◆南寧市兆冠環(huán)?？萍加邢薰尽?

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超濾與低污染反滲透膜在市政廢水回用方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)預(yù)處理

傳統(tǒng)處理市政廢水的反滲透系統(tǒng)中，膜污染導(dǎo)致透過水量的降低。這表現(xiàn)為需要明顯增加壓力才能維持設(shè)計透水通量。經(jīng)過二級處理的市政排水含有高濃度的膠體物質(zhì)、懸浮物和溶解性有機物。二級處理過程通常包括生物處理（活性污泥澄清），導(dǎo)致排水中高水平的生物活性。在進入反滲透系統(tǒng)之前，應(yīng)降低二級排水中膠體和固體物質(zhì)并抑制生物活性。傳統(tǒng)預(yù)處理的一個典型結(jié)構(gòu)如圖1，是目前建在洛杉磯桔縣21水廠（WF21）的5mgd反滲透系統(tǒng)的三級預(yù)處理流程圖。目前的預(yù)處理工藝是在原始設(shè)計基礎(chǔ)上發(fā)展、改進和簡化后的流程（1）。預(yù)處理包括絮凝、石灰澄清、用CO2再次碳酸化沉淀和慢速重力過濾。采用加氯法控制生物活性。石灰澄清是提高給水水質(zhì)非常有效的方法，但是太昂貴，占地面積大且產(chǎn)生難以排放的淤泥。在一些更小的系統(tǒng)中，石灰澄清和重力過濾由在線絮凝取代，然后是二級壓力過濾和精密過濾。在21水廠，回用系統(tǒng)主要選擇由醋酸纖維素制成的反滲透膜，這種膜在運行期間污染迅速。圖2和圖3是21水廠醋酸纖維素膜的運行結(jié)果。給水壓力（圖2）最初是200psi左右，在一段時間后不得不升至260psi以維持正常的透水量，在短時期內(nèi)給水壓力又不得不升至300psi以上。給水壓力持續(xù)上升，即使每2至3星期就清洗一次膜也是如此。但是脫鹽率始終穩(wěn)定在94-96%水平上（圖3）。在21水廠進行過大量的現(xiàn)場試驗來評估復(fù)合膜在廢水回用方面的適用性。令人鼓舞的是明顯的高水通量、低給水壓力、低電能消耗和高脫鹽率。超低壓復(fù)合聚酰胺膜ESPA在21水廠有代表性的運行結(jié)果請見圖4、5、6。ESPA膜的給水壓力初始為60psi，比200psi的醋酸纖維素膜低得多（圖4）。然而為維持設(shè)計水通量，給水壓力也不得不升至300psi以上，這相當(dāng)于特性水通量下降80%以上。頻繁的清洗也沒有能夠緩和水通量減少的問題。同醋酸纖維膜的運行一樣，ESPA的脫鹽率穩(wěn)定在97%左右（圖5）?？紤]到給水中含有2-6ppm的總氯（以氯胺的形式），這個結(jié)果非常突出。RO給水中氯胺的存在似乎控制了生物活性并阻止在RO系統(tǒng)中生長。在運行兩年間，膜間壓降保持穩(wěn)定（圖6）?？焖傥廴竞屯肯陆档壬鲜鼋Y(jié)果清楚表明傳統(tǒng)的預(yù)處理工藝在處理市政排水時不能提供足夠好的水質(zhì)給RO系統(tǒng)。

膜預(yù)處理

過去已有使用超濾膜做為RO預(yù)處理工藝的屏障（2）。超濾和微濾膜有能力生產(chǎn)出比傳統(tǒng)預(yù)處理工藝好很多的水質(zhì)。然而傳統(tǒng)的卷式結(jié)構(gòu)超濾膜不適合處理高污染的廢水。膜表面沒有嚴(yán)重污染和給水通道沒有堵塞時，超濾膜也不能在高水通量下運行。高錯流給水流速，需要降低濃差極化，從而導(dǎo)致高電量消耗。頻繁膜清洗非常繁瑣且不能有效恢復(fù)透水通量。近來中空纖維結(jié)構(gòu)的新超濾技術(shù)開始出現(xiàn)（3）。纖維絲孔內(nèi)徑為0.7-0.9mm，外徑為1.3-1.9 mm。商業(yè)用中空纖維膜有兩個新特性：

1． 纖維絲頻繁、短時、自動地進行沖洗（或有些組件反洗），使系統(tǒng)在短期脫機時能保持穩(wěn)定的透水通量；

2． 能在非常低的錯流流速下運行，即使在直流過濾模式時也如此。

相比傳統(tǒng)過濾器反洗，中空纖維絲超濾膜脈沖清洗的脫機時間非常短。頻繁脈沖清洗的結(jié)果是穩(wěn)定的透水通量。給水壓力范圍是5-20psi。新預(yù)處理方式的主要優(yōu)勢在于膜技術(shù)的本質(zhì)：給水與透水之間膜屏障的存在，使膠體物質(zhì)與病菌下降幾個log值。在市政廢水回用應(yīng)用中，新型可反洗中空纖維膜預(yù)處理取代石灰澄清、介質(zhì)過濾、保安過濾器。二級排水有非常高的污染潛在性，且中空纖維膜技術(shù)的應(yīng)用需要合適的膜種類和運行條件以維持可靠性能。在實地條件下我們發(fā)現(xiàn)親水性聚合物制成的中空纖維絲膜比傳統(tǒng)的厭水性材料受溶解性有機物的污染傾向小。但即使是親水性纖維膜，清洗之間的運行周期也太短，只能持續(xù)幾天。然而在中空纖維膜系統(tǒng)之前的二級排水中加入絮凝劑，運行周期可以明顯延長。圖7為海德能HYDRAcap?中空纖維超濾膜在San Luis Rey( Oceanside)廢水回用廠的運行結(jié)果。該圖示有為維持穩(wěn)定過濾通量所需的壓力值。膜組件以直流過濾模式運行，通量為32gfd。最初幾天內(nèi)給水壓力急速上升。每3-5天需要進行一次膜清洗。然而，在超濾系統(tǒng)給水中加入氯化鐵FeCl3之后，運行周期延長至30天以上。這樣明顯的性能提高的原因目前還不十分清楚，推測為Fe(OH)3在纖維絲表面形成高透水的多孔彈性層，吸收有機物并吸引膠體物質(zhì)。在反洗步驟中，此層脫離膜表面并從纖維絲中沖掉。目前實驗還在進行以便更清楚此過程原理。中空纖維膜能完全除去膠體，但對TOC的去除率不高。用中空纖維膜進行預(yù)處理，在市政排水系統(tǒng)中使用ESPA膜的性能見圖 8。初始給水壓力約70psi并且迅速增加到140psi，之后穩(wěn)定下來并且在運行一年半期間隨著給水溫度的變化而波動。最初透水量衰減約60%，然而明顯低于采用傳統(tǒng)預(yù)處理的同種膜水通量85%的衰減量。使用中空纖維膜做RO系統(tǒng)的預(yù)處理使復(fù)合膜在廢水回用領(lǐng)域得以應(yīng)用，使之比使用醋酸纖維膜的操作壓力更低、脫鹽率更高。

低污染反滲透膜

相比傳統(tǒng)的復(fù)合聚酰胺膜 ，最近推出的低污染復(fù)合膜LFC1，具有親水性膜 表面且膜表面不帶電荷。親水性表面降低了給水中有機物質(zhì)在膜表面的吸附。LFC1膜在21水廠和San Pasqual 水處理設(shè)備廠，以中空纖維膜做預(yù)處理，處理市政排水。在San Pasqual的運行結(jié)果見圖9。LFC1膜的特性水通量小于ESPA的特性水通量。因此，初始壓力約為90psi，稍高于同樣運行條件下ESPA膜的操作壓力。然而在運行期間壓力始終保持穩(wěn)定，水通量在12gfd。在運行后期水通量逐步升到17 gfd，這樣的水通量對于廢水處理系統(tǒng)來說是非常高的，因為廢水反滲透系統(tǒng)通常設(shè)計的平均水通量為10gfd。圖10為特性水通量的計算值。結(jié)果表明在初期下降約15%后，特性水通量在運行期內(nèi)一直保持穩(wěn)定。由于膜性能的穩(wěn)定性，在這八個月的運行期內(nèi)，膜元件沒有進行清洗。在運行期結(jié)束后，LFC1膜在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下進行了一次測試，結(jié)果概括在表1中。相比于廠外的測試數(shù)據(jù)，八個月運行后的平均水通量下降約為10%。由0.5%NaOH溶液循環(huán)的清洗步驟可使水通量完全恢復(fù)。

表1 San Pasqua廠經(jīng)超濾膜預(yù)處理的LFC1膜運行性能變化圖 運行期：1998年4-11月

測試運行時的位置 廠外 運行后 清洗后

脫鹽率 透水量gpd 脫鹽率 透水量gpd 脫鹽率 透水量gpd

第1列

首支元件 99.5 1629 99.6 1512 沒清洗 沒清洗

中間元件 99.5 1629 99.6 1466 99.4 1788

末支元件 99.5 1684 99.6 1499 99.4 1788

平均 99.5 1647 99.6 1492 99.4 1788

變化%

+20 -9.4 +20 +8.5

第2列

首支元件 99.6 1908 99.5 1629 沒清洗 沒清洗

中間元件 99.6 1908 99.6 1596 99.2 2317

末支元件 99.6 2082 99.6 1578 99.2 1708

平均 99.6 1966 99.6 1601 99.2 2012

變化%

0.0 -18.5 +100 +2.3

平均變化%

+10 -14 +60 +5

膜完整性

在廢水回收系統(tǒng)中，膜的完整性和膜去除病菌的能力非常重要。卷式反滲透膜的完整性可以通過真空試驗檢測，傳統(tǒng)的卷式膜只能在膜元件裝入反滲透系統(tǒng)前進行此類檢測。中空纖維超濾膜和微濾膜可以在組件裝入系統(tǒng)中之后進行完整性檢測。最普遍的完整性檢測是壓力保持試驗：向系統(tǒng)施壓并監(jiān)測壓力損失。在此類研究中，系統(tǒng)的完整性由超濾膜與微濾膜對MS2病菌的脫除率確定。試驗結(jié)果見圖11和圖12。結(jié)果表明每套膜系統(tǒng)可以脫除5log的。

商業(yè)應(yīng)用

使用LFC膜商用系統(tǒng)為新加坡Bedok廢水回用廠，Bedok廠于2000年4月起開始運行。給水是二級市政排水，由纖維微濾系統(tǒng)進行預(yù)處理。阻垢劑和硫酸加在微濾系統(tǒng)的出水處，給水PH保持在6左右。反滲透系統(tǒng)包括兩套出力為5000噸/天的系統(tǒng)，設(shè)計通量為18.7l/m2-hr(11gfd)。反滲透設(shè)計為28：14：8三段排列，每支壓力容器中裝6支元件，設(shè)計回收率是85%。在運行初期反滲透第三段出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，主要是磷酸鈣垢，采用檸檬酸清洗后性能恢復(fù)。結(jié)垢的原因主要是阻垢劑不適用，在更換阻垢劑后系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行。即使給水源自市政排水，LFC膜系統(tǒng)的給水壓力一直很穩(wěn)定，維持在設(shè)計的8—10bar（116-145psi）范圍內(nèi)，沒有壓降增加的現(xiàn)象。生物活性由反滲透系統(tǒng)給水中保持約2ppm的余氯進行控制。盡管給水中有余氯存在，LFC的脫鹽率非常穩(wěn)定并且高于設(shè)計值。

概括

廢水回收系統(tǒng)中的膜污染與給水水質(zhì)和膜材質(zhì)有關(guān)。結(jié)果表明兩種污染成分：膠體和溶解性有機物在膜表面沉積構(gòu)成污染層。此污染過程稱為混合污染（4），主要影響透水性。表2概括因采用不同預(yù)處理的不同膜元件污染引起的透水通量的下降。由表2可以明顯看出，采用超濾膜進行預(yù)處理后，反滲透膜的污染速度下降。采用膜預(yù)處理的主要結(jié)果是給水中的粒子減少。微濾和超濾處理很少改變給水中的有機物質(zhì)濃度。自然有機物非常容易吸附在厭水性膜材質(zhì)上（5，6，7），很大程度上是有機物的吸附導(dǎo)致采用膜預(yù)處理的廢水系統(tǒng)中復(fù)合膜的通量下降。親水性膜材質(zhì)很少吸附有機物（5），通量損失也很低，所以親水性膜可以在較高水通量下運行。廢水回收系統(tǒng)中的污染過程不會導(dǎo)致透膜壓降的明顯增加，這是因為給水中的余氯明顯降低生物活性。使用膜預(yù)處理提供進一步的屏障，降低了反滲透給水中的量。采用LFC膜處理市政廢水的設(shè)計觀念，通過中試系統(tǒng)研究和開發(fā)，在大型商業(yè)反滲透系統(tǒng)中得以成功應(yīng)用。給水壓力和脫鹽率等性能保持了長期穩(wěn)定。生物活性，通常是廢水回收應(yīng)用中的主要問題，通過余氯的存在得以控制。

表2不同反滲透膜在特定水通量下的預(yù)處理結(jié)果

膜種類 醋酸纖維素膜 ESPA1（聚酰胺） ESPA1（聚酰胺） LFC1（低污染）

預(yù)處理方式 傳統(tǒng) 傳統(tǒng) 中空纖維膜 中空纖維膜

特性水通量, 初期 0.07gfd/psi 0.24 gfd/psi 0.24 gfd/psi 0.17 gfd/psi

特性水通量,穩(wěn)定后 0.04 gfd/psi 0.04 gfd/psi 0.10 gfd/psi 0.15 gfd/psi

通量下降 40% 85% 60% 12%

操作壓力，給水壓力在

10gfd/psi(bar) 200-350(14-24) 300-350(20-24) 140-180(10-13) 100-150(7-11)

電能消耗 kwhr/m3 5.0-6.0 5.0-6.0 2.5-3.2 1.7-2.7