浸沒(méi)式超濾膜用于污水處理廠深度處理的試驗(yàn)

操家順，陸曉光，方 芳

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098;3.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，江蘇南京 210098)

隨著膜材料和工藝的不斷發(fā)展，超濾技術(shù)已經(jīng)成為污水深度處理中一個(gè)重要的技術(shù)選擇［1-2］。超濾膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，便于維修，與傳統(tǒng)的深度處理技術(shù)相比，具有出水水質(zhì)好、占地面積小、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，尤其在去除SS、微生物等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)［3］。

本試驗(yàn)所在的污水處理廠已建成5 萬(wàn)t/d 的污水回用工程，供給周邊鋼鐵廠的循環(huán)冷卻水，處理工藝為“微絮凝→砂濾→臭氧→氯消毒”。本試驗(yàn)以污水處理廠二沉池出水為原水，研究超濾裝置對(duì)不同污染物質(zhì)的去除效果，并與污水處理廠原深度處理工藝中砂濾池的去除效果進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 工藝流程

中試裝置的處理規(guī)模為31.2 m3/d。超濾膜采用SMM-1010 型PVDF 外壓中空纖維膜，孔徑小于0.1 μm。中試裝置包含3 個(gè)簾式膜組件，單個(gè)膜組件有效膜面積為10 m2。超濾膜比通量為1.66 ～2.11 L/(m2·h·kPa)，反沖洗通量為8.3 L/min，跨膜壓差小于或等于50 kPa。每運(yùn)行30 min 反沖洗1 min?；瘜W(xué)反沖洗與水反沖洗同步，藥劑采用0.5%檸檬酸溶液，每7 d 1 次。試驗(yàn)期間日平均溫度15.1 ～18.8 ℃。出水要求達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的要求。

工藝流程如圖1 所示。二沉池出水經(jīng)過(guò)加藥間加入絮凝劑硫酸鋁，通過(guò)管道混合器混合絮凝，直接進(jìn)入浸入式超濾膜中試裝置。

圖1 工藝流程圖

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

超濾裝置進(jìn)水為污水處理廠二沉池出水，具體水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

由表1 可見(jiàn)，原水的TN、NH3-N、硬度、pH 等指標(biāo)均符合出水及回用水要求，渾濁度、SS、TP、糞大腸菌群等指標(biāo)尚不達(dá)標(biāo)。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)及分析方法

pH 值測(cè)定采用雷磁PHS-3C 型pH 計(jì)，渾濁度測(cè)定采用昕瑞WGZ-20S 濁度計(jì)，COD 測(cè)定采用快速密閉催化消解法，UV254測(cè)定采用UV1102 紫外分光光度計(jì)，TN 測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，TP 測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法，NH3-N 測(cè)定采用納式試劑光度法(GB7479—1987)，大腸桿菌及糞大腸桿菌的檢測(cè)均采用濾膜法(GB5750—85)，SS測(cè)定采用重量法。

2 結(jié)果與討論

2.1 投加的最佳絮凝劑質(zhì)量濃度的確定

污水的渾濁度和有機(jī)物濃度等過(guò)高，容易增加超濾膜負(fù)荷，影響出水水質(zhì)?；炷饔猛ㄟ^(guò)壓縮微顆粒表面雙電層、電中和及架橋、網(wǎng)捕、吸附等化學(xué)物理過(guò)程，可將水中的懸浮物、膠體和可絮凝的其他物質(zhì)聚成絮團(tuán)，從而將污染物除去。試驗(yàn)在超濾前投加絮凝劑硫酸鋁，為了能得到較好的污染物去除效果和較輕的膜污染，試驗(yàn)需討論投加的最佳絮凝劑質(zhì)量濃度。試驗(yàn)投加的絮凝劑硫酸鋁質(zhì)量濃度分別為0，2，4，6，8 mg/L。由于超濾工藝對(duì)渾濁度、SS、糞大腸菌群的去除起保障作用的，是超濾膜的篩分作用，而不是絮凝劑的絮凝效果［4］，因此，投加的絮凝劑最佳質(zhì)量濃度主要通過(guò)有機(jī)物和TP 的去除率以及膜污染情況來(lái)確定。其中有機(jī)物的去除率通過(guò)COD 和UV254的去除率表征，膜污染情況通過(guò)跨膜壓差的變化表征。

絮凝劑對(duì)疏水性及中性有機(jī)物的有效去除是其能去除有機(jī)物的主要原因［5］，對(duì)TP 的去除主要依靠鋁離子與正磷酸根結(jié)合成不溶性鹽。投加的絮凝劑質(zhì)量濃度與污染物去除率的關(guān)系見(jiàn)圖2。隨著絮凝劑的投加，超濾裝置對(duì)有機(jī)物和TP 去除率有明顯的提高，投加的絮凝劑質(zhì)量濃度在2 ～4 mg/L 時(shí)效果最為明顯，且可滿足出水水質(zhì)要求，投加的絮凝劑質(zhì)量濃度超過(guò)4 mg/L 后，污染物去除率增長(zhǎng)趨緩。

表1 污水處理廠二沉池出水水質(zhì)

圖2 投加的絮凝劑質(zhì)量濃度與污染物去除率的關(guān)系

投加的絮凝劑質(zhì)量濃度對(duì)跨膜壓差增量的影響見(jiàn)圖3。在10 個(gè)反沖洗周期結(jié)束后，未投加絮凝劑的跨膜壓差增量達(dá)到7.6 kPa，而投加絮凝劑的跨膜壓差增量低于4.0 kPa。與未投加絮凝劑時(shí)相比，跨膜壓差的增量明顯降低。由圖3 可知，跨膜壓差增量并未與投加的絮凝劑質(zhì)量濃度成反比，投加的絮凝劑質(zhì)量濃度在4 ～6 mg/L 時(shí)效果最好，達(dá)到8 mg/L后跨膜壓差增量反而增加，其主要原因?yàn)?投加較小質(zhì)量濃度的絮凝劑產(chǎn)生的絮體較少，超濾膜表面形成濾餅層的時(shí)間長(zhǎng)且濾餅層疏松;投加的絮凝劑質(zhì)量濃度達(dá)到8 mg/L 后形成的絮體變多，超濾膜表面形成濾餅層更快且密實(shí)，更不容易在反沖洗中被沖洗掉。

圖3 投加的絮凝劑質(zhì)量濃度與跨膜壓差增量關(guān)系

2.2 超濾裝置對(duì)污染物的去除效果

2.2.1 渾濁度去除效果

超濾膜孔徑小于0.1 μm，能有效截留原水中的懸浮固體和膠體顆粒，對(duì)渾濁度有明顯的去除效果［6-7］。較砂濾工藝，超濾工藝可截留懸浮物質(zhì)的粒徑遠(yuǎn)小于砂濾工藝［8］。超濾裝置出水和砂濾池出水渾濁度的去除效果對(duì)比情況見(jiàn)圖4。

圖4 超濾裝置與砂濾池對(duì)渾濁度的去除效果對(duì)比

由圖4 可看出，當(dāng)原水渾濁度為4.26 ～8.52 NTU 時(shí)，經(jīng)過(guò)超濾處理出水渾濁度為0.17 ～0.49 NTU，平均去除率94%;污水處理廠砂濾池的出水渾濁度為0.75 ～2.00 NTU，平均去除率81%。超濾和砂濾出水雖然都能達(dá)到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的標(biāo)準(zhǔn)，但超濾出水渾濁度明顯更小些。

2.2.2 SS 去除效果

超濾裝置對(duì)SS 的去除主要是依靠物理篩分作用，而砂濾則主要依靠懸浮顆粒與濾料顆粒之間的粘附作用，因此超濾裝置對(duì)SS 的去除能力強(qiáng)于砂濾［9］。超濾裝置對(duì)SS 的去除效果見(jiàn)圖5。

圖5 超濾裝置與砂濾池對(duì)SS 的去除效果對(duì)比

由圖5 看出，原水ρ(SS)為22.2 ～38.9 mg/L時(shí)，超濾裝置出水ρ(SS)為0.4 ～1.0 mg/L，平均去除率97%，懸浮固體幾乎全部被超濾膜截留。污水處理廠砂濾池的出水ρ(SS)為2.9 ～7.1 mg/L，平均去除率85%。相比于砂濾池，超濾裝置對(duì)SS 的去除率高且出水穩(wěn)定。

2.2.3 COD 去除效果

超濾裝置對(duì)COD 的去除效果見(jiàn)圖6。從圖6 可看出，原水中COD 的質(zhì)量濃度為16.6 ～26.9 mg/L時(shí)，超濾裝置出水中COD 的質(zhì)量濃度為2.9 ～9.6 mg/L，平均去除率76%。污水處理廠砂濾池出水中COD 的質(zhì)量濃度為9.3 ～18.4 mg/L，平均去除率35%。超濾較砂濾的去除效果更加穩(wěn)定，其主要原因?yàn)槌瑸V裝置對(duì)有機(jī)物的去除主要依靠截留吸附作用，當(dāng)絮凝劑加入到原水后，同膠體物質(zhì)發(fā)生電中和及吸附反應(yīng)，形成粒徑更大的高聚物絮凝體［10］，絮體被超濾膜截留，從而使進(jìn)水中大分子及膠體有機(jī)物得到有效去除［11-12］;而對(duì)于可溶性的小分子有機(jī)物，混凝作用對(duì)其去除效果較差，且超濾膜無(wú)法對(duì)其有效篩分，因此超濾裝置對(duì)其基本無(wú)去除效果［13］。砂濾對(duì)COD 的去除主要依靠絮體和濾料表面的黏附作用［14］，黏附過(guò)程主要受濾料和水中顆粒的表面物理化學(xué)性質(zhì)的影響。超濾裝置出水中COD 的質(zhì)量濃度為2.9 ～9.6 mg/L，這已達(dá)到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 超濾裝置與砂濾池對(duì)COD 的去除效果對(duì)比

2.2.4 TP 去除效果

超濾裝置對(duì)TP 的去除效果見(jiàn)圖7。從圖7 可看出，原水中TP 的質(zhì)量濃度為0.55 ～0.86 mg/L，超濾裝置出水中TP 的質(zhì)量濃度為0.25 ～0. 36 mg/L，平均去除率52%。污水處理廠砂濾池出水中TP 的質(zhì)量濃度為0.27 ～0.40 mg/L，平均去除率49%，與超濾裝置去除率差別不大。超濾裝置對(duì)TP 的去除機(jī)理主要是鋁離子與正磷酸根結(jié)合產(chǎn)生不溶于水的鹽，從而被超濾膜截留［15］，超濾對(duì)溶解態(tài)的正磷酸根本身去除作用不大，這也是在處理相同硫酸鋁投加量的原水情況下，超濾與砂濾TP 去除率接近的原因。

圖7 超濾裝置與砂濾池對(duì)TP 的去除效果對(duì)比

2.2.5 糞大腸菌群去除效果

超濾對(duì)糞大腸菌群的去處主要依靠其物理篩分作用。超濾裝置糞大腸菌群的去除效果見(jiàn)表2。超濾裝置對(duì)糞大腸菌群的去除率達(dá)到100%。超濾膜的孔徑小于0.1 μm，而大腸桿菌的大小為1 ～3 μm，理論上可完全去除［16］。超濾工藝出水能滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的標(biāo)準(zhǔn)。與砂濾相比，超濾工藝在對(duì)糞大腸菌群的去除效果表現(xiàn)出優(yōu)越性。

表2 超濾裝置對(duì)糞大腸菌群的去除效果

3 結(jié) 論

a. 超濾裝置對(duì)二沉池出水中SS、渾濁度和糞大腸菌群的去除效果明顯，對(duì)SS 的去除率大于96%，對(duì)渾濁度的去除率大于94%，對(duì)糞大腸菌群的去除率達(dá)到100%;對(duì)COD 的去除率大于76%，高于絮凝+砂濾工藝的去除效果;對(duì)TP 的去除率52%，與砂濾處理效果相仿。

b. 現(xiàn)有的進(jìn)水情況下，超濾裝置出水完全滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的要求，并達(dá)到了GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中循環(huán)冷卻用水的水質(zhì)要求，優(yōu)于砂濾池出水水質(zhì)。

［1］王申，許立群，張有倉(cāng)，等.混凝沉淀深度處理混合化工污水二級(jí)出水的研究［J］. 工業(yè)用水與廢水，2012，43(1):28-31.(WANG Shen，XU Liqun，ZHANG Youcang，et al. Advanced treatment of secondary effluent of mixed chemical wastewater by coagulation and sedimentation［J］.Industrial Water ＆ Wastewater，2012，43(1):28-31.(in Chinese))

［2］黃謹(jǐn)輝，曾光明，許珂，等.超濾分離技術(shù)在污水處理中的研究與應(yīng)用［J］. 過(guò)濾與分離，2005，15(1):5-8.(HUANG Jinhui，ZENG Guangming，XU Ke，et al.Research and application of ultrafiltration membrane in wastewater treatment［J］. Journal of Filter ＆ Separator，2005，15(1):5-8.(in Chinese))

［3］孫德棟，張啟修.用超濾法處理回用生活污水［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，34(2):144-147.(SUN Dedong，ZHANG Qixiu. Treatment of domestic wastewater using ultrafiltration for reuse［J］. Journal of Central South University of Technology:Natural Science，2003，34(2):144-147.(in Chinese))

［4］劉云南，尹華升，夏黃建.微絮凝-超濾工藝處理微污染水源水的中試研究［J］. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7(12):122-125. (LIU Yunnan，YIN Huasheng，XIA Huangjian. Study on micropolluted water treatment with microflocculation-UF process in pilot plant［J］.Techniques ＆ Equipment for Environmental Pollution Control，2006，7(12):122-125.(in Chinese))

［5］DONG Bingzhi，CHEN Yan，GAO Naiyun，et al. Effect of coagulation pretreatment on the fouling of ultrafiltration membrane［J］. Journal of Environmental Sciences，2007，19(3):278-283.

［6］于明梅，于水利，阮婷，等.高濃度粉末活性炭/超濾工藝的除污效能［J］. 中國(guó)給水排水，2011，27(23):8-12.(YU Mingmei，YU Shuili，RUAN Ting，et al. Study on pollutant removal efficiency of combined system of high concentration powdered activated carbon and ultrafiltration［J］.China Water ＆ Wastewater，2011，27(23):8-12.(in Chinese))

［7］楊憶新，劉文君，尹艷敏.超濾/粉末活性炭組合工藝深度處理黃河源水［J］.中國(guó)給水排水，2010，26(15):48-50. (YANG Yixin，LIU Wenjun，YIN Yanmin. Combined process of ultrafiltration and PAC for advanced treatment of source water from Yellow River［J］. China Water ＆Wastewater，2010，26(15):48-50.(in Chinese))

［8］ QIN Jianjun，MAUNG H O，LEE H，et al. Dead-end ultrafiltration for pretreatment of RO in reclamation of municipal wastewater effluent［J］. Journal of Membrane Science，2004，243(1/2):107-113.

［9］傅金祥，陳正清，趙玉華，等.微絮凝過(guò)濾處理污水廠二級(jí)出水用作景觀水研究［J］. 中國(guó)給水排水，2006，22(19):65-68. (FU Jinxiang，CHEN Zhengqing，ZHAO Yuhua，et al. Study on secondary effluent reuse as scenic water by using microflocculation filtration［J］. China Water ＆ Wastewater，2006，22 (19 ):65-68. (in Chinese))

［10］李桂平，欒兆坤. 微絮凝-直接過(guò)濾工藝在城市污水深度處理中的應(yīng)用研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002，3(4):65-67. (LI Guiping，LUAN Zhaokun. The study of phosphorus removal for secondary effluent in advanced municipalwastewatertreatmentusing microflocculation-direct filtration ［J］. Techniques ＆Equipment for Environmental Pollution Control，2002，3(4):65-67.(in Chinese))

［11］張繼偉，曾杭成，張國(guó)亮，等. 絮凝-超濾組合工藝深度處理印染廢水及阻力分析［J］. 水處理技術(shù)，2009，35(11):84-88.(ZHANG Jiwei，ZENG Hangcheng，ZHANG Guoliang，et al. Advanced treatment of industrial textile wastewater by ultrafiltration with coagulation ［J］.Technology of Water Treatment，2009，35(11):84-88.(in Chinese))

［12］ KIM S H，MOON S Y，YOON C H，et al. Role of coagulation in membrane filtration of wastewater for reuse［J］.Desalination，2005，173:301-307.

［13］LEE E K，CHEN V，F(xiàn)ANE A G. Natural organic matter(NOM)fouling in low pressure membrane filtration-effect of membranes and operation modes［J］. Desalination，2008，218(1/3):257-270.

［14］嚴(yán)偦世.給水工程［M］.4 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［15］劉志剛，虞靜靜，馬天，等. 污水深度處理微絮凝-砂濾工程實(shí)例［J］. 環(huán)境工程，2011，29(4):15-17. (LIU Zhigang，YU Jingjing，MA Tian，et al. Engineering design of micro-flocculation-sand filtration of advanced wastewater treatment［J］. Environmental Engineering，2011，29(4):15-17.(in Chinese))

［16］王錦，曹宇，王曉昌，等.超濾及其組合工藝對(duì)污水的深度處理試驗(yàn)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25(2):14-16.(WANG Jin，CAO Yu，WANG Xiaochang，et al. Ultrafiltration and its hybrid processes for tertiary treatment of sewage［J］. Environmental Science ＆ Technology，2002，25(2):14-16.(in Chinese))