新疆某地水环境和生态环境脆弱，目前地下水是其主要饮用水水源。当地地下水有深度100 m左右的深层地下水和20 m左右的浅层地下水，目前主要直接抽取深层地下水作为饮用水源。但是长期抽取深层地下水，有超出允许开采范围的风险，极有可能造成地下水位下降，水平衡破坏等^[1]。同时在水质调研报告中，检测到深层地下水银离子超标，硬度及总溶解性固体偏高，作为饮用水在健康方面也存在一定隐患^[2]。因此有必要考虑将浅层地下水作为当地饮用水水源。

该地区浅层地下水碱性大、矿化度高，不能直接饮用。当地水厂多采用常规的沉淀和过滤工艺，而常规工艺只能较好地去除浊度与肉眼可见物，对浅层地下水中超标的金属与非金属盐类、重金属离子的去除极其有限^[3]。这使得饮用水总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物等指标难以达标^[4,5]。膜技术，特别是纳滤和反渗透技术，是目前对苦咸水和地下水进行脱盐淡化的主要技术之一^[6,7,8,9]。本研究针对该地区浅层地下水，展开水质分析、小试和中试研究。以纳滤分离技术为核心，研究适用于浅层地表水处理的膜滤工艺，并对比不同核心工艺的运行效能，及纳滤工艺应对有机物突发污染的能力，为当地以膜分离深度处理技术为核心进行净水厂提标改造提供一定的技术参考与支持。

试验所用装置如图1所示。试验前端超滤膜件使用的是超滤杯，后端纳滤及反渗透装置基本一样，但反渗透装置的管道均为抗压能力较强的耐压铜管管道及配件。纳滤及反渗透膜件均采用CF042D，加压元件均采用SPXFLOW的CEREX-P系列隔膜计量泵，为保障装置安全运行，为计量泵配置了控电箱。

试验所用膜片包括超滤膜片、纳滤膜片和反渗透膜片，见表1。

试验采用实验室配水模拟浅层地下水，水质情况见表2。

(1）离子类指标检测。金属阳离子：钠、钾、钙、镁、重金属离子均使用ICP进行检测。

阴离子：硫酸根、氯离子均使用离子色谱进行检测。

硬度：使用钙镁离子浓度进行折算后得出水体硬度指标。本次试验使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）对溶液中金属离子进行检测。

总溶解性固体（TDS）：取一定体积的样液，置于坩埚中称重，再置于90℃烘箱中，持续烘干2h后称重，根据重量差及样液体积进行计算。

(2）有机物类指标检测。有机物含量使用TOC仪进行检测，表征可溶性有机物总量而不区分具体种类。

(3）荧光型有机物检测。针对水样中荧光形有机物的检测，将采用分子荧光光谱（EEM）进行分析测量。

(4）其他指标检测。其他常规指标检测使用仪器检测，包括浊度计（浊度）、pH计（pH）、紫外可见光分光光度计（UV₂₅₄）和电导率仪（电导率）。

为全面描述新疆某地区浅层地下水的水质状况，研究对新疆某地浅层地下水水质指标进行了全面检测，检测结果中超标的指标见表3，这些指标是作为后续试验的重点分析对象。

从检测结果可以看出浅层地下水水质存在碱性大、矿化度高、重金属离子超标等问题，而且不同于浊度等指标，浅层地下水中大幅超标的总溶解性固体、铁锰和硫酸盐，是常规的混凝沉淀砂滤工艺难以解决的，为饮用水达标带来了挑战^[10]；此外，过高的硬度也是影响当地居民饮用水健康的一个重大问题^[11]；同时水中存在重金属离子，也是一大潜在风险。为更加清楚的识别浅层地下水中主要污染物，将对浅层地下水进行污染物风险因子分析。

为了能够互相比较各种不同的潜在污染物和污染源对水源环境影响的大小，定义出研究对象的综合污染指数（P_j）以表达受污染程度，并运用污染分担率法将研究对象的各项指标对研究对象污染整体的贡献进行量化排序，分别计算百分比及累计百分比。

用于评价水源污染分担率的污染指数包括某项指标的污染指数（P_i）和综合污染指数（P_j）。其中P_i表示污染物实测含量与水质标准值的比值，P_j表示所有参与评价的污染因子的污染指数之和，污染分担率（K_i）为第i项污染因子在多个污染因子中的分担率，P_i、P_j和K_i计算公式见式（1）～式（3）。

式中i———污染指标因子；

P_i———污染指数；

m———污染因子项数；

C_i———污染因子i的实际测量浓度；

S_i———污染因子i的标准限值。

基于当地的饮用水处理工艺，本次饮用水源风险因子分析中，采用《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）进行评价。

由表4可以看出，浅层地下水主要风险因子分担率最高的是浑浊度，但浊度问题常规水处理工艺即可解决。除此之外，首要风险因子是硫酸盐，其次是总硬度和总溶解性固体，此外还有金属锰离子的问题。可以推断出该水源水中含有较多的硫酸钙、硫酸镁等无机盐，从而导致硬度和总溶解性固体较高。前六项风险因子的累计分担率较高，说明各风险因子超标情况较为集中严重。该结论可以从水样监测数据上看出，钙镁金属离子浓度显著偏高。

综上来看，浅层地下水作为备用水源，其高硬度、无机盐污染的问题是主要待解决问题，其次还需要考虑重金属污染、氟化物及生物安全性等一系列问题。针对这个问题，研究提出以超滤为预处理工艺，以纳滤和反渗透为核心工艺的组合工艺对浅层地下水进行处理。

针对浅层地下水的主要污染问题：溶解性总固体、总硬度和硫酸盐，试验使用了配水模拟浅层地下水，考察纳滤工艺对这些主要污染指标的去除效果。如图2所示，在整个过滤过程中，纳滤系统对TDS都有着很好的去除效果，出水TDS在500mg/L左右，全部满足饮用水卫生标准要求。但去除率低于NF270的稳定脱盐率，这是因为配制模拟浅层地下水过程中为达到更高的TDS，氯化钠和氯化钾盐添加较多，而试验所用NF270膜对一价态离子去除率并不高，导致了浅层地下水在TDS去除率上效果较差。同时随着过滤过程的进行，虽然为保证进水水质稳定进行产水回流，但由于试验周期较长，原水因为蒸发、取样等因素有一定浓缩现象，造成TDS增高，不过纳滤工艺依然能保证产水水质达标。

硬度和硫酸盐作为主要的无机盐污染物，纳滤工艺对它们的去除效果非常好，从图3可以看出，纳滤出水的硬度在100mg/L左右，去除率在90%以上；出水的硫酸盐浓度在120mg/L左右，去除率在92%以上，出水水质远远优于标准要求。纳滤工艺对于硬度和硫酸盐的去除率高于TDS的去除率，这是因为纳滤膜作为荷电膜，表面带负电，能有效截留水中的的硫酸根离子，并在电荷平衡作用下截留对应阳离子，因此原水中的钙离子、镁离子和硫酸根离子都能有效被纳滤膜截留。通过试验可以看出，针对浅层地下水中主要难处理的污染物：TDS、硬度和硫酸盐，纳滤工艺都能有效去除，保证供水安全，提升饮用水品质，适合作为去除浊度后的深度处理工艺。

近年来，在地下水和苦咸水脱盐处理方面，除了纳滤外，反渗透工艺也是主要的应用技术和研究对象。相比纳滤技术反渗透技术截留效能、脱盐率更好，特别对水中一价离子，如氯化物等，去除效果较好。但反渗透技术也需要更高的运行压力和能耗，因此运用前需要研究该地区水质条件是否适宜使用反渗透技术。

通过试验结果我们可以看出，纳滤和反渗透工艺在整体去除效果上有着一定差异，当然两种膜技术都具有良好的截留性能，对水中各项无机盐指标均有很好的去除效果，不过纳滤膜受限于膜技术特征，对水中氯化物去除率较低。具体来看TDS去除率方面，反渗透的去除率比纳滤高16%，达到97.51%。总硬度和硫酸盐方面，纳滤和反渗透的去除率都高于90%，反渗透对两种污染物的去除率高达99%，几乎截留水中所有硬度和硫酸盐；氯化物方面两种膜技术差距较大，纳滤对氯化物的去除率仅为45.81%，反渗透对氯化物的去除率为91.67%，这也是两种膜在目标水质条件下主要的性能差距。不过从浅层地下水水质来看，氯化物含量仅为70mg/L，并未超标，不是浅层地下水的主要污染物，对水质影响不大。总的来说，两种膜技术都能有效去除水中各种无机盐污染物，提供优异的水质，但由于该地区浅层地下水中无机盐构成主要是硬度和硫酸盐，所以相对来说反渗透膜的截留效能虽然更高，但对比纳滤优势不大，见图4。

虽然浅层地下水中有机物含量较低，并不是主要污染物，但近年来，各种突发污染频发，而且浅层地下水水质易受周围生活生产和地表水环境影响，存在有机物突发污染的风险，因此研究纳滤工艺在有机物突发污染条件下能否稳定运行并保障水质安全是有必要的。试验向模拟浅层地下水中投加5mg/L的腐殖酸和5mg/L的牛血清蛋白，以模拟发生有机物突发污染时的水质情况。同时为探究水中有机物与无机盐之间是否有相互作用，设置不添加无机盐和和只添加氯化钠的对照组。

首先考察有机物突发污染对纳滤膜运行稳定性的影响。从图5可以看出，发生有机物污染后，纳滤膜明显地发生膜通量降低。“明显”是指膜通量降低到8LHM/bar以下，对比没有有机物污染的TDS+WATER组呈现明显的下降趋势。有机物对纳滤膜的影响同时与水中是否存在无机盐密切相关，从图5中可以看出，地下水条件下发生有机物污染时（COD+TDS），膜比通量下降最明显，甚至仅仅添加氯化钠后（COD+NaCl），水中有机物也造成了更严重的的膜污染。这是因为地下水无机盐的高硬度特点，除了原本无机盐导致的电中和作用形成脱稳絮体外，钙镁离子会主动和有机物形成络合物，进一步恶化膜面的污染情况。另外，原水在受到有机物污染后40h内纳滤膜膜通量将下降到初始膜通量的50%以下，所以在发生有机物突发污染时，需要重点关注纳滤运行情况，及时清洗以恢复纳滤通量。

图6为原水和纳滤出水的三维荧光图，用于分析有机物突发污染条件下，纳滤技术在水质安全保障方面效能。从图中可以看出，由于原水中有较高的有机物浓度，因此原水三维荧光图中有两个明显的峰，图中Peak A是色氨酸类蛋白峰，Peak B是芳香类蛋白峰，两者荧光强度均高于800。纳滤出水的三维荧光分析图中，可以明显看到色氨酸类蛋白Peak A已经基本消失，芳香类蛋白峰Peak B还有较淡的底峰存在，但响应很低。由此可以看出，纳滤能够能将水中的有机物降低到较低的水平，在突发污染时保障饮用水安全。

为验证纳滤工艺对新疆某地区浅层地下水的处理效能，研究在当地现场开展了中试。中试纳滤装置采用三只陶氏NF270-4040纳滤膜元件，组合成一级两段式纳滤系统，中试流程如图7所示。第一段由两只膜并联，第二段使用单只膜，进水压力约6.3bar，产水水量约4.86 m³/h。纳滤装置前设置多介质过滤器作为预处理，降低进水浊度，多介质过滤器每日凌晨冲洗（先反向冲洗5min，再正向冲洗10min），纳滤系统每次开机运行前过流冲洗5min，累计运行达到720 min时，进行30 min过流冲洗。纳滤装置持续运行，已累计产水7 971m³，累计进水15 777m³，设备综合产水回收率约50.52%，纳滤膜产水回收率约61.21%。

中试装置运行方面，从图8中可以看出，装置产水量稳定在5.02±0.5m³/h,10%的产水量波动可能是进水水质波动导致前端保安滤器受到影响后，进一步影响高压泵运行状态，最后导致进水压力变化形成的。回收率方面，装置的回收率在整个实验周期内持续稳定在51.2%左右。可以看出，对于该地浅层地下水，纳滤中试装置在运行过程中能保持长时间稳定运行。

水质方面，该装置设置了电导率测定仪，对进水及出水电导率进行在线检测，并且将电导率换算成TDS以便评估水质。中试装置的产水TDS及TDS去除率情况见图9。

该装置在近一年的运行中，产水TDS稳定在120mg/L,TDS去除率维持在80%水平。运行至300d后，由于出现加药泵管理不当，阻垢剂未按要求投加，导致纳滤产水TDS上升至140mg/L,TDS去除率下降至75%，这主要是因为缺少阻垢剂，水中无机盐在膜表面有结垢趋势，造成表面无机盐浓度增高，从而使得出水TDS上升。但总体来看，装置出水TDS远优于标准要求，能满足该地区以浅层地下水为水源的供水需求。

针对新疆某地区扩展地下水水源的需求，以当地浅层地下水为目标水源，系统的研究了该地区浅层地下水的水质特性、污染风险因子，分析表明该地浅层地下水中，溶解性总固体、硬度和硫酸盐是主要的污染物。在此基础上针对水质污染特点，提出了以纳滤为核心的深度处理工艺，纳滤工艺溶解性总固体去除率为81.37%，对硬度的去除率为90.88%，对硫酸盐的去除率为92.49%，出水水质均优于国标要求。在当地水质条件下，纳滤工艺相比于反渗透工艺，出水水质差距较小，且运行压力较低，更适合作为核心处理工艺。此外，在发生突发有机物污染时，纳滤工艺也能有效保障出水水质安全，但有机污染会影响纳滤运行，需及时进行清洗。最后通过在现场实际环境下进行长时间的中试装置运行，证明了纳滤工艺处理当地浅层地下水时，既能保障优秀的出水水质，也能稳定运行。