水專項“高品質再生水與水體凈化成套裝備研發及產業化”課題成果顯著
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翠湖示范工程現場圖
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專家考察示范工程現場
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超低壓反滲透膜生產線
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雙膜法工藝流程圖
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超低壓反滲透膜產品在示范工程中應用
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綜合評價平臺內景
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嵌入增強型中空纖維超濾膜生產線
課題背景
“十二五”期間，黨中央、國務院將建設資源節約型、環境友好型社會作為加快經濟發展方式轉變的重要著力點，將推進重點流域水污染防治作為兩型社會建設的重要內容，地方各級政府高度重視重點流域水污染防治工作，積極參與水環境保護，為重點流域水污染防治提供了新的歷史機遇。盡管重點流域水污染防治工作取得了階段性進展，但水環境形勢依然嚴峻。
水污染嚴重是重點流域普遍存在的突出問題。
污水處理廠出水水質差，以此作為補水的湖河水環境容量被大量消耗，導致水體水質改善極為困難，是重點流域水體長期處于Ⅴ類及劣Ⅴ類嚴重污染狀態的重要原因。
截至2017年12月底，全國城鎮累計建成污水處理廠4119座，污水處理能力達1.82億m3/d，每年排放的污水處理廠尾水超過600億m3/d。2015年11月，原環境保護部發布《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（征求意見稿），除了提升現有排放標準外，新增特別排放限值，要求污水處理廠排放標準參照地表Ⅳ類水（TN除外）。按照“水十條”要求，敏感區域城鎮污水處理設施應于2017年年底前全面達到一級A排放標準，據此“十三五”期間，城鎮污水處理設施提標改造規模將達到4220萬立方米/日。
對比我國城鎮污水處理廠出水排放標準與地表水環境質量標準可知，以一級A標準排放的城鎮污水處理廠尾水屬于地表水劣Ⅴ類水質，仍屬于污水范疇。
清潔的入湖入河補水對促進河湖水體的更新具有重要作用。已處于嚴重污染狀態的河湖水體，水環境容量低，自凈能力弱，若受納微污染水體，特別是大量城鎮污水處理廠尾水，將無法實現水體自凈，甚至會加劇水體污染狀況。只有提高入湖入河水的水質，進一步削減入湖入河污染物負荷，才有可能使處于嚴重污染狀態的河湖水體休養生息，恢復健康的生態系統。以滇池為例，其河道受納水體水質目標不宜低于地表水Ⅲ類（按水環境容量計算）。
水資源短缺是重點流域存在的另一個重要問題。
我國是一個嚴重缺水的國家，人均淡水資源量低，淡水資源的時空分布不均衡。據報道，我國人均淡水資源僅為世界人均水量的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。此外，由于我國重點河流湖泊大部分分布在長江以南地區，導致水資源地域分布不均，華北、西北由于干旱少雨，資源型缺水嚴重。重點流域人口稠密，經濟較發達、需水量大，水資源開發利用率已接近或超過其承載能力，如遼河流域水資源開發程度達到76%，淮河達到53%，海河已超過100%。隨著工業化、城鎮化深入發展，水資源需求將在較長一段時間內持續增長，加之全球氣候變化影響，水資源供需矛盾將更加尖銳，我國水資源短缺形勢將更為嚴峻。
為了改善我國重點流域水環境質量，緩解水資源短缺，保障水生態健康和飲水安全，國家水專項設置了由北京碧水源科技股份有限公司承擔的“高品質再生水與水體凈化成套裝備研發及產業化”課題，針對城鎮污水處理廠尾水以及重點流域入湖入河劣Ⅴ類水，研發具有自主知識產權的超低壓反滲透膜并實現規模化生產，采用以“超/微濾-超低壓反滲透”技術為核心的水處理工藝進行深度處理，進一步削減其污染負荷，形成穩定的高品質再生水，找到一條適合我國國情的解決“水臟”、“水少”問題的重要途徑。
據課題組負責人介紹，課題執行期從2014年1月開始至2017年12月結束，經過4年的研發和產業化推廣，成果顯著。課題研發出超低壓反滲透膜及嵌入增強型超濾膜材料，開發出以“超/微濾-超低壓反滲透”雙膜法為核心的具有自主知識產權的成套技術與裝備，建成規模化膜生產線及劣V類水體成套裝備生產平臺；形成行業級高品質再生水與水體凈化技術指南1套，提出水體凈化產業化服務的制度建議1份，申請并授權專利10項以上。課題研發成果應用于4座示范工程，并在全國范圍內推廣應用，累積推廣產值達14億元，應用規模超過80萬m3/d。課題的實施，實現了將城鎮污水廠尾水等劣Ⅴ類水處理至地表Ⅳ類以上水體，為緩解我國重點流域水污染嚴重和水資源匱乏的雙重難題提供一條新的技術路線。
突破關鍵技術高品質處理再生水
膜分離技術出水水質好、處理效果穩定，被稱為“21世紀水處理領域的關鍵技術”，其中超/微濾技術占地面積小，操作簡單，在水處理領域應用廣泛；反滲透（RO）技術分離精度高，出水水質安全穩定，是被廣泛接受和最可靠的高品質再生水處理技術。然而傳統RO膜系統操作壓力大、運行能耗高，預處理采用的超/微濾膜抗拉力不足、使用壽命短，成套技術應用缺乏系統研究等問題限制了其大規模產業化推廣應用。因此，突破膜材料和裝備制備與應用關鍵技術，形成劣V類水體處理成套技術與裝備，打破投資運行成本限制，是以膜為核心的高品質再生水處理技術在我國大規模推廣應用的關鍵。
課題組經過潛心研究，創新性地研制出具有自主知識產權的超低壓反滲透膜（DFRO）材料及元件，具有操作壓力低、適度脫鹽等特點，填補了技術空白，是更符合中國國情的一項創新技術。
據課題組負責人介紹，與全球主要反滲透和納濾膜研發生產廠家產品參數對比，本課題研發的超低壓反滲透（DFRO）產品的先進性體現為：DFRO操作壓力低于0.4MPa，與傳統RO和納濾膜相比分別下降了50%和30%左右，在降低運行成本方面具有優勢和潛力；DFRO脫鹽率更低，適用于不以脫鹽為目的的水處理。我國城鎮污水廠出水TDS濃度一般在200mg/L~400mg/L，不需要脫鹽，故我國高品質再生水處理技術的關鍵是深度去除水中有機污染物，而非鹽類。因此，項目研發的DFRO膜產品更適用于我國水處理行業需求，在污水深度處理領域具有巨大的優勢和應用前景。
據了解，課題目前已在北京市懷柔雁棲經濟開發區碧水源膜技術創新產業園建立了DFRO膜產品生產線，包括鑄膜車間、涂膜車間、組件車間、組器車間、檢測車間、包裝車間等，產品年產能達到400多萬平方米。
在超低壓反滲透膜及嵌入增強型超濾膜的研發基礎上，課題組通過技術集成，開發出以“超/微濾-超低壓反滲透”（U/MF-DFRO）技術（簡稱“雙膜法”技術）為核心的具有自主知識產權的成套技術與裝備，通過技術集成與工程示范，實現將城鎮污水處理廠出水等劣Ⅴ類水處理至Ⅲ類以上水體，為解決我國重點流域水污染嚴重和水資源匱乏的問題提供了一條新的技術路線。
據介紹，城鎮污水經過U/MF-DFRO處理，出水水質主要指標達到地表水Ⅲ類（總氮<5mg/L）標準，可以作為水源地的補充水，真正解決我國水資源匱乏的問題。超低壓反滲透系統運行壓力<0.4MPa，運行能耗低；產水回收率>90%，高于現有RO工程75%左右的回收率。
課題自主研發的以“超/微濾-超低壓反滲透”為核心的高品質再生水技術的先進性總結為：運行壓力低、能耗低、產水量大、出水水質標準高、系統回收率高（>90%）。這項雙膜技術是解決我國水資源短缺問題的一把“金鑰匙”，具有廣闊的應用前景。
據介紹，該課題建成了將劣Ⅴ類水處理為Ⅳ類以上水的成套技術綜合評價平臺。平臺對課題研發的超/微濾-超低壓反滲透、短流程高效超磁分離、MBBR脫氮、臭氧催化氧化等技術的可靠性與穩定性進行綜合評價，形成了將劣Ⅴ類水處理為Ⅳ類以上水的成套技術與裝備，為產業化應用與技術推廣提供支撐。平臺位于北京市海淀區翠湖新水源廠內，處理規模為50立方米/日，占地200平方米。
成果推廣應用加速產業化進程
據課題組相關人員介紹，課題研發的DFRO成套裝備分別在云南省昆明洛龍河污水處理水質提升試驗示范項目（2.5萬m3/d）和北京市海淀區翠湖再生水廠升級改造工程（7000m3/d）兩座示范工程中應用；課題研發的浸沒式超濾膜組器在廣東省珠海市南水水質凈化廠（5萬m3/d）中示范應用；課題研發的一體化高效超磁分離裝備在河北省燕郊高新區市政管理局黑臭水體綜合治理服務項目（5萬m3/d）中示范應用；示范工程總規模達13.2萬m3/d。另外，課題研發的4套裝備在全國范圍推廣應用規模超過80萬m3/d，形成產值超過14億元。例如新疆奇臺縣喇叭湖粱工業園區污水處理及再生利用工程、內蒙古呼和浩特公主府污水處理廠深度處理工程、天津市薊縣新生水項目、金梭島污水處理升級改造工程等，為解決水污染和水資源短缺問題提供了經濟可靠的一體化技術方案，產生了良好的示范帶動作用，對我國水污染治理成效的提升和治理理念的轉變，都起到了舉足輕重的作用。
北京市海淀區翠湖再生水廠升級改造工程（7000m3/d）作為課題中首個完成建設并投入運營的項目得到了政府、專家、行業的一致好評，接待了包括各級領導、高校師生、媒體人士等社會各界上萬人次的調研和采訪。工程位于北京市海淀區蘇家坨前沙澗村，改造前（1萬m3/d）采用“SBR+活性砂濾”工藝，2014年進行提標擴產改造，于9月完成改造后的翠湖新水源廠主體工藝為“MBR+DFRO”雙膜技術，MBR設計規模2萬m3/d，其中1.3萬m3/d的再生水執行北京市B標準，作為市政雜用水；其余的再生水經超低壓反滲透（DFRO）工藝進一步處理到北京市A標準，產水量7000m3/d，為翠湖濕地補水，促進翠湖濕地形成良好生態體系。工程為改善我國重點流域水環境質量、保障水質安全提供了技術支撐和工程示范。
經過對工程連續6個月監測，報告顯示，DFRO系統出水平均值：CODCr為5.0mg/L，BOD5為0.5mg/L，總氮為0.99mg/L，氨氮為0.05mg/L，總磷為0.03mg/L，系統回收率達90%。
進一步削減城鎮污水廠出水的污染負荷是我國重點流域水污染治理與水環境質量提升的客觀需求，符合國家水體污染控制與治理科技重大專項的科技需求和產業化需求。通過工程示范，將推動課題成果的大范圍推廣應用，為我國重點流域水環境質量、保障水質安全提供技術支撐，為我國水環境改善和水資源短缺做出重要貢獻。
形成指南建議構建技術支撐體系
課題組結合劣Ⅴ類水體處理技術與設備現狀，對技術的市場需求進行調研，并對治理技術進行篩選和評估。分析劣Ⅴ類水體處理技術與設備產業化影響因素，開展技術、設備的產業化機制與模式研究。圍繞實驗設備生產基地和工程中心的建設，構建產業化推廣平臺，編制成套工藝設備的技術規范，以探索劣Ⅴ類水體處理技術研發、裝備制造與水體凈化服務等一體化的水體污染治理產業化服務創新模式。
課題針對高品質再生水處理技術需求，編制了《高品質再生水與水體凈化技術指南》，指導高品質再生水成套技術設施的構建及運行。系統梳理高品質再生水凈化技術中的物理化學技術、生物深度處理技術、膜分離技術及消毒技術等，總結各類技術的工藝特點、設計參數和適用范圍，給出水質風險評價與管理對策。《指南》適用于以出水達到地表水Ⅳ類標準為目標的，擴建或改建的城鎮污水處理廠再生技術方案的選擇，再生利用工程設計、建設、運行、維護及管理等。
據了解，為加快高品質再生水技術研發、裝備制造與水體凈化服務等一體化工作的推進，規范一體化工作的操作流程，課題組制定了水體凈化產業化服務制度建議稿，以確保課題開展的各項技術研發、裝備制造與水體凈化服務順利完成；構建了劣Ⅴ類水體處理技術與設備推廣產業聯盟，引導一體化服務的健康發展，推動了高新技術成果的產業化，實現市場需求、技術研發和產業化推廣的有機銜接和相互促進，為重點流域水體水質改善提供技術支撐和產業化服務示范。
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