Z市是一座黃河水和南水北調水雙水源供水的城市，兩種水源在水質指標上存在許多差異，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市現有水廠所采用的常規處理工藝和臭氧/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指標遠高于以南水北調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，因此，供水企業經常受到用戶的投訴。
作為第三代城市飲用水凈化工藝的膜技術，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，被越來越廣泛地應用于市政飲用水處理領域。為此，Z市供水企業擬對以黃河水為主要水源的D水廠進行升級改造，增設超濾-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，該水廠生產規模為20×104m³/d，其中10×104m³/d規模采用“沉淀+臭氧/活性炭+超濾”工藝，另外10×104m³/d規模采用“沉淀+超濾+納濾”工藝，兩套系統出水經過混合后出廠，達到同城同質的供水目標。
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數據和技術支撐，Z市供水企業在以黃河水為原水的H水廠先期建設了一套超濾納濾雙膜工藝中試系統（處理規模為6m3/h）。
1、試驗裝置與方法
1.1 中試進水水質
中試系統位于Z市H水廠，該水廠采用黃河水為原水，現有工藝為“臭氧/活性炭”深度處理工藝（預臭氧→折板反應→平流沉淀→砂濾→后臭氧→炭濾）。中試系統采用H水廠砂濾出水為原水，試驗期間的水質指標如下：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
雙膜工藝中試系統以“浸沒式超濾+一級二段式納濾”為主體，工藝流程如圖1所示。
超濾系統采用浸入式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維復合膜組件，總膜面積為300m2，產水通量為25L/（m²·h），產水率為95%，產水模式設定為重力過濾，控制方式選擇恒流過濾，每15d進行一次維護性清洗（清洗劑采用次氯酸鈉），每6個月進行一次恢復性清洗（清洗劑采用次氯酸鈉和檸檬酸）。超濾系統主要去除水中的膠體和懸浮物，設計出水污染密度指數（SDI）<5，以期為納濾系統提供合格的進水。
一級二段式納濾系統采用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合膜，單支膜元件的有效膜面積為37m2，最低脫鹽率為95%，產水通量為27L/（m²·h），回收率為80%，根據試驗需要選擇相應的產水控制方式，每個運行周期進行一次酸性清洗（清洗劑采用檸檬酸），每3個月進行一次酸性+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；電導率：DDB-303A便攜式電導率儀；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、結果與討論
2.1 中試系統處理效果
2.1.1 對電導率的去除效果
雙膜工藝中試系統對電導率的去除效果見圖2。中試時間跨越冬季、春季和夏季，進水電導率變化較大，并隨著溫度的升高而升高，整體在584～1103μS/cm之間；經超濾系統處理后，出水電導率在576～1102μS/cm之間，平均去除率僅為1.29%；而再經納濾系統處理后，出水電導率降為47～130μS/cm，去除率均在87%以上，平均去除率為90.64%。可以看出，相對于納濾系統，超濾系統對電導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。
2.1.2 納濾系統存在的濃水排放問題
中試裝置的納濾系統回收率為80%，根據理論計算，濃水電導率應為進水的4倍左右，試驗期間濃水電導率最高可達到4490μS/cm。一般粗略計算時，電導率=2倍的總溶解性固體（TDS），故此時濃水的TDS約為2245mg/L。根據《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T31962—2015）的要求，當水中的TDS濃度超過2000mg/L時，不允許直接排入城鎮下水道。
D水廠納濾系統回收率設計值為90%，如果以本試驗周期內原水水質進行理論計算，D水廠納濾系統濃水電導率將高達11020μS/cm，則濃水TDS約為5510mg/L，遠遠超過GB/T31962—2015的限值，水廠濃水排放問題凸顯。
從目前國內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）等已經批復的環評文件來看，環保部門批復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，不會對當地水體環境造成污染。而對于類似Z市的內陸城市，周邊無接收濃水的較大水域，若建設納濾水廠，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發現有大量沉淀產生，對沉淀物進行SEM和EDX分析，結果顯示沉淀物主要為碳酸鈣。經檢測，廢水箱中的電導率為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到降低濃水TDS的效果。據文獻報道，結晶造粒流化床系統具有一定的去除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率。
為此，對利用氫氧化鈣降低濃水電導率的設想進行了燒杯試驗驗證。試驗中，納濾系統濃水電導率為2350μS/cm，隨著氫氧化鈣投加量的增加，濃水電導率呈現先下降后升高的趨勢，當氫氧化鈣投加量為500mg/L時，濃水電導率最低，達到1640μS/cm，去除率為30.21%，此時濃水TDS≈820mg/L，可滿足GB/T31962—2015的要求。
根據上述研究，建議在進行內陸城市的雙膜水處理工藝設計中，工藝末端宜增設濃水處理設備，以滿足環保要求。根據文獻報道，采用結晶造粒流化床作為主要的濃水處理設備，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，業界應加大濃水處理研究力度，推陳出新，開發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。中試系統進水的總硬度為252～306mg/L，較南水北調水高出125mg/L左右，煮沸后可見大量白色漂浮物，感官性狀較差。經超濾系統處理后，出水總硬度相比進水無明顯變化，平均去除率僅為0.99%；再經納濾系統處理后，出水總硬度為6～36mg/L，平均去除率為94.96%。納濾膜運行5個月后表面出現污堵現象，總硬度去除率最低降至86.77%，經堿洗+酸洗后，總硬度去除率可提升至92.34%，恢復了97%的去除效果。
整體來看，超濾系統對總硬度沒有去除能力，而納濾系統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水為原水的水廠出水保持一致，在總硬度指標上達到同城同質供水的要求。
2.2 運行能耗分析
雙膜工藝的能耗主要來源于系統動力設備，即超濾系統的抽吸泵、反洗泵和鼓風機，納濾系統的增壓泵、高壓泵和化學清洗泵，以及中試系統的產水提升泵和排水泵等，這些設備的電耗主要與運行壓力、流量、進水溫度、泵效率、泵運行工況、膜污堵程度和管道水頭損失等有關。本研究重點分析運行壓力、流量和進水溫度的影響，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，因此本研究重點對納濾系統進行分析，納濾系統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，進水溫度越低、運行壓力越高、產水流量（系統產水率相同的條件下）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能耗的影響
設定中試裝置中納濾系統的回收率為83%、膜通量為20L/（m²·h），調整一段進水壓力為660～1010kPa，恒壓運行，記錄不小于24h的系統耗電量和產水量，計算該運行時段內納濾系統的平均噸水能耗，納濾系統在冬季（進水溫度在10℃以下）的能耗隨運行壓力的變化見圖4。可以看出，隨著運行壓力的增大，納濾系統的能耗呈階梯式下降趨勢。最不利工況下噸水能耗可達到1.4kW·h/m3以上，最優工況下噸水能耗為0.8kW·h/m3左右。這是因為系統產水量與運行壓力呈正相關，隨著運行壓力的增大，系統產水量也將增大，雖然壓力升高會使系統高壓泵的能量輸出增加，但是平均到噸水能耗上，還是呈現出一種節能的狀態。
2.2.2 流量對能耗的影響
設定中試裝置中納濾系統的回收率為70%、膜通量為21L/（m²·h），調整產水流量為3.84～5.34m3/h，恒流運行，記錄不小于24h的系統耗電量和產水量，計算該運行時段內納濾系統的平均噸水能耗，納濾系統能耗隨產水流量的變化見圖5。可以看出，納濾系統能耗隨產水流量的增大而減小，最優工況的噸水能耗在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運行數據，分析進水溫度對納濾系統能耗的影響。設定中試裝置中納濾系統的回收率為74%、膜通量為22L/（m²·h）、一段進水壓力為600kPa，恒壓運行，記錄不小于24h的系統耗電量、產水量和該時間段內進水平均溫度，計算該運行時段內納濾系統的平均噸水能耗，進水溫度對納濾系統能耗的影響見圖6。可以看出，納濾系統能耗受進水溫度的影響較大，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。當水溫從8℃升高到19℃時，納濾系統能耗下降18%，這與水的黏度有關，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。但是當水溫從19℃升高到24℃時，納濾系統能耗增加了4%，這與納濾系統長時間運行中發生了一定程度的污堵有關。
2.2.4 多元回歸分析
由于納濾系統能耗的影響因素作用機理較為復雜，在中試過程中時常發生調整一個自變量，不僅影響因變量，還影響其他自變量的現象，因此擬利用多元回歸分析方法明確運行壓力、流量、進水溫度對系統能耗的影響，并找出能反映它們之間關系的數學表達式，以便未來水廠估算納濾系統的噸水能耗。經分析，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為每噸產水的耗電量（kW·h/m3），T為進水溫度（℃），P為運行壓力（MPa），Q為產水流量（m3/h）。多元回歸方程的復相關系數R=0.9438，表明它們之間的關系為高度相關；調整后的復決定系數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、結論
①采用超濾-納濾雙膜工藝中試系統處理黃河水，其中，納濾系統對電導率和總硬度的平均去除率分別為90.64%和94.96%。如果將系統出水與水廠常規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水為原水的水廠出水保持一致，在總硬度指標上可達到同城同質供水的要求。
②雙膜工藝中納濾系統濃水TDS超過了《污水排入城鎮下水道水質標準》（GB/T31962—2015）限值。燒杯試驗發現，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，無需進一步處理，濃水即可直接排入城鎮下水道。
③納濾系統能耗受運行壓力、流量和進水溫度的影響較大。通過多元回歸分析，可以用回歸方程反映以上因素對系統能耗的影響，在D水廠的生產實踐中，可以利用該回歸方程合理調整納濾系統的運行參數，從而有效降低制水成本。（來源：鄭州楷潤市政工程設計有限公司，鄭州水務集團有限公司）
