的去除率相對較低（約20%～80% ，取決于膜特性和離子種類）[]。綜上，納濾是實現(xiàn)水質(zhì)深度凈化、軟化、控制DBPs的關(guān)鍵技術(shù)[12]。

反滲透（RO）核心驅(qū)動力為高壓（通常 1～10MPa， 。其分離機(jī)理是溶解擴(kuò)散模型，幾乎能去除水中所有溶解性鹽分 （gt;99% ）、離子、有機(jī)物（分子量 gt;100Da ）、微生物、膠體等[13]。RO產(chǎn)水接近純水標(biāo)準(zhǔn)，TDS極低。在自來水廠主要用于特殊需求（如制備高品質(zhì)工業(yè)用水、應(yīng)對高鹽度苦咸水源、生產(chǎn)瓶裝水基液）。反滲透（RO）的優(yōu)點是設(shè)計和操作簡單，凈化效率高、建造周期短等[4，但是該技術(shù)脫鹽率高、能耗大、產(chǎn)水率相對較低且需處理濃水。因此，反滲透（RO）目前主要應(yīng)用于制備太空水、純凈水等，在常規(guī)市政供水大規(guī)模應(yīng)用較少，常與納濾組合應(yīng)用[15]。

2不同濾膜技術(shù)在自來水處理中的應(yīng)用效果

微濾膜技術(shù)自十九世紀(jì)開始研究，是膜分離技術(shù)中最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的類型。本文以超濾（UF納濾（NF以及反滲透（RO）等相對新型的技術(shù)為主要研究對象，通過具體案例進(jìn)行研究分析。

2.1超濾（UF）技術(shù)的過濾效果

超濾（UF在自來水廠的應(yīng)用主要是替代傳統(tǒng)過濾工藝。對于濁度持續(xù)低于5NTU、有機(jī)物濃度（以TOC計 lt;3mg/L 的優(yōu)質(zhì)水源，超濾技術(shù)進(jìn)行直接過濾的模式因其高效簡潔被廣泛采用。該模式下，原水經(jīng)微絮凝（混凝劑投加量僅需傳統(tǒng)工藝的 30%～50% ）預(yù)處理后，直接進(jìn)入超濾膜系統(tǒng)。

在浙江寧波A水廠，其采用浸沒式超濾膜技術(shù)，設(shè)計規(guī)模達(dá) 2×10⁵m³/d ，直接處理白溪水庫水源。運行數(shù)據(jù)表明（如表1所示），系統(tǒng)出水濁度穩(wěn)定保持在0.03～0.08NTU，遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)限值（1NTU），微生物截留率 ：gt;6-log （即 99.9999% ），隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲包囊均未檢出。

表1A水廠超濾系統(tǒng)關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)（年均值） Tab.1Keyoperationdataoftheultrafiltrationsystem inAwaterworks（annualaverage）

而對于中高濁度（ Φ_gt;10NTU 或有機(jī)物波動較大的水源，“混凝/沉淀/澄清 + 超濾\"組合工藝則成為更可靠的選擇。此模式下，傳統(tǒng)工藝單元先行去除 80% 以上的懸浮物和膠體，顯著減輕超濾膜污染負(fù)荷。

2.2 納濾（NF技術(shù)的過濾效果

納濾技術(shù)在飲用水深度處理領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用，常以“傳統(tǒng)工藝 + 納濾”或“超濾 + 納濾雙膜法\"模式應(yīng)用。“傳統(tǒng)工藝 + 納濾”模式主要針對已具備常規(guī)處理（混凝-沉淀-砂濾）或超濾預(yù)處理的水廠升級項目。在此配置下，納濾單元憑借其納米級孔徑（約1nm 和表面電荷效應(yīng)（道南效應(yīng)），可高效截留分子量 200～1000Da 的溶解性污染物。

張家港市B水廠的擴(kuò)建一期項目采用了“超濾 + 納濾雙膜法\"模式，規(guī)模達(dá)到了 2×10⁵m³/d 該水廠的實踐顯示（如表2所示），納濾工藝對長江水源中的溶解性天然有機(jī)物（NOM，以UV254表征去除率 585% ）、微量農(nóng)藥（如阿特拉津去除率 gt;95% ）致臭物質(zhì)（2-MIB去除率 98% ）及藻毒素等實現(xiàn)深度凈化，出水色度穩(wěn)定 ：lt;5 度（鉑鈷標(biāo)度）。

表2張家港B水廠納濾系統(tǒng)關(guān)鍵污染物去除效能 Tab.2Keypollutantremoval efficiency ofthe nanofiltrationsysteminZhangjiagangBwaterworks

2.3 組合過濾工藝的過濾效果

為應(yīng)對日益復(fù)雜的水源挑戰(zhàn)，在自來水廠的實際應(yīng)用中往往需要綜合應(yīng)用各種新型膜技術(shù)，通過協(xié)同效應(yīng)發(fā)揮其精準(zhǔn)分離特性與模塊化優(yōu)勢，以此保障供水韌性。

以福州C水廠為例，近年來為了解決當(dāng)?shù)厮|(zhì)受閩江下游咸潮入侵影響的問題，該水廠進(jìn)行工藝升級改造，設(shè)計產(chǎn)水規(guī)模為 1×10⁵m³/d ，原水設(shè)計值氯化鈉 1 500mg/L，TDS 3750mg/L， 產(chǎn)水水質(zhì)要求氯化鈉 ?150mg/L.TDS?1000mg/L. 氯化鈉去除率 90% 以上，水資源利用率要達(dá)到 90% 。經(jīng)過工藝對比，該水廠采用“超濾 + 納濾 + 濃水反滲透”的全膜法工藝，即預(yù)處理環(huán)節(jié)以超濾去除水中微小顆粒及膠體物質(zhì)，深度處理環(huán)節(jié)則采用納濾 + 濃水反滲透。

在C水廠的全膜法工藝中，超濾單元可高效截留藻細(xì)胞及大分子胞外有機(jī)物（EOM），減輕后續(xù)工藝負(fù)荷；納濾/反滲透單元則通過納米級篩分深度去除溶解性藻毒素（如微囊藻毒素-LR）及小分子嗅味物質(zhì)（土臭素等），其中納濾單元對溶解性鹽具有較好截留效果，對于氯化鈉及氯化鈣的脫除率最高能達(dá)到 90% 以上，而對于硫酸鎂及硫酸鈉能達(dá)到 98% 。

針對農(nóng)業(yè)面源與工業(yè)微污染水源，納濾與反滲透展現(xiàn)強(qiáng)大污染物靶向去除能力。納濾膜對二價離子（硝酸鹽去除率 70%～85% ）及分子量 D200Da 的農(nóng)藥（如毒死蜱 590% ）高效截留；反滲透膜近乎完全去除重金屬（砷、鉛 gt;99% ）單價離子（氟化物 598% 及抗生素。

3不同濾膜技術(shù)與工藝及不同效益的綜合評價

本文的效益分析主要針對前文所述的三種應(yīng)用場景及案例，從水質(zhì)與健康效益、經(jīng)濟(jì)效益，以及運行管理效益等多個視角展開探討，從而得出綜合性評價。

3.1 超濾（UF的應(yīng)用效益

首先，在水質(zhì)與健康效益層面，超濾技術(shù)通過物理篩分機(jī)制構(gòu)筑了多重保障屏障：

對于微生物，超濾（UF）的 0.01～0.1μm 精確孔徑可100% 截留細(xì)菌 （gt;0.5μm） 及原生動物包囊 2～15μm） ，顯著降低介水傳染病風(fēng)險；

對于出水濁度，超濾（UF穩(wěn)定 lt;0.1 NTU（傳統(tǒng)砂濾為 0.1～0.3NTU ，為后續(xù)消毒工藝創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)條件；

對于顆粒態(tài)有機(jī)物（POM），超濾（UF的去除率達(dá) 70% 以上，直接降低三鹵甲烷（THMs）生成潛能。以表1所示的寧波市江東水廠實踐結(jié)果可知，通過應(yīng)用超濾（UF）技術(shù)可以使氯投加量減少 25%～30% ，THMs濃度下降至 28μg/L （低于國標(biāo) 60μg/L 限值）。

其次，在經(jīng)濟(jì)效益方面，超濾膜壽命達(dá) 6～8a ，每立方米水運行成本約 0.25～0.30 元（含能耗、清洗及膜更換），自來水廠的經(jīng)濟(jì)性得到了較大優(yōu)化。

最后，運行管理方面自前已經(jīng)實現(xiàn)了智慧化運維，通過在線壓力衰減測試（PDT）實時監(jiān)測膜完整性，從而有效保障超濾屏障的可靠性。

3.2 納濾（NF的應(yīng)用效益

由表2可知，張家港市B水廠納濾系統(tǒng)實踐效果可知，對于高有機(jī)物或高SDI（污染指數(shù)）水源，“超濾 + 納濾雙膜法\"模式通過協(xié)同效應(yīng)顯著提升系統(tǒng)可靠性。超濾作為前置屏障，可去除 599.9% 的懸浮物和膠體，將納濾進(jìn)水SDI15穩(wěn)定控制在 lt;3 （遠(yuǎn)低于NF膜要求的lt;5），使納濾膜化學(xué)清洗周期延長 40% 以上。張家港項目采用此模式，超濾系統(tǒng)將進(jìn)水濁度從1.5NTU降至 lt;0.1NTU 。

通過去除致色腐殖酸（分子量 300～500Da， 和土臭素（Geosmin）等嗅味物質(zhì)，出水色度趨近無色（ lt;5 PCU），徹底消除土霉異味；納濾膜對消毒副產(chǎn)物前體物（如腐殖酸、富里酸）截留率達(dá) 90% 以上，張家港水廠實測三鹵甲烷（THMs）濃度從改造前 68μg/L 降至 22μg/L ；對內(nèi)分泌干擾物（雙酚A去除率 gt;98% ）、抗生素（磺胺類 gt;90% ）等微量有機(jī)物高效截留，保障長期飲水安全。

而經(jīng)濟(jì)效益方面，雖然納濾（NF）每立方米水處理成本增加約0.35元（含膜更換與能耗），但與此同時藥劑成本下降 30% ，因此成本在可控范圍內(nèi)。

運維管理方面，應(yīng)用納濾系統(tǒng)后抗水源水質(zhì)波動能力顯著增強(qiáng)，能夠在藻類暴發(fā)期保持穩(wěn)定出水水質(zhì)。

3.3 組合工藝應(yīng)用效益

根據(jù)前文C水廠全膜法工藝應(yīng)用情況，面對咸潮入侵等復(fù)雜水質(zhì)場景，組合工藝應(yīng)對氯化物、農(nóng)藥、重金屬等差異化污染物達(dá)到了顯著的效果，通過超濾去除微小顆粒及膠體物質(zhì)，納濾技術(shù)進(jìn)一步將溶解性鹽脫除率控制在 90% 以上，而滲透膜的重金屬脫除率更是高達(dá) 99% 。

經(jīng)濟(jì)效益方面，由于其模塊化設(shè)備的特點，可以實現(xiàn)短時間內(nèi)快速供水。相對傳統(tǒng)工藝長達(dá)數(shù)月的改造施工周期，不僅能夠解決突發(fā)事件的應(yīng)急處理問題，更是節(jié)約了大量的成本。因此，雖然組合工藝部署成本較高，但仍然具有經(jīng)濟(jì)價值。

運維管理方面，即使面對閩江下游流域每年十月之后頻發(fā)咸潮入侵的這種極端工況，膜組合工藝出水仍達(dá)標(biāo)，展現(xiàn)了其卓越的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

綜上，新型膜技術(shù)，特別是超濾與納濾技術(shù)正深刻改變著自來水廠的技術(shù)格局，成為保障飲用水安全與品質(zhì)升級的核心驅(qū)動力。其在構(gòu)筑微生物絕對屏障、深度去除溶解性有機(jī)物、精準(zhǔn)調(diào)控水質(zhì)硬度及提升水源適應(yīng)性等方面展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。實踐表明，該技術(shù)創(chuàng)造多維綜合效益：水質(zhì)健康實現(xiàn)質(zhì)的飛躍；經(jīng)濟(jì)上通過降低藥耗（ 30% 以上）污泥處理成本及優(yōu)化人力實現(xiàn)長期收益；環(huán)境資源層面顯著節(jié)約土地、拓展非傳統(tǒng)水源；運行管理上達(dá)成流程簡化、水質(zhì)穩(wěn)定與智能管控。盡管初期投資較高、膜污染控制及濃縮液處理等挑戰(zhàn)仍存，但隨著膜材料創(chuàng)新、工藝集成優(yōu)化與智能化運維的發(fā)展，瓶頸正被逐步破解。未來，高性能、低能耗、智慧化的膜技術(shù)必將成為構(gòu)建安全、優(yōu)質(zhì)、韌性、低碳飲用水系統(tǒng)的基石，其廣泛應(yīng)用是應(yīng)對水資源危機(jī)、滿足民生健康需求、推動供水行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略必然。

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