水专项“高品质再生水与水体净化成套装备研发及产业化”课题成果显著
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翠湖示范工程现场图
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专家考察示范工程现场
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超低压反渗透膜生产线
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双膜法工艺流程图
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超低压反渗透膜产品在示范工程中应用
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综合评价平台内景
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嵌入增强型中空纤维超滤膜生产线
课题背景
“十二五”期间，党中央、国务院将建设资源节约型、环境友好型社会作为加快经济发展方式转变的重要着力点，将推进重点流域水污染防治作为两型社会建设的重要内容，地方各级政府高度重视重点流域水污染防治工作，积极参与水环境保护，为重点流域水污染防治提供了新的历史机遇。尽管重点流域水污染防治工作取得了阶段性进展，但水环境形势依然严峻。
水污染严重是重点流域普遍存在的突出问题。
污水处理厂出水水质差，以此作为补水的湖河水环境容量被大量消耗，导致水体水质改善极为困难，是重点流域水体长期处于Ⅴ类及劣Ⅴ类严重污染状态的重要原因。
截至2017年12月底，全国城镇累计建成污水处理厂4119座，污水处理能力达1.82亿m3/d，每年排放的污水处理厂尾水超过600亿m3/d。2015年11月，原环境保护部发布《城镇污水处理厂污染物排放标准》（征求意见稿），除了提升现有排放标准外，新增特别排放限值，要求污水处理厂排放标准参照地表Ⅳ类水（TN除外）。按照“水十条”要求，敏感区域城镇污水处理设施应于2017年年底前全面达到一级A排放标准，据此“十三五”期间，城镇污水处理设施提标改造规模将达到4220万立方米/日。
对比我国城镇污水处理厂出水排放标准与地表水环境质量标准可知，以一级A标准排放的城镇污水处理厂尾水属于地表水劣Ⅴ类水质，仍属于污水范畴。
清洁的入湖入河补水对促进河湖水体的更新具有重要作用。已处于严重污染状态的河湖水体，水环境容量低，自净能力弱，若受纳微污染水体，特别是大量城镇污水处理厂尾水，将无法实现水体自净，甚至会加剧水体污染状况。只有提高入湖入河水的水质，进一步削减入湖入河污染物负荷，才有可能使处于严重污染状态的河湖水体休养生息，恢复健康的生态系统。以滇池为例，其河道受纳水体水质目标不宜低于地表水Ⅲ类（按水环境容量计算）。
水资源短缺是重点流域存在的另一个重要问题。
我国是一个严重缺水的国家，人均淡水资源量低，淡水资源的时空分布不均衡。据报道，我国人均淡水资源仅为世界人均水量的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。此外，由于我国重点河流湖泊大部分分布在长江以南地区，导致水资源地域分布不均，华北、西北由于干旱少雨，资源型缺水严重。重点流域人口稠密，经济较发达、需水量大，水资源开发利用率已接近或超过其承载能力，如辽河流域水资源开发程度达到76%，淮河达到53%，海河已超过100%。随着工业化、城镇化深入发展，水资源需求将在较长一段时间内持续增长，加之全球气候变化影响，水资源供需矛盾将更加尖锐，我国水资源短缺形势将更为严峻。
为了改善我国重点流域水环境质量，缓解水资源短缺，保障水生态健康和饮水安全，国家水专项设置了由北京碧水源科技股份有限公司承担的“高品质再生水与水体净化成套装备研发及产业化”课题，针对城镇污水处理厂尾水以及重点流域入湖入河劣Ⅴ类水，研发具有自主知识产权的超低压反渗透膜并实现规模化生产，采用以“超/微滤-超低压反渗透”技术为核心的水处理工艺进行深度处理，进一步削减其污染负荷，形成稳定的高品质再生水，找到一条适合我国国情的解决“水脏”、“水少”问题的重要途径。
据课题组负责人介绍，课题执行期从2014年1月开始至2017年12月结束，经过4年的研发和产业化推广，成果显著。课题研发出超低压反渗透膜及嵌入增强型超滤膜材料，开发出以“超/微滤-超低压反渗透”双膜法为核心的具有自主知识产权的成套技术与装备，建成规模化膜生产线及劣V类水体成套装备生产平台；形成行业级高品质再生水与水体净化技术指南1套，提出水体净化产业化服务的制度建议1份，申请并授权专利10项以上。课题研发成果应用于4座示范工程，并在全国范围内推广应用，累积推广产值达14亿元，应用规模超过80万m3/d。课题的实施，实现了将城镇污水厂尾水等劣Ⅴ类水处理至地表Ⅳ类以上水体，为缓解我国重点流域水污染严重和水资源匮乏的双重难题提供一条新的技术路线。
突破关键技术高品质处理再生水
膜分离技术出水水质好、处理效果稳定，被称为“21世纪水处理领域的关键技术”，其中超/微滤技术占地面积小，操作简单，在水处理领域应用广泛；反渗透（RO）技术分离精度高，出水水质安全稳定，是被广泛接受和最可靠的高品质再生水处理技术。然而传统RO膜系统操作压力大、运行能耗高，预处理采用的超/微滤膜抗拉力不足、使用寿命短，成套技术应用缺乏系统研究等问题限制了其大规模产业化推广应用。因此，突破膜材料和装备制备与应用关键技术，形成劣V类水体处理成套技术与装备，打破投资运行成本限制，是以膜为核心的高品质再生水处理技术在我国大规模推广应用的关键。
课题组经过潜心研究，创新性地研制出具有自主知识产权的超低压反渗透膜（DFRO）材料及元件，具有操作压力低、适度脱盐等特点，填补了技术空白，是更符合中国国情的一项创新技术。
据课题组负责人介绍，与全球主要反渗透和纳滤膜研发生产厂家产品参数对比，本课题研发的超低压反渗透（DFRO）产品的先进性体现为：DFRO操作压力低于0.4MPa，与传统RO和纳滤膜相比分别下降了50%和30%左右，在降低运行成本方面具有优势和潜力；DFRO脱盐率更低，适用于不以脱盐为目的的水处理。我国城镇污水厂出水TDS浓度一般在200mg/L~400mg/L，不需要脱盐，故我国高品质再生水处理技术的关键是深度去除水中有机污染物，而非盐类。因此，项目研发的DFRO膜产品更适用于我国水处理行业需求，在污水深度处理领域具有巨大的优势和应用前景。
据了解，课题目前已在北京市怀柔雁栖经济开发区碧水源膜技术创新产业园建立了DFRO膜产品生产线，包括铸膜车间、涂膜车间、组件车间、组器车间、检测车间、包装车间等，产品年产能达到400多万平方米。
在超低压反渗透膜及嵌入增强型超滤膜的研发基础上，课题组通过技术集成，开发出以“超/微滤-超低压反渗透”（U/MF-DFRO）技术（简称“双膜法”技术）为核心的具有自主知识产权的成套技术与装备，通过技术集成与工程示范，实现将城镇污水处理厂出水等劣Ⅴ类水处理至Ⅲ类以上水体，为解决我国重点流域水污染严重和水资源匮乏的问题提供了一条新的技术路线。
据介绍，城镇污水经过U/MF-DFRO处理，出水水质主要指标达到地表水Ⅲ类（总氮<5mg/L）标准，可以作为水源地的补充水，真正解决我国水资源匮乏的问题。超低压反渗透系统运行压力<0.4MPa，运行能耗低；产水回收率>90%，高于现有RO工程75%左右的回收率。
课题自主研发的以“超/微滤-超低压反渗透”为核心的高品质再生水技术的先进性总结为：运行压力低、能耗低、产水量大、出水水质标准高、系统回收率高（>90%）。这项双膜技术是解决我国水资源短缺问题的一把“金钥匙”，具有广阔的应用前景。
据介绍，该课题建成了将劣Ⅴ类水处理为Ⅳ类以上水的成套技术综合评价平台。平台对课题研发的超/微滤-超低压反渗透、短流程高效超磁分离、MBBR脱氮、臭氧催化氧化等技术的可靠性与稳定性进行综合评价，形成了将劣Ⅴ类水处理为Ⅳ类以上水的成套技术与装备，为产业化应用与技术推广提供支撑。平台位于北京市海淀区翠湖新水源厂内，处理规模为50立方米/日，占地200平方米。
成果推广应用加速产业化进程
据课题组相关人员介绍，课题研发的DFRO成套装备分别在云南省昆明洛龙河污水处理水质提升试验示范项目（2.5万m3/d）和北京市海淀区翠湖再生水厂升级改造工程（7000m3/d）两座示范工程中应用；课题研发的浸没式超滤膜组器在广东省珠海市南水水质净化厂（5万m3/d）中示范应用；课题研发的一体化高效超磁分离装备在河北省燕郊高新区市政管理局黑臭水体综合治理服务项目（5万m3/d）中示范应用；示范工程总规模达13.2万m3/d。另外，课题研发的4套装备在全国范围推广应用规模超过80万m3/d，形成产值超过14亿元。例如新疆奇台县喇叭湖粱工业园区污水处理及再生利用工程、内蒙古呼和浩特公主府污水处理厂深度处理工程、天津市蓟县新生水项目、金梭岛污水处理升级改造工程等，为解决水污染和水资源短缺问题提供了经济可靠的一体化技术方案，产生了良好的示范带动作用，对我国水污染治理成效的提升和治理理念的转变，都起到了举足轻重的作用。
北京市海淀区翠湖再生水厂升级改造工程（7000m3/d）作为课题中首个完成建设并投入运营的项目得到了政府、专家、行业的一致好评，接待了包括各级领导、高校师生、媒体人士等社会各界上万人次的调研和采访。工程位于北京市海淀区苏家坨前沙涧村，改造前（1万m3/d）采用“SBR+活性砂滤”工艺，2014年进行提标扩产改造，于9月完成改造后的翠湖新水源厂主体工艺为“MBR+DFRO”双膜技术，MBR设计规模2万m3/d，其中1.3万m3/d的再生水执行北京市B标准，作为市政杂用水；其余的再生水经超低压反渗透（DFRO）工艺进一步处理到北京市A标准，产水量7000m3/d，为翠湖湿地补水，促进翠湖湿地形成良好生态体系。工程为改善我国重点流域水环境质量、保障水质安全提供了技术支撑和工程示范。
经过对工程连续6个月监测，报告显示，DFRO系统出水平均值：CODCr为5.0mg/L，BOD5为0.5mg/L，总氮为0.99mg/L，氨氮为0.05mg/L，总磷为0.03mg/L，系统回收率达90%。
进一步削减城镇污水厂出水的污染负荷是我国重点流域水污染治理与水环境质量提升的客观需求，符合国家水体污染控制与治理科技重大专项的科技需求和产业化需求。通过工程示范，将推动课题成果的大范围推广应用，为我国重点流域水环境质量、保障水质安全提供技术支撑，为我国水环境改善和水资源短缺做出重要贡献。
形成指南建议构建技术支撑体系
课题组结合劣Ⅴ类水体处理技术与设备现状，对技术的市场需求进行调研，并对治理技术进行筛选和评估。分析劣Ⅴ类水体处理技术与设备产业化影响因素，开展技术、设备的产业化机制与模式研究。围绕实验设备生产基地和工程中心的建设，构建产业化推广平台，编制成套工艺设备的技术规范，以探索劣Ⅴ类水体处理技术研发、装备制造与水体净化服务等一体化的水体污染治理产业化服务创新模式。
课题针对高品质再生水处理技术需求，编制了《高品质再生水与水体净化技术指南》，指导高品质再生水成套技术设施的构建及运行。系统梳理高品质再生水净化技术中的物理化学技术、生物深度处理技术、膜分离技术及消毒技术等，总结各类技术的工艺特点、设计参数和适用范围，给出水质风险评价与管理对策。《指南》适用于以出水达到地表水Ⅳ类标准为目标的，扩建或改建的城镇污水处理厂再生技术方案的选择，再生利用工程设计、建设、运行、维护及管理等。
据了解，为加快高品质再生水技术研发、装备制造与水体净化服务等一体化工作的推进，规范一体化工作的操作流程，课题组制定了水体净化产业化服务制度建议稿，以确保课题开展的各项技术研发、装备制造与水体净化服务顺利完成；构建了劣Ⅴ类水体处理技术与设备推广产业联盟，引导一体化服务的健康发展，推动了高新技术成果的产业化，实现市场需求、技术研发和产业化推广的有机衔接和相互促进，为重点流域水体水质改善提供技术支撑和产业化服务示范。
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