摘要：为突破J市 X 水厂常规工艺在饮用水除硬方面的局限性并提升水质，本研究以该厂砂滤出水为原水，通过超滤（UF）—纳滤（NF）中试系统，探究不同型号膜组件的运行性能、水质净化效果及运行成本。结果表明：UF预处理可将NF进水 SDI 由 3.38 降至 1.13，浊度稳定在 0.030 NTU 以下，配合 0.2 mg/L（以铝计）PAC 微絮凝（每过滤周期前 30 min 投加），可使UF跨膜压差（TMP）维持在 0.20 bar 以下；NF膜中，海德能 ESNA5-LD 综合性能最优，总硬度去除率达 91.1%，高锰酸盐指数（O₂计）去除率 70.1%，产水 TDS 稳定在 21~33 mg/L；UF—NF串联工艺优于并联工艺，在膜通量 24 L/(m²・h)、回收率 85% 工况下，总吨水直接运行成本为 0.75~0.79 元。NF工艺对砷、锑、镍及铝、铁、锰等重金属的去除效果显著优于常规工艺；结合勾兑试验与管网适配性分析，当NF产水勾兑比例≥50% 时，可彻底解决水垢问题，此时混合水水质稳定性倾向于弱腐蚀。

　　关键词：饮用水水质提升；UF—NF；水质提升；膜污染；运行成本

　　0 引言

　　饮用水安全是公共卫生核心，随着《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2024）实施及居民对优质水需求的提升，常规工艺（混凝—沉淀—过滤—消　　毒）在去除小分子有机物、微量污染物及降硬度方面局限性凸显 ^[1]。J市 X 水厂总规模 66×10⁴m3/d，以西江地表水为水源，水量充足，水质符合国家《地面水环境质量标准》Ⅱ类水质标准，高锰酸盐指数偶有出现季节性波动的情况；虽然常规工艺出水达标，但居民普遍反映自来水烧开后水垢明显。

　　常规处理工艺在去除溶解性钙镁离子、小分子有机物等方面存在局限性，而UF—NF双膜工艺凭借分级截留特性，在水质深度净化领域展现出显著优势。本研究通过中试试验，系统探究工艺参数优化、膜组件选型、药剂适配、水质稳定性调控及特征污染物去除等关键技术，形成兼顾处理效能与工程可行性的适配方案，为同类水厂深度处理改造提供技术支撑。

　　1 试验装置与方法

　　1.1 试验原水水质

　　本研究位于J市X水厂，试验原水为水厂常规工艺（网格絮凝池—平流沉淀池—V 型滤池）后的砂滤出水。参照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022），对砂滤出水关键水质指标进行监测，结果如表 1 所示。

　　由表 1 可知，砂滤出水 pH 呈弱碱性（7.36~7.88），浊度、铝、铁等指标均符合国家标准，但总硬度（以CaCO3计）最高达 139.1 mg・L-1，高锰酸盐指数（O2计）波动范围为0.68~2.48 mg・L-1，仍存在水垢生成及有机物超标的潜在风险。此外，原水 TDS（142~188 mg・L-1）、电导率（221~292 μS/cm）及 UV254（0.0222~0.0519 cm-1）显示水中含一定量溶解性盐与腐殖质类有机物，需通过深度处理进一步去除。

　　1.2 试验装置与工艺设计

　　1.2.1 UF系统

　　采用德国滢格聚醚砜（PES）中空纤维超滤膜组件，公称孔径0.02μm，内压式死端过滤。配套进水箱（1.5 m³）、反洗水箱（2.0 m³）及清洗水箱（0.5 m³），运行过程中仅在每过滤周期前 30 min 投加聚氯化铝（PAC）进行微絮凝预处理，PAC 投加量为 0.2 mg/L（以铝计）。

　　1.2.2 NF系统

　　NF系统选用 5 种品牌膜组件，包括 NF90、ESNA5—LD、8040—5NF40、HL8040F—400 及NF270，核心参数如表 3 所示。NF系统采用错流过滤模式，设 3 段串联运行，配套进水箱（1.0 m³）、高压泵（扬程 70 m）及保安过滤器（5 μm PP 棉滤芯），运行过程中投加亚硫酸氢钠（1~3 ppm）去除余氯，投加阻垢剂（磷酸盐 1 号、磷酸盐 2 号、马来酸酐等）抑制结垢。

　　1.2.3 组合工艺流程

　　试验设置两种组合工艺模式：①串联模式（UF—NF）：砂滤出水经UF预处理后进入NF系统；②并联模式（砂滤—NF）：砂滤出水直接进入NF系统。两种模式均控制NF膜通量为 24 L/(m²・h)，系统回收率为 85%，每6 h进行 1 次物理冲洗，定期（7~14 d）进行化学清洗（酸洗：2% 柠檬酸；碱洗：0.5% EDTA-4Na及少量氢氧化钠配制的复合碱液）。

　　1.3 试验方案与检测方法

　　1.3.1 试验周期与变量控制

　　试验周期为 2024 年 10 月 —2025 年 11 月，分阶段测试不同膜组件性能：NF阶段：杜邦 NF90（2024.10—11，于2025.10—11复测）、海德能 ESNA5—LD（2024.11—2025.3，于2025.9—10复测）、曼胡默尔（2025.3—6）、杜邦 NF270（2025.7—8）、苏伊士 GE（2025.8—9）。采用单一变量法测试5款纳滤膜性能，考察膜型号、运行模式、阻垢剂类型对工艺的影响。

　　1.3.2 检测指标与方法

　　水质指标检测均参照《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750—2023）；污染密度指数（SDI）采用 0.45 μm 微滤膜过滤法测定。

　　膜运行参数通过在线仪表监测：①跨膜压差（TMP）采用压力表测定；②产水流量采用电磁流量计测定；③电耗通过电能表记录，结合产水量计算吨水电耗。

　　2 结果与分析

　　2.1 UF系统运行效果

　　2.1.1 水质净化效果

　　UF系统可有效降低NF进水 SDI，砂滤出水 SDI 平均为 3.38，经UF处理后降至 1.13，满足NF进水 SDI≤5 的要求。此外，UF对浊度去除率UF系统对浊度的去除率稳定在 70%~81%，平均去除率约 78%，对铝平均的去除率达24.82% ，可将进水铝含量（0.06~0.10 mg・L-1）降至 0.05 mg・L-1 以下，缓解后续NF膜的铝污染风险。

图 1 UF膜中试系统进出水浊度变化图

　　2.1.2 膜污染控制与电耗

　　微絮凝对UF膜跨膜压差（TMP）的影响如图 1 所示。未投加 PAC 时，UF膜 TMP 随运行时间持续上升，运行 7 d 后 TMP 由 0.127 bar 升至 0.232 bar，需缩短 CEB（化学加强反洗）周期至 72 h；投加 PAC（0.2 mg・L-1）后，TMP 可稳定维持在 0.20 bar 以下，CEB 周期可延长至 144 h，甚至无需 CEB，表明微絮凝可通过减少膜孔堵塞，缓解膜污染。

图2 UF膜中试系统进出水压力与压差变化图

　　UF系统吨产水电耗如表 5 所示。德国滢格膜吨产水电耗（实际）平均值0.0810 kwh/m³，折算后平均值 0.0571 kwh/m³，整体吨水电耗0.1696 kwh/m³。此外，水温对电耗影响显著，冬季水温降至 16.7℃时，吨产水电耗较夏季（28.4℃）上升约 20%，原因是水温降低导致水黏度增大，膜过滤阻力增加。

图3 UF膜中试系统水温与吨产水电耗变化图

　　2.2  UF前置预处理下NF系统运行效果

　　2.2.1 硬度与 TDS 去除效果

　　不同NF膜对总硬度（以 CaCO3计）及 TDS 的去除效果如表 6 所示。由表 6 可知，致密型的海德能 ESNA5—LD 与杜邦 NF90 两款膜表现最优，可将对砂滤出水的总硬度去除率分别达到 91.1% 与 86.5%，可将进水总硬度（92.3~139.1 mg・L-1）降至 10~22 mg・L-1，有效解决水垢问题；TDS 去除率分别为 85.6% 与 84.0%，产水 TDS 稳定在 21~35 mg・L-1。

　　曼胡默尔、苏伊士 GE 及杜邦 NF270 的硬度与 TDS 去除率较低，其中杜邦 NF270 总硬度去除率仅 15.9%，TDS 去除率 21.6%，原因是疏松型NF膜孔径较大（0.36~0.44 μm），对二价离子截留能力较弱。

图4 UF—NF双膜系统电导率及脱盐率变化趋势图

图5 滤后水总硬度及NF膜产水总硬度与TDS变化趋势图

　　2.2.2 有机物去除效果

　　NF系统对高锰酸盐指数（O2计）、UV254及 TOC 的去除效果如表 7 所示。由表 7 可知，海德能 ESNA5—LD 与杜邦 NF90 对有机物去除效果显著，高锰酸盐指数去除率分别为 70.1% 与 73.7%，可将进水高锰酸盐指数（0.68~2.48 mg・L-1）降至 0.16~0.40 mg・L-1，减少消毒副产物生成风险；UV254去除率分别为 91.0% 与 88.3%，TOC 去除率分别为 90.0% 与 85.7%，表明NF可有效截留腐殖质类大分子有机物及小分子消毒副产物前体物。

　　曼胡默尔、苏伊士 GE 及杜邦 NF270 对有机物去除率较低，UV254去除率均低于 50%，原因是疏松型膜对小分子有机物（分子量 < 300 Da）截留能力较弱，无法有效控制有机污染物。

图 6 滤后水及NF膜产水高锰酸盐指数变化趋势图

　　2.2.3 膜运行稳定性与阻垢剂适配性

　　2025年在ESNA5—LD新膜试验前回收了三条旧膜（在硅藻爆发期间并联运行了30d）并进行了物理性能检测，发现第三段膜元件的性能变化和重量变化比第一、二段膜元件更显著。观测到标准化产水流量在一天左右下降约10%，而压差未见明显变化，说明污染物主要堵塞了膜表面的产水通道而不是堵塞进水流道。

　　拆检了在2024年的试验中被污染得最严重的第三段旧膜，旧膜膜壳及展开后的膜层外观如图7(a)，观察到展开后在出水的浓水端处有明显的结垢污染。

图 7（a）  ESNA5—LD旧膜拆检图

　　将卷式膜完全展开后，如图发现在出水的浓水端另一处也有明显的结垢污染，污染呈现明显凸起的白色粉块状，如图7（b）所示。

图7（b）  ESNA5—LD旧膜拆检图

　　观察图8两个不同端口取样的污染物样液图，可见近浓水端的污染物样液较为浑浊、颜色要更为偏黄，表现出来的污染程度明显更深。

图8（a）近给水端污染物样液图

图8（b）近浓水端污染物样液图

图9（a）第三段膜近给水端/近进水端EDS分析及SEM电镜分析

图9（b）第三段膜中段EDS分析及SEM电镜分析

图9（c）第三段膜近浓水段EDS分析及SEM电镜分析

　　由SEM结果（图9）可知，膜污染程度在进水端（a）相对轻微，越靠近浓水端（c）污染越严重。对后段污染区域进行进一步放大(5000倍)，如图4d和4e所示，可见颗粒状物质和致密的凝胶物质，又因为CIP清洗酸洗比碱洗恢复效果更好，基本判断大概率为金属胶体的污染推测该膜污染为复合污染，既存在无机金属结垢，也存在有机污染。利用EDS对样品的元素组成进行了进一步分析，得：进水端C、O、Si、Ca的原子百分比分别为42.84%、37.07%、4.54%、1.43%；中段为28.06%、45.43%、8.17%、2.64%；浓水端为9.32%、51.57%、4.59%、24.64%。浓水端O/C原子比由0.86升至5.53。浓水总硬度达 1023.12 mg/L、SiO₂含量 55.00 mg/L，这是由系统高回收率带来的结垢风险[2]，该结果表明，出水端的碳酸钙结垢增加，这是由于随着过滤的进行，越靠近后端，膜面水流中无机离子浓度更高，因此结垢潜势增加，这与前述观测到的结果一致。

　　膜运行稳定性与阻垢剂类型密切相关（表 6）。磷酸盐 2 号阻垢剂（有机磷类）与海德能 ESNA5—LD 适配性最优，7 天后进水压力增幅仅 6.2%，化学清洗周期延长至 14 天；马来酸酐阻垢剂虽可缓解钙结垢，但对铝污染控制效果较差，需配合酸洗使用。杜邦 NF90 因对铝离子截留率高达 99%，易发生铝污染，运行期间进水压力增幅最大，需每 1~2 天进行化学清洗，而针对硅、铝污染的改良版马来酸酐阻垢剂可将其清洗周期延长至 5 天。

　　不同NF膜的进水压力与压差变化如图所示。杜邦 NF90 运行过程中进水压力增幅最大，由初始 0.35 bar 升至 0.50 bar，需每 1~2 天进行化学清洗，原因是其对铝离子截留率高达 99%，膜面易发生铝污染；海德能 ESNA5—LD 进水压力相对稳定，由初始 0.32 bar 升至 0.34 bar，每 10 天进行 1 次化学清洗即可，表现出更优的抗污染能力。

图10不同型号NF膜压力与压差变化趋势对比图

图11不同型号NF膜运行膜通量与回收率变化趋势图

　　2.2.4 消毒副产物与重金属去除效果

　　疏松型与致密型NF膜对水中消毒副产物及重金属均具有良好截留效果，以曼胡默尔纳滤膜为例：NF出水砷、氟化物含量分别为0.0001mg/L、0.07mg/L，较水厂出厂水（0.001mg/L、0.1mg/L）显著降低；三氯甲烷、二氯一溴甲烷含量均低于最低检出值0.0005mg/L，同时，NF出水锑、钼低于方法检出限，钡＜0.02mg/L、镍＜0.0003mg/L，对微量重金属的截留能力优于常规工艺。

　　NF出水铝、铁、锰、铜等常规重金属含量均远低于出厂水，5 款试验膜对进水硫酸根的去除率均超 93%，可将硫酸根含量降至＜1 mg/L，产水溶解性总固体＜130 mg/L，验证了NF膜对无机物的高效截留特性。本工艺对锌、硼的去除效果弱于常规工艺，其余指标NF出水与出厂水无明显差异，且均满足国家标准限值。

　　2.3 UF—NF组合工艺优化

　　2.3.1 串联与并联模式对比

　　UF—NF串联与并联模式的水质净化效果对比如图12 所示。串联模式下，NF进水经UF预处理，总硬度、高锰酸盐指数及 TDS 去除率较并联模式分别提升 5.2%、8.3% 及 6.7%，且NF膜进水压力降低 0.05~0.08 bar，膜污染速率减缓 30%，原因是UF截留了大部分颗粒物与胶体，减少了NF膜的物理堵塞与吸附污染[1]。

图12苏伊士NF膜在串联与并联模式下对各指标脱除率对比图

　　并联模式虽可降低设备初期投资，但NF膜直接处理砂滤出水（SDI＞3）（图13），易发生物理堵塞与吸附污染，化学清洗周期缩短，运行维护成本大幅增加；若进水铝含量超过0.05ppm，铝易与含磷缓蚀剂或硅发生反应，引发膜面结垢。

图13 NF进水两年SDI变化趋势对比图

　　试验期间，UF 膜出水水温稳定在 25~30℃，pH 维持于中性偏碱窄幅区间，二者波动极小，表明超滤工艺对水体温度与酸碱平衡扰动微弱，出水环境稳定。相比之下，ORP 波动剧烈，范围约为- 200~200 mV，且与水温、pH 变化无明显相关性，说明其主要受原水氧化还原物质浓度或药剂投加等因素影响。整体而言，UF 出水水温与 pH 稳定性良好，可保障后续深度处理单元稳定运行，但 ORP 的波动需重点关注，当ORP过高时及时投加亚硫酸氢钠。

图14 UF膜出水水温、pH与ORP变化趋势

　　2.3.2 勾兑试验与工程规模估算

　　NF产水与砂滤出水勾兑试验结果表明，当NF90或ESNA5-LD的产水勾兑比例≥50% 时，混合水烧开后无明显水垢（图15）。由表7可知，随着致密型NF产水勾兑比例从 0% 提升至 100%，混合水 pH 由 7.65 线性降至 6.60，呈明显弱酸化趋势。这一现象主要源于两方面：一是NF膜对水中 HCO₃⁻等弱酸根离子具有截留作用，导致产水碱度显著降低；二是膜表面携带负电荷，会对水中 OH⁻离子产生排斥效应，阻碍其穿透NF膜，进一步降低产水 pH。因此后续需加碱对 pH 进行回调。当NF勾兑比例≥50% 时，混合水 pH 降至 7.05 左右，接近中性，需通过投加食品级碳酸氢钠等措施，将混合水 pH 稳定提升至 7.5~8.0，以保障管网水质稳定性。

　　结合X水厂总供水规模（66×10⁴ m³/d），推算NF系统工程规模应不低于 33×10⁴ m³/d，可满足除垢需求。

图15（a） 砂滤出水煮沸后水垢图

图15（b）勾兑50%NF出水煮沸后水垢图

　　结合侵蚀指数（AI）、拉森比率（LR）、朗格利尔饱和指数（LSI）及雷兹纳稳定指数（Ryznar），对NF产水及勾兑水的管网适配性进行评估，结果如表 7 所示。NF产水 AI 值（7.38~10.04）低于砂滤出水，表明纯NF产水腐蚀性略强（AI＞10 为低腐蚀，AI＜10 为中等腐蚀）；但勾兑比例≥50% 时，AI 回升至 9.12~10.25，腐蚀性显著降低，符合管网长期运行要求。所有水样 LR 均＜0.5（LR＞1.0 为严重腐蚀，0.2~1.0 为轻微腐蚀），说明水质对铁制管材腐蚀风险较低；NF产水 LR＜0.45，勾兑后更稳定。NF产水 LSI＜0（无结垢倾向）、Ryznar＞9.0（腐蚀倾向）；勾兑后 LSI 接近 0、Ryznar 7.8~8.5，处于 “弱结垢 —弱腐蚀” 区间^[3]，既避免水垢生成，又降低管网腐蚀风险。

　　2.4 运行成本分析

　　UF—NF组合工艺的直接运行成本（电耗 + 药耗）如表 10 所示。UF系统吨水成本较低，平均为 0.17 元；NF系统吨水成本较高，海德能 ESNA5—LD（磷酸盐 2 号阻垢剂）吨水成本为 0.5576 元，杜邦 NF90（改良版马来酸酐）吨水成本为 0.5934 元，差异主要来自阻垢剂投加量与化学清洗频率。

　　组合工艺总吨水直接运行成本为0.7501~0.7859 元，低于同类水厂膜处理工艺成本（0.8~1.2 元），表明该工艺在经济上具有可行性。

图16 NF90与ESNA5—LDNF膜系统吨产水电耗变化趋势图

　　3 结论与建议

　　（1）UF系统可有效提升NF进水水质，将SDI由3.38降至1.13，浊度降至0.030NTU以下；微絮凝预处理可使UF的TMP稳定在0.20bar以下，吨水成本0.1925元。

　　（2）NF系统中，海德能ESNA5-LD与杜邦NF90综合性能最优，总硬度去除率分别为91.1%、86.5%，高锰酸盐指数去除率分别为70.1%、73.7%，可有效解决水垢及有机物含量季节性波动问题；磷酸盐2号阻垢剂与系统适配性最佳，可将化学清洗周期延长至14天。

　　（3）UF-NF串联工艺优于并联工艺，膜污染速率减缓30%，工艺总吨水直接运行成本为0.7501~0.7859元。

　　（4）X水厂NF系统需按不低于33×10⁴m³/d规模建设，保障NF产水勾兑比例≥50%，结合微絮凝、适配阻垢剂及定量化化学清洗措施，可实现工艺稳定运行，保障饮用水安全并提升水质。

　　（5）系统回收率85%时，浓水总硬度达1023.12mg/L、SiO₂含量55.00mg/L，存在结垢风险，建议适当下调单支膜元件回收率，或增设浓水回流稀释装置。

　　参考文献

　　[1]瞿芳术,余华荣,朱学武,杜星,李圭白,梁恒.基于超滤/纳滤双膜工艺的给水厂应急处理技术研究[J].给水排水,2020(S02):189-194

　　[2]朱学武,成小翔,谢柏明,邱晖,陈潜,瞿芳术,李圭白,梁恒.超滤/纳滤组合工艺的运行与优化研究[J].中国给水排水,2017,33(5):10-1521

　　[3]沈雪,张健,林会杰,林勇,李国亮,王铮,周文琪.基于纳滤处理工艺的水质化学稳定性研究[J].给水排水,2022,48(9):13-19

　　作者简介

　　彭凌君（1998—），女，广东江门人，给排水设计助理工程师，主要研究方向为供水厂工艺升级改造。