雙膜法在污水再生處理中的應(yīng)用及運(yùn)行維護(hù)

李瑞峰， 于守政， 李治剛

（魯泰紡織股份有限公司， 山東 淄博 255100）

隨著水資源的日益短缺， 工業(yè)用水緊張， 污水再生利用顯得尤為重要， 其中雙膜法回用技術(shù)是目前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水的深度處理回用［1-3］、 市政污水的再生利用［4-5］及鍋爐補(bǔ)給水處理［6］。 雙膜法是將不同的膜技術(shù)組合在一起的工藝， 結(jié)構(gòu)緊湊、 占地面積小、 藥劑消耗量低、 處理效果穩(wěn)定、 運(yùn)行管理安全可靠， 雙膜法運(yùn)用于污水再生可達(dá)到節(jié)約資源、 降低成本的目的， 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［3-4］。 本文介紹了淄博市某污水處理廠尾水采用雙膜法進(jìn)行再生回用處理的工程實(shí)例， 介紹了雙膜法的工藝流程、 設(shè)計(jì)參數(shù)及主要設(shè)備設(shè)施配置情況， 為其他類似的再生水處理工程的設(shè)計(jì)、 建設(shè)和運(yùn)行提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)水質(zhì)、 水量

淄博市某污水處理廠采用氧化溝+高密度沉淀池的處理工藝， 設(shè)計(jì)處理規(guī)模為8×104m3／d， 出水水質(zhì)優(yōu)于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)污水水質(zhì)特點(diǎn)及用水水質(zhì)的要求， 設(shè)計(jì)再生水處理系統(tǒng)產(chǎn)水能力為2×104m3／d， 總回收率為65%。 再生水用于紡織印染， 再生水水質(zhì)根據(jù)用水企業(yè)的要求設(shè)計(jì)， 再生水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水和再生水水質(zhì)見表1。

2 工藝流程

淄博市為干旱、 缺水地區(qū)， 工業(yè)企業(yè)較多， 污水水質(zhì)復(fù)雜且變化大。 由于用水企業(yè)生產(chǎn)高檔色織、 匹染面料， 生產(chǎn)用水控制嚴(yán)格， 且要求水質(zhì)、水量穩(wěn)定， 因此本系統(tǒng)采用雙膜法的處理工藝。鈣、 鎂離子對(duì)印染過程有不利的影響， 易造成面料質(zhì)量降低， 因此用水企業(yè)對(duì)再生水硬度極為關(guān)注，要求再生水總硬度不能超過20 mg／L， 高品質(zhì)再生水需要反滲透膜保持較高的脫鹽率。 再生水處理系統(tǒng)進(jìn)水電導(dǎo)率較高， 最高時(shí)接近8 000 μS／cm， 造成反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力大、 能耗高。 同時(shí)， 污水中鈣、 鎂、 硫酸根離子含量高， 堿度高， 容易引起超濾膜、 反滲透膜結(jié)垢。 污水中含有一定的鐵、 錳離子， 會(huì)加快超濾、 反滲透膜的污堵。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)水和再生水水質(zhì)Tab. 1 Design influent water and reclaimed water quality

根據(jù)上述水質(zhì)特點(diǎn)， 采用預(yù)處理-超濾-反滲透的主體處理工藝， 主要處理系統(tǒng)包括預(yù)處理系統(tǒng)、 超濾系統(tǒng)、 反滲透系統(tǒng)， 具體工藝流程見圖1。

圖1 再生水處理工藝流程Fig.1 Process flow of reclaimed water treatment

由于污水處理廠尾水中微生物活性高， 會(huì)造成后續(xù)超濾、 反滲透系統(tǒng)的微生物滋生， 需要在預(yù)處理環(huán)節(jié)加氯消毒。 同時(shí)， 進(jìn)水中含有一定濃度的鐵、 錳離子， 會(huì)造成反滲透膜的污堵， 需要在預(yù)處理環(huán)節(jié)中去除。 預(yù)處理水池采用加氯氧化， 將二價(jià)的亞鐵離子氧化成三價(jià)鐵離子， 形成氫氧化鐵， 將二價(jià)錳離子氧化成二氧化錳（MnO2）， 最后形成懸浮物， 在超濾膜的截留作用下去除。

經(jīng)過預(yù)處理的污水用原水泵提升至自清洗過濾器進(jìn)行初步過濾， 去除水體中懸浮物、 顆粒物， 降低濁度， 防止大顆粒物對(duì)超濾膜的損傷。 自清洗過濾器初濾后的污水經(jīng)過超濾膜過濾， 去除水中懸浮物、 膠體、 蛋白質(zhì)、 微生物和大分子有機(jī)物， 超濾產(chǎn)水進(jìn)入中間水池。

超濾產(chǎn)水經(jīng)過反滲透系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，去除水中無機(jī)鹽、 有機(jī)物等雜質(zhì)。 為了保護(hù)反滲透膜元件， 反滲透前設(shè)置保安過濾器。 反滲透前配有還原劑（焦亞硫酸鈉）、 阻垢劑、 非氧化性殺菌劑加藥裝置， 加藥點(diǎn)位置在保安過濾器前。 還原劑和阻垢劑為連續(xù)投加， 非氧化性殺菌劑為沖擊型投加。還原劑是為了去除加氯消毒過程中產(chǎn)生的余氯， 防止反滲透膜被氧化。 由于反滲透進(jìn)水中總硬度（以CaCO3計(jì)）約為800 ～1 200 mg／L， 硫酸鹽質(zhì)量濃度約為800 ～1 200 mg／L， 反滲透存在硫酸鈣結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)， 需要投加阻垢劑， 避免后端膜元件結(jié)垢。 用非氧化性殺菌劑定期對(duì)反滲透裝置進(jìn)行殺菌， 抑制微生物在膜系統(tǒng)中的滋生。

本系統(tǒng)進(jìn)水pH 值約為7 ～8， 總堿度（以CaCO3計(jì)）約為300 ～500 mg／L， 主要為重碳酸鹽堿度，造成反滲透產(chǎn)水pH 值降低， 反滲透產(chǎn)水pH 值在4.5 左右， 比進(jìn)水pH 值下降幅度達(dá)到2.5 ～3.0， 反滲透產(chǎn)水不能直接使用。 脫碳器是根據(jù)亨利定律，用鼓風(fēng)機(jī)將反滲透產(chǎn)水中的CO2不斷從水中解析排出。 水從填料上部進(jìn)入， 分散在填料表面， 并在填料表面形成許多水膜， 空氣通過鼓風(fēng)機(jī)自下部鼓入， 與水接觸后， 將水中CO2不斷解析排出。 反滲透產(chǎn)水經(jīng)過脫碳器后， pH 值提高至6.5 以上。

3 主要構(gòu)筑物及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 預(yù)處理水池。 1 座， 全地下鋼砼結(jié)構(gòu)， 有效容積為600 m3， 水力停留時(shí)間為30 min。 設(shè)計(jì)有效氯投加量為0 ～35 mg／L。 配備原水泵5 臺(tái)， 4 用1 備， 單臺(tái)流量為360 m3／h， 揚(yáng)程為23 m， 變頻控制， 原水泵過流部件采用316 不銹鋼材質(zhì)， 配套管路、 閥門等做內(nèi)部防腐處理。

（2） 自清洗過濾器。 配備4 臺(tái)吸污式自清洗過濾器， 臥式， 單臺(tái)最大處理流量為360 m3／h， 濾網(wǎng)材質(zhì)316 不銹鋼， 過濾精度為200 μm。

（3） 超濾。 采用UHS-620A 型浸沒式超濾膜組件， 材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF）。 單支浸沒式超濾膜組件過濾面積為50 m2， 過濾孔徑為0.08 μm，設(shè)計(jì)通量為40 L／（m2·h）。 浸沒式超濾系統(tǒng)共采用了612 支膜組件， 分為6 套超濾系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)總產(chǎn)水量為1 200 m3／h， 每套超濾設(shè)計(jì)安裝102 支膜組件。 超濾每運(yùn)行30 min， 自動(dòng)對(duì)超濾膜進(jìn)行一次水氣聯(lián)合反洗。 超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)回收率大于等于92%，設(shè)計(jì)產(chǎn)水濁度小于1 NTU， SDI 小于3。

每套超濾配備1 臺(tái)超濾透過液泵， 流量為269 m3／h， 揚(yáng)程為14 m， 變頻控制， 為浸沒式超濾提供負(fù)壓產(chǎn)水。 6 組超濾共用超濾反洗泵和羅茨風(fēng)機(jī)，用于超濾膜的水氣聯(lián)合反洗。 超濾反洗泵1 用1 備，流量為270 m3／h， 揚(yáng)程為25 m。 羅茨風(fēng)機(jī)1 用1 備，風(fēng)量為9 m3／min， 壓力為40 kPa。 超濾產(chǎn)水進(jìn)入中間水池， 全地下鋼砼結(jié)構(gòu)， 有效容積為1 500 m3。

（4） 保安過濾器。 6 臺(tái)， 直徑為556 mm， 高度為2.1 m， 外殼材質(zhì)為SS316， 單臺(tái)最大處理能力為210 m3／h。 每臺(tái)保安過濾器內(nèi)置6 支大流量折疊濾芯， 濾芯材質(zhì)為聚丙烯（PP）， 過濾精度為5 μm。 保安過濾器前設(shè)增壓泵， 6 用1 備， 單臺(tái)流量為210 m3／h， 揚(yáng)程為35 m。

（5） 反滲透。 6 套， 設(shè)計(jì)回收率可達(dá)70%。 單套反滲透含36 支膜組件， 一級(jí)兩段式排列（24 ∶12）， 每個(gè)膜組件內(nèi)含6 支反滲透膜元件， 共216支膜元件， 單套產(chǎn)水能力為139 m3／h。 反滲透膜選用抗污染膜， 型號(hào)BW30FR-400／34i， 膜元件直徑為20.1 cm， 長度為102.9 cm。

每套反滲透配置1 臺(tái)高壓泵， 為臥式離心泵，單臺(tái)流量為214 m3／h， 揚(yáng)程為154 m。

（6） 脫碳器。 4 臺(tái)鼓風(fēng)脫碳器， 單臺(tái)處理能力為210 m3／h。 脫碳器直徑為2.5 m， 高度為4.8 m，內(nèi)部采用襯膠防腐處理， 布水管采用不銹鋼材質(zhì)，脫碳器內(nèi)裝有直徑50 mm 的多面空心球填料， 填料材質(zhì)為聚丙烯（PP）。 每臺(tái)脫碳器配備1 臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)， 風(fēng)量為5 712 ～10 562 m3／h。

4 雙膜法系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)

對(duì)超濾膜、 反滲透膜進(jìn)行定期的化學(xué)清洗，是延長膜使用壽命， 保證正常運(yùn)行的最有效手段。

4.1 超濾膜的化學(xué)清洗

超濾膜污堵是運(yùn)行過程中常見的問題， 需要分析污堵原因并進(jìn)行合理的化學(xué)清洗［7］。 由于本系統(tǒng)原水中微生物、 鐵、 錳、 硫酸鹽、 總硬度濃度高，超濾膜表面截留大量的氫氧化鐵、 二氧化錳， 超濾膜表面在運(yùn)行3 d 后就被紅色的污染物完全覆蓋，鐵、 錳是超濾膜污堵最嚴(yán)重的污染組分。 其次， 微生物在超濾膜表面被截留并大量繁殖， 微生物是超濾膜最常見的污染物。 連續(xù)運(yùn)行3 個(gè)月左右， 超濾膜出現(xiàn)了輕度的碳酸鈣、 硫酸鈣結(jié)垢， 導(dǎo)致超濾膜存在各種組分的復(fù)合污染， 難以用單一方法清洗。針對(duì)出現(xiàn)的污染組分， 研究了對(duì)應(yīng)的清洗藥劑和方法， 保證超濾膜得到有效的恢復(fù)性清洗， 具體見表2。 實(shí)際清洗時(shí)， 需要根據(jù)不同的污堵方式和嚴(yán)重程度， 靈活選擇清洗藥劑和清洗劑濃度。

表2 超濾膜的污染組分及清洗方法Tab. 2 Pollution components of ultrafiltration membrane and its cleaning method

4.2 反滲透膜的化學(xué)清洗

在反滲透運(yùn)行過程中， 微生物、 有機(jī)物的污堵是經(jīng)常發(fā)生的問題， 造成反滲透進(jìn)水壓力增加， 段間壓差增加， 產(chǎn)水量降低［8-9］。 由于污水處理廠進(jìn)水復(fù)雜， 水質(zhì)季節(jié)性差異大， 導(dǎo)致本系統(tǒng)的反滲透膜在夏季時(shí)污堵更加嚴(yán)重和頻繁， 1 周內(nèi)反滲透壓差可以增加至0.4 MPa， 產(chǎn)水量降低30% 以上。 每年5 ～9 月份， 一般需要每月進(jìn)行1 次反滲透膜的清洗， 其余時(shí)間可以每季度進(jìn)行1 次反滲透膜的清洗。

污堵主要集中在反滲透系統(tǒng)前端的膜元件， 需要對(duì)這些膜元件進(jìn)行拆除， 單獨(dú)進(jìn)行離線清洗［10］。對(duì)于本系統(tǒng)污堵的反滲透膜元件， 單獨(dú)的堿洗+酸洗就可以起到較好的清洗效果， 堿洗采用0.1%NaOH+0.025% 十二烷基磺酸鈉， 酸洗采用1.5%的檸檬酸， 堿洗和酸洗步驟包括低流量循環(huán)-浸泡-大流量循環(huán)3 個(gè)過程。 低流量循環(huán)時(shí)， 單支膜組件的清洗流量保持4 m3／h 左右， 循環(huán)時(shí)間1 ～2 h。 堿洗浸泡時(shí)間保持8 ～12 h， 酸洗浸泡時(shí)間保持4 ～6 h。 在大流量循環(huán)過程中， 清洗流量對(duì)反滲透清洗效果起到關(guān)鍵作用， 單支膜組件的清洗流量不能低于8 m3／h， 最好控制在10 ～12 m3／h。

5 工程運(yùn)行效果

系統(tǒng)運(yùn)行5 a 后， 再生水水質(zhì)依然滿足用水企業(yè)的要求， 出水總硬度穩(wěn)定小于20 mg／L， 去除率在98% 以上， 產(chǎn)水量保持在設(shè)計(jì)水量的90% 以上， 超濾、 反滲透膜運(yùn)行壓力未有明顯上升， 再生水水質(zhì)見表3。 反滲透膜平均壽命約為4 ～5 a， 超濾膜預(yù)計(jì)壽命在8 a 以上。

表3 進(jìn)水和再生水水質(zhì)Tab. 3 Quality of influent water and reclaimed water

6 投資及運(yùn)行成本

本系統(tǒng)總投資7 000 余萬元， 其中超濾、 反滲透等污水處理設(shè)備約為3 000 萬元， 水池、 廠房土建費(fèi)用及10 km 長的供水管網(wǎng)的施工和耗材費(fèi)用約為4 000 萬元。

雙膜法在污水再生處理過程中， 運(yùn)行成本的構(gòu)成主要為電費(fèi)、 藥劑費(fèi)及配件、 保安過濾器濾芯、膜更換成本等。 電費(fèi)約為0.98 元／t［再生水］； 再生水生產(chǎn)過程中消耗的藥劑主要為次氯酸鈉、 液堿、檸檬酸、 阻垢劑、 殺菌劑、 還原劑等， 藥劑總成本約為0.8 元／t［再生水］； 保安過濾器濾芯的更換、設(shè)備檢修、 配件更換的消耗成本約為0.2 元／t［再生水］， 超濾、 反滲透膜元件更換成本約為0.35 元／t［再生水］。 不考慮廠房、 設(shè)備折舊， 再生水處理過程的直接運(yùn)行成本約2.33 元／t［再生水］。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)采用雙膜法對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行再生處理， 工藝路線和設(shè)備、 設(shè)施設(shè)計(jì)合理， 能夠滿足企業(yè)用水水質(zhì)要求。 對(duì)超濾膜、 反滲透膜污堵原因的分析和清洗方案的優(yōu)化選擇是再生水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。 雙膜法在該污水再生處理過程中， 運(yùn)行總成本約為2.33 元／t［再生水］， 具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。 該工程的成功實(shí)施和運(yùn)行實(shí)踐對(duì)其他類似的再生水處理工程的設(shè)計(jì)、 建設(shè)和運(yùn)行有重要的借鑒意義。