潮汐咸水的納濾膜集成處理系統(tǒng)

畢 飛，陳小潔，陳水超，陳歡林，孫志林

（1.浙江大學(xué)膜與水處理技術(shù)教育部工程研究中心，杭州 310027；2.浙江大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)系，杭州 310058）

潮汐咸水的納濾膜集成處理系統(tǒng)

畢 飛1，陳小潔1，陳水超1，陳歡林1，孫志林2

（1.浙江大學(xué)膜與水處理技術(shù)教育部工程研究中心，杭州 310027；2.浙江大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)系，杭州 310058）

本文以錢塘江潮汐咸水為研究對(duì)象，將納濾膜集成技術(shù)用于潮汐咸水制備飲用水。通過對(duì)納濾膜選擇與性能評(píng)價(jià)、中試集成工藝優(yōu)化，以及500 m3/d的納濾集成示范系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于潮汐咸水水源，應(yīng)用納濾膜集成系統(tǒng)可有效脫除鹽分，降低水體中的有機(jī)污染物含量，對(duì)促進(jìn)潮汐地區(qū)的飲水安全具有保障作用。

錢塘江；潮汐咸水；納濾膜；飲水安全

1 前言

近幾年來，膜濾技術(shù)在飲用水制備領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大，已被認(rèn)可為我國(guó)第三代飲用水工藝的核心技術(shù)。特別是納濾膜技術(shù)不僅能保證生物安全，而且對(duì)如殺蟲劑、除草劑等有機(jī)化合物具有較高截留率，在水源水質(zhì)波動(dòng)條件下仍能滿足最終供水的要求。因此，對(duì)南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的水質(zhì)性缺水現(xiàn)象，納濾膜技術(shù)的開發(fā)成功很大程度上擴(kuò)大了飲用水水源的范圍[1～4]。

錢塘江潮汐變化景觀舉世聞名，也是杭州市民的重要飲用水源地。近十年來錢塘江河口水體嚴(yán)重惡化，其隨潮汐咸水上溯對(duì)中、上游取水口水質(zhì)的影響逐漸顯現(xiàn)。為了解錢塘江潮汐咸水變化對(duì)水源水質(zhì)的影響程度，保障杭州市民的飲水安全，本文通過近三年的數(shù)據(jù)采集與分析、納濾膜集成示范系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)，獲得了初步的結(jié)果并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為相關(guān)決策部門提供了一套潮汐水源保障飲水安全的可行性方案。

2 錢塘江水源水質(zhì)的潮汐影響

圖1 錢塘江水源取水口與檢測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 The water intake and testing point of Qiantang River

圖1為錢塘江主要取水口示意圖。2010年起在杭州與蕭山水文局領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)工作人員的配合下，筆者對(duì)錢塘江不同取水口水源的鹽度進(jìn)行采樣檢測(cè)，水源取樣口從錢塘江中游到上游，共計(jì)6個(gè)采樣點(diǎn)，分別為蕭山倉(cāng)前、蕭山城北、杭州七堡、杭州之江、蕭山聞堰、蕭山臨浦（浦陽(yáng)江）。經(jīng)過近三年的實(shí)地取水和水質(zhì)分析，對(duì)錢塘江水體受潮汐影響的情況有了初步的了解。圖2為2011年錢塘江某水文站潮汐導(dǎo)致咸水體電導(dǎo)率的變化情況。

圖2 2011年錢塘江某水文站潮汐導(dǎo)致咸水體電導(dǎo)率變化曲線Fig.2 The curve of salty water conductivity changed by tide of Qiantang River hydrologic station in 2011

錢塘江水體電導(dǎo)率受潮汐影響，基本呈一月兩次周期性變化。沒有咸潮時(shí)，錢塘江水體的電導(dǎo)率通常為300 μS/cm左右；而當(dāng)大咸潮來臨時(shí)，其電導(dǎo)率可達(dá)到11 000 μS/cm（2011年）。

3 納濾膜的選擇與性能評(píng)價(jià)

針對(duì)錢塘江飲用水源水質(zhì)受潮汐影響不穩(wěn)定的特點(diǎn)，本研究進(jìn)一步開展不同礦化度條件下的咸潮水納濾膜集成處理研究。按照納濾膜對(duì)氯化納的截留性能，選擇了3種納濾膜進(jìn)行測(cè)試，并與一種超低壓反滲透膜的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表1為進(jìn)行納濾膜評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的模擬咸水組成及實(shí)驗(yàn)條件變化范圍，文中選擇DOW化學(xué)公司的NF270膜的部分測(cè)試性能進(jìn)行說明[5]。

表1 模擬咸水組成及實(shí)驗(yàn)條件變化范圍Table1 The variation of the composition of simulate salty water and experimental condition

3.1 納濾產(chǎn)水特性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于反滲透膜系統(tǒng)要分別考慮濃水流量和濃產(chǎn)水流量比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因?yàn)閷?duì)于產(chǎn)水通量較低的系統(tǒng)，即使?jié)猱a(chǎn)水流量比大于某值，也有可能因濃水流量較?。礉馑魉佥^低）、湍流效果弱造成膜表面污染物的累積。對(duì)于納濾膜元件也分別討論濃水流量和濃產(chǎn)水流量比對(duì)膜性能的影響。如圖3所示，對(duì)給定氯化鈉溶液（即含鹽量、溫度和pH不發(fā)生變化），分別在3個(gè)進(jìn)水壓力條件下，改變膜表面流量時(shí)，產(chǎn)水通量在給定進(jìn)水壓力下基本不發(fā)生變化，甚至隨著濃水流量的減小，產(chǎn)水通量略有升高的趨勢(shì)，原因是流量減小降低了流道內(nèi)的阻力，致使凈推動(dòng)壓力增加?？梢娕c反滲透系統(tǒng)要求的濃產(chǎn)水流量比大于5∶1的限定有很大的區(qū)別。圖3測(cè)試條件為水溶液的氯化鈉濃度為500 ppm，pH=6.5～7.0，溫度為29.5～30℃。

圖3 不同壓力下濃水流量與通量變化Fig.3 The variation of the producing water flux with concentrated water flux under different pressures

3.2 鹽的截留特性

實(shí)驗(yàn)中截留率為膜元件的表觀截留率，即直接用產(chǎn)水電導(dǎo)率和進(jìn)水電導(dǎo)率計(jì)算得出，考察其變化規(guī)律。如圖4所示，不同壓力條件下，納濾膜截留性能隨濃水流量的變化規(guī)律基本相近，隨著濃水流量的減小而下降，且隨著濃水流量降為零，各壓力條件下的截留率也均接近為零。圖4的測(cè)試條件與圖3相同。

圖4 不同壓力下濃水流量與截留率變化Fig.4 The variation of the producing water rejection with concentrated water flux under different pressures

對(duì)咸潮水體納濾前后化學(xué)需氧量（COD）變化的測(cè)試結(jié)果表明：錢塘江咸潮水的納濾處理可以去除大部分有機(jī)物，其納濾處理后COD的平均去除率達(dá)到58.77%。咸潮水納濾前后COD的變化見圖5。對(duì)水源中的鹽分，可根據(jù)事先要求來選擇合適的納濾膜，其去除率可在30%～70%變動(dòng)。

圖5 咸潮水納濾前后COD的變化Fig.5 The variation of COD of the tidal salty water before and after the nanofiltration process

4 納濾膜的預(yù)處理工藝的比較

納濾膜集成系統(tǒng)的預(yù)處理單元十分重要。本文對(duì)傳統(tǒng)砂濾和超濾膜過濾進(jìn)行對(duì)比，分別用SDI膜片分析評(píng)價(jià)納濾膜系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)情況，監(jiān)測(cè)納濾膜的連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，兩種預(yù)處理?xiàng)l件下納濾膜系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均較為穩(wěn)定，但比較SDI膜片，自來水水源+砂濾工藝SDI膜片的膠體污染較為明顯，而超濾對(duì)膠體物質(zhì)的截留優(yōu)勢(shì)明顯。最終選擇超濾+納濾的集成系統(tǒng)為本文所采用的工藝路線。集成膜系統(tǒng)對(duì)無機(jī)鹽能適度截留，對(duì)有機(jī)物去除效果較好，對(duì)水源水質(zhì)波動(dòng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，是潮汐變化影響供水安全的優(yōu)選方案。

5 納濾膜集成示范裝置

根據(jù)前期工作的成果，2011年在杭州某自來水廠建成一套超濾+納濾集成示范系統(tǒng)，日產(chǎn)納濾自來水500 m3[6]。其工藝單元為自清洗過濾器+超濾+納濾，納濾單元產(chǎn)生的濃鹽水再進(jìn)入反滲透裝置提高利用率，系統(tǒng)水利用率收率大于90%。因?yàn)榧{濾膜部分脫鹽的特性，產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)管網(wǎng)腐蝕性較小，且進(jìn)水水體與出水水體的pH相近。圖6分別為某水廠現(xiàn)有超濾與納濾裝置。

6 結(jié)語(yǔ)

圖6 潮汐高咸水納濾膜集成處理示范系統(tǒng)（500 m3/d）Fig.6 The demonstrated system(500 m3/d)of treatment of tidal salty water by integrated processes of ultrafiltration and nanofiltration

本文所開展的水源水采樣、水質(zhì)檢測(cè)分析，納濾膜及其集成工藝設(shè)計(jì)，以及500 t/d納濾自來水示范系統(tǒng)的運(yùn)行，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為納濾自來水工程的放大提供設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)錢塘江咸潮的防范、納濾自來水的制備、建立杭州地區(qū)飲水安全保障系統(tǒng)具有參考價(jià)值。

[1]李 峰，安全福，張 林，等.高分子納濾膜材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料科技與設(shè)備，2008，1（2）：1-4.

[2]張立卿，王 磊，王旭東.納濾膜物化特征對(duì)膜分離及膜污染影響研究[J].水處理技術(shù)，2009，35(1)：24-28.

[3]侯立安，高 鑫，趙 蘭.納濾膜技術(shù)凈化飲用水的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2012，32（5）：1-7.

[4]畢 飛，陳歡林，高從堦.納濾膜去除飲用水中微量有機(jī)物的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2011，31(7):21-28.

[5]畢 飛，張 林，吳禮光，等.納濾膜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式探討[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2012，32（3）：11-16.

[6]陳歡林，吳禮光，陳小潔，等.錢塘江潮汐水源的飲用水膜法集成系統(tǒng)示范運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[J].中國(guó)給水排水，2013，29（22）：98-101.

Integrated process of nanofiltration for treating tidal salty water from Qiantang River

Bi Fei1，Chen Xiaojie1，Chen Shuichao1，Chen Huanlin1，Sun Zhilin2

(1.Engineering Research Center of Membrane&Water Treatment Technology，Ministry of Education，Zhe jiang University，Hangzhou 310027，China；2.Department of Ocean Science and Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China)

This study focused on preparing drinking water from the tidal salty water of Qiantang River by nanofiltration technology.Some commercial nanofiltration membranes were compared and the performance of optimized membrane was measured.A nanofiltration pilot-scale system with 500 m3/d was operated and optimized.The results showed that it was effective in removing the salt and reducing the organic pollutants from tidal salty water using nanofiltration technology，andnanofiltrationsystemcouldplayanimportantroleofsecurityfordrinkingwater.

Qiantang River；tidal salty water；nanofiltration membrane；security of the drinking water

P747

A

1009-1742(2014)07-0053-04

2014-05-11

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目資助(2009ZX07424-001)

陳歡林，1948年出生，男，浙江蕭山市人，教授，研究方向?yàn)槟た茖W(xué)與技術(shù)；E-mail：chenhl@zju.edu.cn