市政汙水回用系統中UF膜對RO膜汙染抑制作用的研究

2020-12-24 騰訊網

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前言

淡水資源的短缺和廢水排放量的增加已嚴重影響到經濟的持續發展和人民生活水平的提高，開發新的水資源成為當務之急。我國城市汙水排放量巨大，作為城市的 「第二水源」要比遠距離引水更加經濟[1]。建設部、科學技術部發布的《城市汙水再生利用技術政策》要求 2015年北方地區缺水城市 再生水直接利用率達到城市汙水排放量的 20%-25%，南方沿海缺水城市達到10%-15%，其他地區城市也應開展此項工作，並逐年提高利用率。

近年來，膜技術在汙水處理與回用領域的應用越來越廣泛[2]，工業廢水、城市汙水等通過生化處理後再經膜法深度處理後可回用為工業淨水，提高了水資源的利用率。其中尤以 UF作為RO前處理工序的膜集成系統在眾多工程項目中得到推廣。UF的截留分子量一般為300至50萬[3]，具有出水水質穩定，水質良好的特點[4]。然而相比於其他傳統的 RO前處理深度處理工序，UF的投資和運行成本相對較高，且目前對於其保證RO長期穩定運行的效果及控制RO生物汙染和有機汙染等方面的優勢點也並不明確。

本研究的主要目的是對比傳統的多介質過濾器處理工序，科學地闡明採用 UF在保證整體汙水回用系統的穩定性及有效控制RO膜汙染方面的優勢。

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試驗方法

2.1 原水水質

本試驗的處理對象為蘇州某城市汙水處理廠二級出水。原水水質如表 1所示，該二級出水水質可達到《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準。

表 1 汙水處理廠二級出水水質

()內數值為平均值

2.2 工藝說明

本研究採用的兩套平行工藝如圖 1和圖2所示，分別為混凝沉澱+多介質過濾器+RO和在線混凝+UF+RO工藝。其中多介質過濾器採用兩級過濾模式，一級多介質過濾器的填充濾料為無煙煤和石英砂的混合濾料，二級多介質過濾器填充濾料為石英砂。

UF採用東麗公司最新的超濾膜組件HFU-2008N，單支膜的膜面積為11.5m2，東麗 「HFU系列」中空纖維超濾膜是東麗集團在長年積累的高分子化學技術·制膜技術的基礎上研製開發的，膜材料選用具有很強的物理耐久性和抗化學腐蝕性的聚偏氟乙烯（PVDF），獨特的拉絲方法(NEW-TIPS)實現了膜的高強度和高透水性，同時具有卓越的抗汙染性能。膜的截留分子量為150,000道爾頓，過濾方式為外壓式，適用於高濁度原水的處理。

RO採用東麗公司的高耐久抗汙染RO膜元件TML-10D，單支膜的膜面積為7m2，其膜材質為架橋芳香族聚醯胺複合反滲透膜片，具有高脫鹽率和高抗汙染性能，東麗公司的反滲透膜元件通過增加膜袋的片數，縮短進水流道的長度，增加進水隔網的寬度，不僅擁有更高的水通量，而且與其他品牌的膜產品相比，可以減少有機物及微生物在膜表面的吸附，具有更強的耐汙染能力。適用於微汙染地表水、市政汙水、工業廢水為水源的水處理系統。

圖 1 混凝沉澱+多介質過濾+RO工藝流程圖

圖 2 在線混凝+UF+RO工藝流程圖

2.3 運行工況

兩套平行工藝投加的混凝劑都為 FeCl3，投加濃度 3mg/L(以Fe計)。多介質過濾器的過濾速度為8m/h，UF膜的運行通量為1.4-1.5m/d（58-62 L/m2·h），RO膜的運行通量為18-19L/m2·h，回收率為11%，RO進水中投加了阻垢劑、殺菌劑和亞硫酸氫鈉。

2.4 水質分析方法

本研究中 TOC的測試採用日本島津公司的總有機碳分析儀(型號TOC-VCPH)，SDI測試的給水壓力為2.1Kg/cm2，樣品過濾時間為 15min。TN、TP、NH3-N的測試採用國標方法，分析測試方法見文獻[5]。蛋白質測試採用 Folin-酚法，多糖測試採用苯酚-硫酸法，ATP(三磷酸腺苷)測試採用日本Kikkoman公司的Lucifell HS Set測試藥劑。

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結果與討論

3.1 UF產水和多介質過濾器產水水質對比

3.1.1 有機物的處理效果

城市汙水中的有機物種類繁多，成份也比較複雜。TOC是水中有機物的總量的表徵。Kangmin chon[6]等人的研究表明進水中的蛋白質和多糖非常容易引起 RO膜的汙染。多介質過濾器和UF對有機物的處理效果如圖3所示。可以看出，UF出水的TOC、蛋白質和多糖平均濃度分別為6.76mg/L、9.65mg/L和2.23mg/L，而多介質過濾器出水濃度分別為6.90mg/L、10.38mg/L和2.54mg/L，對於有機物指標，UF和多介質過濾器的去除率差別不大。

圖 3 多介質過濾器和UF對有機物的處理效果對比

3.1.2 氮磷的處理效果

水中的氮磷等營養物質是微生物增殖必需的元素物質，與 RO膜的生物汙染有一定的關係。多介質過濾器和UF兩者出水的NH3-N的平均值分別為0.08mg/L和0.09mg/L，出水的TP的平均值分別為0.07mg/L和0.06mg/L。UF出水和多介質過濾器出水中氮磷的濃度沒有明顯的差異。

圖4 多介質過濾器和UF對氮磷的處理效果對比

3.1.3 SDI的對比

RO預處理中採用汙泥密度指數(SDI)來判斷進水中膠體和顆粒物質的汙染程度，這個方法比濁度測定更能反映水質情況，是反滲透預處理系統中必須檢測的重要指標。東麗RO膜的設計要求是進水的SDI≤5。多介質過濾器和UF出水的SDI的對比如圖5所示。可以看出，UF出水和多介質過濾器出水的SDI平均值分別為1.15和4.01，UF出水SDI要明顯好於多介質過濾器出水，說明UF對水中的膠體和顆粒物質的截留能力要好於多介質過濾器。

圖5 多介質過濾器和UF出水SDI的對比

3.1.4 微生物的處理效果

三磷酸腺苷（ adenosine triphosphate，簡稱ATP）是高能磷酸化合物，存在於所有的有機體中，極易被儲存和利用，是活細胞新陳代謝能量的源泉。ATP生物發光是一種快速的微生物檢測方法，具有靈敏、快速、簡便、穩定等優點[7]。水中 ATP濃度的高低代表了水中微生物的量的多少。

多介質過濾器和 UF出水的ATP濃度如圖6所示。多介質過濾器和UF出水的ATP濃度分別為131pg/ml和19pg/ml。UF對微生物的截留效果要顯著好於多介質過濾器，UF在控制RO膜生物汙染方面具有明顯的優勢。

圖6 多介質過濾器和UF對微生物的處理效果對比

3.2 RO運行結果對比

3.2.1 RO連續運行標準化壓差

一般認為 RO壓差的增長主要由RO膜生物汙染引起，微生物繁殖生長迅速，很快便可在RO膜表面形成生物膜層，導致RO系統進出水間壓差迅速加大。如圖7所示，UF-RO連續運行78天，標準化壓差由9.8KPa上升至26.4KPa，多介質過濾器-RO壓差增長劇烈，運行40天左右即由9.8KPa增長至80KPa以上，化學清洗後，運行第二階段，多介質過濾器-RO壓差增長仍然比較迅速。說明UF相對於多介質過濾器對於控制RO膜生物汙染具有明顯的優勢。

圖7 RO連續運行標準化壓差對比

3.2.2 RO連續運行標準化產水量

圖 8顯示了UF-RO和多介質過濾器-RO連續運行標準化產水量的對比，標準化產水量可以反映RO膜的整體的汙染程度，UF-RO連續運行78天後標準化產水量由0.13m3/h下降至0.10m3/h，衰減率約10%/月，多介質過濾器-RO的標準化產水量的衰減率約20%/月，說明UF-RO的運行性能比多介質過濾器-RO更加穩定。

圖8 RO連續運行標準化產水量對比

3.2.3 RO運行性能小結

UF-RO和多介質過濾器-RO都發生了輕度的無機結垢，標準化脫鹽率由99.2%下降至99.0%。多介質過濾器+RO發生了嚴重的生物汙染，標準化產水量的衰減率為20%/月，而UF+RO標準化產水量的衰減率為10%/月。UF作為RO膜預處理在抑制RO生物汙染方面的優勢在中試得到驗證，UF-RO的運行性能比多介質過濾器-RO更加穩定。

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結論

多介質過濾器 +RO和UF+RO回用城市汙水處理廠二級出水的中試運行水質對比結果顯示：主要營養物指標(NH3-N、TP)，及影響RO有機汙染程度的重要有機物指標(TOC、蛋白質、多糖類)的去除效果上，UF與多介質過濾器相當，無明顯差異；但在與RO生物汙染密切相關的一些指標(ATP)，UF體現出顯著的優勢；同時，UF出水的SDI值也顯著較低。因此，由水質結果的對比可以認為UF相比多介質過濾器，能更有效抑制RO生物汙染趨勢的發展。

另一方面，根據兩套中試的平行運行結果，對於主要反映 RO生物汙染狀況的膜壓差增長趨勢，相比以UF作為前處理的RO膜系統，以多介質過濾器作為前處理的RO膜系統的壓差增長更為劇烈，RO產水能力的衰減速率也更高，即驗證了UF相對於多介質過濾器在控制RO生物汙染方面具備顯著的優勢。所以，相比於傳統的多介質過濾器處理方式，UF作為RO膜預處理可以降低RO膜的清洗頻率，保證RO膜的穩定運行。

參考文獻

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[3] 張燕,王炳玉,王站.超濾在反滲透系統中的應用[J].萊鋼科技,2011,1:16-18.

[4] 李豔秋.中水作為熱電廠鍋爐補給水水源的研究與應用[J].大眾科技,2011,2:115-117.

[5] 國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境科學出版社,2002.

[6] Kangmin Chon,Seung Joon Kim,Jihee Moon. Combined coagulation-disk filtration process asa pretreatment of ultrafiltration and reverse osmosis membrane for wastewater reclamation: An autopsy study of a pilot plant[J]. Water research,2012,(46):1803-1816.

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