納濾技術起源于20世紀80年代，最早被稱為“疏松的反滲透膜”，是伴隨著低壓反滲透技術而誕生發展的一種新型膜技術，納濾兼有超濾和反滲透的優點，因能截留物質的大小約1 nm而得名。納濾的運行壓力介于超濾和反滲透之間，它截留有機物的相對分子質量大約為200~400左右，截留溶解性鹽的能力為20%~98%，對單價陰離子鹽溶液的脫除率低于高價陰離子鹽溶液，如氯化鈉及氯化鈣的脫除率為20%~80%，而硫酸鎂及硫酸鈉的脫除率為90%~98%。
納濾可以脫鹽軟化、去除砷及氟化物，并對農藥、內分泌干擾物和抗生素等微量有機物也有理想的處理效果，同時保留水中對人體有益的礦物元素，在市政給水領域具有廣闊的應用前景。20世紀80年代以來，歐美地區建設了大量市政納濾水廠，其中最有影響力為法國巴黎Mery-sur-Oise水廠，該水廠于1999年建成14萬m3/d的納濾系統，是世界上第一個應用于地表水處理的大型納濾系統。
隨著國內高質量發展的不斷推進，公眾對飲用水的水質需求日趨提高，部分經濟發達地區陸續發布了更加嚴格地方飲用水水質控制標準，居民對飲用水健康安全問題十分關注。近年來，納濾在國內市政給水領域的應用得到了迅速發展，太倉、張家港和嘉興等市政給水納濾項目的成功落地，開啟了納濾技術在國內市政給水領域大規模應用的一個新時代，以納濾為核心的組合工藝將逐步應用于市政給水領域。
1 市場應用需求分析
1.1 安全供水的要求
1.1.1 硬度、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽及氟超標水的處理
鹽分是健康飲用水的重要成分，但鹽分過高的水不宜飲用，例如內陸地區的苦咸水和沿海地區的海水。此外，飲用水中硬度過高的容易引起結石等病變，硫酸鹽過高可引起輕瀉、脫水和胃腸道紊亂，氟、砷等有毒、有害離子也容易造成人體內臟器官的病變和損壞。納濾膜能夠有效地去除硬度、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、氟和砷。目前，在國內市政給水領域已建成投產的納濾系統主要用于脫鹽軟化。
（1）苦咸地下水處理?？嘞趟貐^的地下水中總硬度、硫酸鹽、氟、重金屬等含量一般偏高，以此作為原水的供水廠出廠水水質較難達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）。部分地區雖然沒有超出生活飲用水衛生標準的規定要求，但飲用水中的硬度（以碳酸鈣計）接近國標限值（450mg/L），當地居民反映在燒開后水杯內有白色沉淀，感觀較差，洗臉毛巾使用后易變黃、變硬、管網系統結垢嚴重，一定程度上影響人民生活質量和身體健康。隨著人民生活水平的不斷提高，安全供水的剛性需求會促使大量的苦咸水地區市政水廠實施水質提標改造。鑒于納濾技術優良的脫鹽效果，該技術己逐漸成為苦咸水脫鹽軟化的首選，并得到了大規模的工程應用，現有工程案例見表1。
表1 納濾在苦咸地下水處理領域的國內典型工程應用案例
（2）受咸潮影響的地表水處理。對于靠近海洋地表水源，受冬季過程中隨著海水倒灌的影響而發生咸潮，原水中氯離子含量超標，常規的凈水工藝不能有效解決去除氯離子，導致咸潮期間水廠出廠水水質達不到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006)的相關要求。為了解決地表水源的咸潮問題，相關河流入?？诔鞘薪ㄔO了大型避咸水庫，如上海的青草沙和陳行水庫。由于納濾膜工藝對于氯離子具有較好的去除效果，能有效保障受咸潮影響區域的飲用水水質安全，在某些地區可考慮作為建設避咸水庫替代技術方案。
福州市長樂二水廠總設計產水規模為10萬m3/d，原水取自閩江，每年十月份以后原水氯化物指標不斷升高，最高時段原水氯化物已達1 000mg/L，由于常規自來水處理工藝無法處理水中氯化物，嚴重影響供水水質。為充分保證城市飲用水品質，長樂二水廠采用了納濾處理工藝進行了深度處理改造，以降低產水中的氯離子含量及總含鹽量，使之達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）。長樂二水廠納濾膜系統設計進水氯離子1 500mg/L，產水水質氯離子要求≤150mg/L，納濾膜系統已于2018年10月建成并出水。
1.1.2 硬度、硫酸鹽、氯化物超標的微污染地表水處理
南四湖作為南水北調東線工程的重要調蓄水庫，同時也是將來山東受水區的重要地表水源地，其水質狀況對當地居民以及后續其他受水區有著深刻的影響，對凈水廠選擇處理工藝也影響重大。南四湖水中較高的有機物和溶解性無機鹽等問題，容易導致受水區域飲用水水質不穩定的情況。尋找一條經濟有效、保證用水安全的解決方法一直是南水北調工程的工作重點之一。納濾工藝可以有效去除硬度、硫酸鹽和氯化物，在南水北調東線山東半島受水區域具有廣闊的應用市場。目前山東半島區域的濰坊、濟寧和東營等采用南水北調東線原水的某些水廠，在工藝方案設計階段選用了納濾處理工藝，設施分階段建設或預留建設條件。
1.2 同城同質的需求
為了提升供水系統的安全保障性能和供水水質，多地實施了優質原水的引水工程。如果優質的外引水規模不能完全滿足城市的供水量需求，就會造成同一城市不同的凈水廠原水水質有所差別，在相同的凈水工藝情況下就會出現同城不同質的供水情況。
某市主供水源為當地水和外引水，兩種水源在水質指標上存在許多差異，尤其是水體總硬度差別較大。當地水原水硬度常年處于280~310mg/L之間，而外引水原水硬度在128.1~158.1mg/L之間。并且，兩種水源的硫酸鹽、氯化物等指標也存在較大差異，如表2所示。
表2 某市當地水與外引水水源水質情況
目前某市現有水廠所采用的沉淀+砂濾的常規工藝以及臭氧-生物活性炭深度處理工藝對水中硬度、氯化物、硫酸鹽等的去除均無明顯效果。因此，以當地水為水源的水廠，其出廠水硬度及溶解性固體等指標遠高于采用外引水為水源的水廠。對同一座城市不同地區的民眾而言，最終實現自來水的同城同質，是迫切而現實的需求。因此某市水司擬對采用當地水水源的水廠采用納濾膜工藝進行深度處理改造，主要聚焦硬度、氯化物及硫酸鹽等無機鹽的去除，使得相關水廠出廠水質對標外引水為水源的水廠，實現同城同質供水的目標。
1.3 高品質供水的追求
隨著公眾對高品質飲用水的需求日趨提高，居民對飲用水健康安全問題十分關注，原水水質相對較好的部分經濟發達地區陸續發布了更加嚴格地方飲用水水質控制標準，相關水司在滿足地方標準的前提下追求更高品質的供水水質，實現供水行業的高質量發展。
納濾膜可在高效去除水中微量有毒有害有機物和致嗅味物質的同時，保留水中對人體有益的礦物元素(部分Ca2+、Mg2+與一價離子)，實現飲用水從“安全性階段”進階到“健康學階段”的高品質飲用水目標。有研究表明納濾技術在去除消毒副產物前體物方面具有去除率高、去除效果穩定等優點，同時由于納濾產水中NOM濃度很低（TOC通?！?.5mg/L），可減少消毒劑的投加劑量，進一步降低消毒副產物的生成。DIXON等研究了不同的納濾膜元件對常見飲用水致嗅味物質土臭素和2-甲基異莰醇的去除效果，研究表明致密納濾膜元件的去除率一般≥95%，疏松性納濾膜元件去除率≥85%。
張家港現狀水廠原水均取自長江，符合《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）Ⅱ類水標準，經常規處理工藝處理后出廠水濁度在0.18~0.28 NTU，耗氧量平均為1.30~1.50mg/L，水質滿足國家及江蘇省的相關水質標準要求。為進一步提升張家港供水水質及安全可靠性，實現更高品質的供水水質，張家港水司在擴建及現狀水廠深度處理改造中采用了納濾工藝。其中張家港第四水廠20萬m3/d擴建工程新建10萬m3/d的納濾系統，于2020年7月建成投產。另外，張家港第三水廠20萬m3/d深度處理改造工程將建設10萬m3/d的納濾系統，張家港第四水廠現狀40萬m3/d深度處理改造工程將建設20萬m3/d的納濾系統。
2 工程投資及運行成本分析
納濾系統具體項目工程投資及運行成本受到項目工程規模、系統商務技術要求和業主運行管理習慣等多種因素影響，本文相關數據僅供參考。
2.1 工程投資
納濾系統工程投資分為土建投資和設備投資，以去除有機物為目標的某10萬m3/d疏松性納濾系統工程為例，初步設計概算中納濾膜車間的工程造價一般為：土建2 000萬元、設備及安裝費用8 000萬元，總投資為10 000萬元，即1 000元/m3產水。
1 000元/m3產水的噸水投資僅包括納濾膜系統，不包括納濾的預處理工藝和濃水處理處置部分。在設備安裝費用中，納濾膜組件330元/m3產水，配套儀表閥門250元/m3產水，電氣自控（不包括高壓部分）100元/m3產水，配套管道、支架及電纜等70元/m3產水，安裝調試50元/m3產水。
對于以去除硬度、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽為目標的致密性納濾，納濾膜組件的投資費約280元/m3產水，其余與疏松性納濾基本相同，初步設計概算中噸水投資約950元/m3產水。
2.2 運行成本
經調研國內外已建成投產的納濾水廠，納濾系統直接運行成本的組成主要包括電耗、藥耗、膜組件折舊和其他設備折舊及易耗耗材。以去除有機物為目標的疏松性納濾與以去除硬度、硫酸鹽、氯化物和硝酸鹽為目標的致密性納濾，在運行成本方面具有明顯的差別。
2.2.1 疏松性納濾
疏松性納濾系統直接運行約0.45元/m3產水，主要組成為：
·電耗：系統耗電量約0.25 kW·h/m3產水，電費按0.7元/kW·h計，則系統電耗運行成本約0.18元/m3產水；
·藥耗：疏松性納濾系統阻垢劑投加量一般為0.2mg/L，折算成本約0.10元/m3產水，其他藥耗成本約0.02元/m3產水，總藥耗成本約0.12元/m3產水；
·膜組件折舊：本部分膜元件成本計算依據的膜元件價格與工程投資一致，膜元件使用壽命按8年計算，系統運行水量按設計規模計算，則膜元件折舊成本約0.11元/m3產水;
·其他設備折舊及易耗耗材：約0.04元/m3產水。
2.2.2 致密性納濾
致密性納濾系統運行成本受納濾系統的進水水質和目標產水水質的影響較大，一般情況下直接運行約0.95元/m3產水，主要組成為：
·電耗：系統耗電量約0.80 kW·h/m3產水，電費按0.7元/kW·h計，則系統電耗運行成本約0.56元/m3產水；
·藥耗：致密性納濾系統阻垢劑投加量一般為0.4mg/L，折算成本約0.20元/m3產水，其他藥耗成本約0.04元/m3產水，總藥耗成本約0.24元/m3產水；
·膜組件折舊：本部分膜元件成本計算依據的膜元件價格與工程投資一致，膜元件使用壽命按7年計算，系統運行水量按設計規模計算，則膜元件折舊成本約0.11元/m3產水;
·其他設備折舊及易耗耗材：約0.04元/m3產水。
3 限制性因素分析
納濾因為優越的處理效果且可保留水中對人體有益的礦物元素，在市政給水領域具有廣闊的市場應用前景，但是仍存在一些有待解決的問題仍然限制了市政給水領域納濾大規模工程化應用。
3.1 納濾膜元件的無效分離
納濾膜在飲用水處理應用過程中，去除目標污染物的同時也對一些無需及不希望去除的物質進行了分離，導致了納濾系統的運行能耗及藥耗增加，增加了納濾系統的運行成本，同時影響了納濾尾水的處理處置，某些條件下甚至會引起納濾產水的化學不穩定性。
3.2 納濾膜預處理系統的復雜性
現狀工程上應用的納濾膜元件基本為卷式復合膜結構，且膜元件采用錯流串聯的過濾方式，特殊的膜結構形式及運行方式，對于納濾膜進水的水質提出了嚴格的要求，導致了納濾膜預處理系統的復雜性，已建的大量市政給水項目為了應用納濾膜工藝而增加了超濾膜等預處理系統，增加了工程投資及運行成本。
3.3 納濾工藝系統與給水行業管理習慣的匹配性
目前國內市政給水領域納濾的應用往往借鑒于工業領域，一般情況下工業系統納濾工藝工程規模較小，且屬于工業廠房的配套輔助系統，工業領域對于水處理系統布置和生產運行管理的關注點與市政給水領域差別較大，應依據市政給水大規模工程化應用的特點進行全面的系統優化，提升納濾系統在工藝布置方面的感官效果、降低系統運行能耗和加強水廠生產運行維護便利性。
3.4 納濾尾水的處理處置
納濾膜系統在給水處理行業的應用中，伴隨著一個不可避免的問題：即隨著納濾過程中高品質產水的不斷回收，進水不斷被濃縮，而最終形成鹽分較高的尾水。部分地區原水中含鹽量（TDS）較高，經過納濾處理后，納濾尾水的TDS含量不能滿足當地的環保排放標準，造成了飲用水水質提升的需求與環保行業排放監管的矛盾。
4 結論與建議
為響應人們對飲用水水質越來越高的期盼，近年來全國各地均在推廣深度處理工藝，部分經濟發達地區提出了從供“合格水”到供“高品質水”的轉變目標，從而對自來水廠出水水質提出了更高的要求，也對傳統水處理工藝提出了挑戰，人們對于飲用水水質的高標準需求必然要求更為先進的水處理工藝的應用。對于水源水質復雜或供水品質要求較高的地區，建設飲用水大型納濾工藝水廠對提升人民飲用水安全及生活水平具有重要的戰略意義。
目前納濾在市政給水領域納濾大規模工程化應用仍然面臨著一些有待解決或優化的限制性因素，應當從用戶實際需求的角度對納濾工藝關鍵技術與設備集成開發進行研究，解決不同工程應用條件的重難點技術問題，相關建議為：
（1）納濾膜元件研究開發：應依據國內市政給水領域納濾大規模應用的實際需求，在膜材料開發和膜元件制造上進行創新，研究開發技術經濟適用性更強的膜元件；
（2）納濾膜裝置設備集成開發：對納濾膜裝置進行裝配化和集約化的設備成套集成開發，提升單套膜架裝置的最大處理規模，降低膜裝置的建造成本及運行費用，便于工程實施和生產運行管理；
（3）納濾工藝系統優化研究：對納濾膜工藝的預處理系統、膜車間重要設計參數以及運行維護關鍵點等方面進行研究，提升納濾工藝技術的運行穩定性和經濟可行性；
（4）納濾尾水處理處置研究：建議相關部門聯合研究納濾尾水處理處置相關環保政策要求及排放許可情況，研究制定政策、技術和經濟合理的納濾尾水處理處置路線。