基于超濾—反滲透工藝的城市污水回用技術(shù)研究

曾 禎

（科學(xué)城（廣州）環(huán)保產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司，廣東 廣州 510000）

引言

現(xiàn)代工業(yè)的大量用水對可持續(xù)利用現(xiàn)有水資源的需求日益增長，促使世界各地的地區(qū)和國家政府尋求替代水源。廢水回用是實現(xiàn)水可持續(xù)性的一條很有前景的途徑，它可以應(yīng)用于各種用途，以分擔(dān)淡水資源的負擔(dān)[1]。在淡水資源中，使用再生水是處理缺水問題的一種極好的方法，城市污水的回用一直是國際關(guān)注的焦點，在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)進行了幾個案例研究，以調(diào)查城市污水高級回收用于工業(yè)再利用的實施情況[2]。因此，城市污水代表了一種有前途的替代水資源，可支持循環(huán)經(jīng)濟。膜分離技術(shù)由于具有操作過程簡單、無相變、分離能耗低、分離效果好、無二次污染等優(yōu)點，在水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超濾膜對去除水中的顆粒、膠體、細菌和各種有機物都有很好的效果[3]。反滲透膜可以攔截水中各種無機離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，通常用于海水和微咸水的淡化、水軟化處理、廢水處理以及食品、制藥、化工等行業(yè)的凈化、濃縮、分離等[4-5]。

本研究的目的是將一個可持續(xù)的試點工廠納入傳統(tǒng)的水資源循環(huán)系統(tǒng)。首先利用超濾膜（UF）系統(tǒng)去除水中溶解的有機物和無機污染物，然后確定了用反滲透膜法處理城市污水的最佳操作條件。由此產(chǎn)生的水不僅符合工業(yè)要求，而且也符合當(dāng)?shù)厮倮玫臉?biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)提高了超濾-反滲透工藝作為安全回用水三級處理的可行性、可靠性和經(jīng)濟性。

1 材料與方法

1.1 水資源回收設(shè)施和再生水源

中試廠使用的水源為某水資源回收系統(tǒng)的二次出水，該污水處理廠占地約10.31公頃，最大處理能力為每天16 000立方米的廢水。該設(shè)施在傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行二次處理，包括粗網(wǎng)、泵站、細篩、砂石和油脂去除、一次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、截流站以及大約79.9千米的干渠和側(cè)污水管道。廢水來源33%為截流，67%為生活，處理后的廢水排入港口。

本文設(shè)計并建造了一個城市污水工業(yè)回收試驗工廠。通過監(jiān)測系統(tǒng)記錄污水污染參數(shù)和再生水的質(zhì)量，以了解其在實踐中的效率。監(jiān)測系統(tǒng)安裝在水資源回收系統(tǒng)內(nèi)二次沉淀池出口，直接與二次沉淀池出水口相連。

1.2 分析方法

通過進水和出水參數(shù)對中試裝置的性能進行了評價。從2020年10月24日至2021年10月23日的12個月內(nèi)，每天和每周收集水資源回收二級沉淀池處理過的廢水樣本。樣品采集自中試裝置二次沉淀池出水口、UF濾液出口和RO濾液出口。所有樣品均在無污染聚乙烯或琥珀色玻璃瓶中收集。樣品在4°C的恒定溫度下保持直到測試，以確保它們不會變質(zhì)或被污染或受損。

為了了解出水的特性，分析了以下指標(biāo)：pH、溫度、電解質(zhì)電導(dǎo)率（EC）、總?cè)芙夤腆w（TDS）、懸浮固體（SS）、濁度、生化需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、氨氮（NH3-N）、鈣（Ca2+）、氯化物（Cl-）、鎂（Mg2+）、二氧化硅（SiO2）、硫酸鹽（SO42-）和大腸菌群。

測試程序按照標(biāo)準(zhǔn)方法進行。通過水質(zhì)探測儀對pH、溫度和EC進行現(xiàn)場測量；采用稱量法測定TDS；采用濾紙加權(quán)法測量SS；采用濁度分析儀測定濁度；稀釋接種法測定BOD5；重鉻酸鉀法測定COD；通過TOC分析儀測量TOC和NH3-N；ICP/MS測定Ca2+和Mg2+；采用滴定法測定Cl-和SO42-；平板計數(shù)確定糞大腸菌群。

1.3 中試裝置試驗系統(tǒng)

纖維過濾裝置（FF）長期以來一直用于商業(yè)應(yīng)用，用于從水流中去除懸浮顆粒。對FF的固相去除率和在線因子的系統(tǒng)研究證實，聚合反滲透膜可以耐受廢水中的有機物，并且可以達到>96%的鹽去除率。超濾+反滲透技術(shù)由于其對EC、病毒和濁度的高去除率而成為一種可行的污水回收技術(shù)。

中試裝置是完全自動化的，試驗采用在線流量計對進料、滲透和濃縮水流進行了測量。操作數(shù)據(jù)（即壓力和流量）是從控制面板系統(tǒng)獲取的，并記錄下來以監(jiān)控性能。雙膜系統(tǒng)的優(yōu)化是基于最大限度地提高再生水的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時降低能耗。試驗設(shè)置了四種運行模式進行性能評價，以確定不同層次的超濾預(yù)處理效益。四種工作模式的參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)在每種模式下運行了90天，中試工廠總共運行了12個月。

表1 四種不同工作模式參數(shù)

在膜設(shè)計的基礎(chǔ)上，調(diào)整UF、RO通量和透水性參數(shù)，以確定不同應(yīng)用的操作條件在污染方面是否可持續(xù)。每道工序結(jié)束后，進行強化反沖洗（BW）、化學(xué)強化反沖洗（CEB）和原位清洗（CIP），將滲透率恢復(fù)到基線水平。中試工廠的最大生產(chǎn)能力為50立方米/天。系統(tǒng)主要包括2個步驟：

1.3.1 UF裝置

UF裝置由單個聚合物中空纖維膜模塊組成，總膜面積為64 m2，采用終端模式運行。進料通過超濾膜進行由內(nèi)到外的過濾，超濾膜產(chǎn)水的通量在40～45 LMH之間。對照BW每天進行幾次。在過濾過程中，水力清洗包括BW（15 m3/h，持續(xù)30秒）和給水側(cè)原水循環(huán)（4 m3/h，持續(xù)30秒）的組合。采用了30分鐘的固定過濾時間，其中包括收集采出的滲透水，回收用于產(chǎn)水和BW水。在堿性條件下（100 mg/L NaOCl）定期施用CEB以恢復(fù)滲透率，CIP的操作壓差（ΔP）超過1.5 kg/cm2。清洗是自動進行的，以確保最大限度地消除污垢和結(jié)垢。

1.3.2 RO裝置

在UF之后，離子如Na+和Cl-，以及其它化合物必須由反滲透裝置去除。滲透生產(chǎn)的通量為16～18 LMH，回收率為65～75%。高壓泵的調(diào)節(jié)采用速度驅(qū)動器，其中流量是固定的。設(shè)置CIP在酸性（0.01 N的HCl）和堿性（0.01 N的NaOH）條件下，當(dāng)ΔP超過3.0 kg/cm2時自動運行，以恢復(fù)反滲透膜的滲透性，避免反滲透膜的污染和結(jié)垢。

2 結(jié)果與分析

2.1 超濾效率

超濾裝置運行前必須先進行預(yù)處理（FF），以確保無機和有機顆粒物質(zhì)的去除達到水質(zhì)污染指數(shù)給水目標(biāo)。在運行期間，超濾裝置的平均濁度為0.015 NTU，平均去除率為99.2%，如圖1所示。該系統(tǒng)（UF+RO）的技術(shù)可行性在通過12個月的運行和優(yōu)化得到了驗證。在四種運行模式下（FF出口平均濁度分別為3.74 NTU、4.24 NTU、3.54 NTU和3.80 NTU），出水濁度均較低（最大值在8.93～11.1 NTU之間），過濾處理效率穩(wěn)定。對于商業(yè)應(yīng)用，裝置的物理耐久性是一個重要的問題。在操作模式2的后期，F(xiàn)F去除率呈下降趨勢，這是由于部分纖維球污染造成的。經(jīng)過對FF裝置的維護，恢復(fù)了初始處理效率。這表明FF在除濁方面是有效的。在本研究中，模式4的處理效率較低，這是由于出水濁度較低，接近穩(wěn)定后纖維過濾處理的極限（5～10 NTU）。以濁度為指標(biāo)對超濾工藝的技術(shù)性能進行了評價，去除效率如圖1所示。四種運行模式下，超濾膜的平均濁度值分別為0.008、0.037、0.016和<0.001 NTU，平均去除率分別為99.6%、98.2%、99.0%和100.0%。一般來說，系統(tǒng)結(jié)垢與清洗頻率有關(guān)。在操作模式2的超濾后期，F(xiàn)F的濁度去除率下降，這意味著顆粒和溶質(zhì)可能沉積在超濾膜上，造成表面污染（結(jié)垢），導(dǎo)致超濾膜的去除率下降。超濾裝置的性能表明，如果每日CEB和CIP應(yīng)用良好，超濾裝置可以成功地在污水循環(huán)利用的處理方案中運行。

圖1 FF出口和UF過濾的濁度濃度（NTU）和去除率（%）

2.2 反滲透系統(tǒng)的水質(zhì)性能

樣本的實驗室分析結(jié)果與再生水使用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)列于表2。運行期內(nèi)，與滲透物相關(guān)的有機物含量、pH值、濁度、NH3-N、TOC、大腸菌群均滿足中水要求，均在工業(yè)回用工藝限值內(nèi)。因此，F(xiàn)F+UF制得的濾液水適合作為反滲透給水。

表2 處理后的水質(zhì)和再生水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

本研究提出了雙膜工藝（UF+RO）在工業(yè)部門城市污水回用的試點研究。本研究的結(jié)果為：（1）預(yù)處理裝置由FF和UF組成。FF濾液濁度低于6.82 NTU，UF滲透濾液濁度低于0.38 NTU。平均濁度去除率分別為42.7%和99.2%。因此，所提出的預(yù)處理工藝適用于RO。（2）當(dāng)UF提供穩(wěn)定的過濾性能時，反滲透裝置表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能和生產(chǎn)能力。反滲透膜對EC的去除率為97.9%，符合工業(yè)再利用和政府法規(guī)的要求。（3）通過BW、CEB和CIP的應(yīng)用，可以控制和減少超濾膜和反滲透膜的污染。

結(jié)果表明，雙膜過濾（UF+RO）是一種有效的可持續(xù)性用水方法，可以將城市污水回收用于工業(yè)目的。