◆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(guò)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(jì)透水通量。經(jīng)過(guò)二級(jí)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(jī)物。二級(jí)處理過(guò)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(jìn)入反滲透系統(tǒng)之前，應(yīng)降低二級(jí)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(gè)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(jí)預(yù)處理流程圖。目前的預(yù)處理工藝是在原始設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展、改進(jìn)和簡(jiǎn)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(guò)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(guò)濾由在線絮凝取代，然后是二級(jí)壓力過(guò)濾和精密過(guò)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(yùn)行期間污染迅速。圖2和圖3是21水廠醋酸纖維素膜的運(yùn)行結(jié)果。給水壓力（圖2）最初是200psi左右，在一段時(shí)間后不得不升至260psi以維持正常的透水量，在短時(shí)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(jìn)行過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)評(píng)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(yùn)行結(jié)果請(qǐng)見(jiàn)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(jì)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(méi)有能夠緩和水通量減少的問(wèn)題。同醋酸纖維膜的運(yùn)行一樣，ESPA的脫鹽率穩(wěn)定在97%左右（圖5）。考慮到給水中含有2-6ppm的總氯（以氯胺的形式），這個(gè)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(zhǎng)。在運(yùn)行兩年間，膜間壓降保持穩(wěn)定（圖6）。快速污染和通量下降等上述結(jié)果清楚表明傳統(tǒng)的預(yù)處理工藝在處理市政排水時(shí)不能提供足夠好的水質(zhì)給RO系統(tǒng)。

膜預(yù)處理

過(guò)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(méi)有嚴(yán)重污染和給水通道沒(méi)有堵塞時(shí)，超濾膜也不能在高水通量下運(yùn)行。高錯(cuò)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(lái)中空纖維結(jié)構(gòu)的新超濾技術(shù)開(kāi)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(gè)新特性：

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

2． 能在非常低的錯(cuò)流流速下運(yùn)行，即使在直流過(guò)濾模式時(shí)也如此。

相比傳統(tǒng)過(guò)濾器反洗，中空纖維絲超濾膜脈沖清洗的脫機(jī)時(shí)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(shì)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(gè)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(guò)濾、保安過(guò)濾器。二級(jí)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(yùn)行條件以維持可靠性能。在實(shí)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(jī)物的污染傾向小。但即使是親水性纖維膜，清洗之間的運(yùn)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(jí)排水中加入絮凝劑，運(yùn)行周期可以明顯延長(zhǎng)。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(yùn)行結(jié)果。該圖示有為維持穩(wěn)定過(guò)濾通量所需的壓力值。膜組件以直流過(guò)濾模式運(yùn)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(jìn)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(yùn)行周期延長(zhǎng)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(cè)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(jī)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(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行以便更清楚此過(guò)程原理。中空纖維膜能完全除去膠體，但對(duì)TOC的去除率不高。用中空纖維膜進(jìn)行預(yù)處理，在市政排水系統(tǒng)中使用ESPA膜的性能見(jiàn)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(lái)并且在運(yùn)行一年半期間隨著給水溫度的變化而波動(dòng)。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(jī)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(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖9。LFC1膜的特性水通量小于ESPA的特性水通量。因此，初始?jí)毫s為90psi，稍高于同樣運(yùn)行條件下ESPA膜的操作壓力。然而在運(yùn)行期間壓力始終保持穩(wěn)定，水通量在12gfd。在運(yùn)行后期水通量逐步升到17 gfd，這樣的水通量對(duì)于廢水處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常高的，因?yàn)閺U水反滲透系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)的平均水通量為10gfd。圖10為特性水通量的計(jì)算值。結(jié)果表明在初期下降約15%后，特性水通量在運(yùn)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(gè)月的運(yùn)行期內(nèi)，膜元件沒(méi)有進(jìn)行清洗。在運(yùn)行期結(jié)束后，LFC1膜在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下進(jìn)行了一次測(cè)試，結(jié)果概括在表1中。相比于廠外的測(cè)試數(shù)據(jù)，八個(gè)月運(yùn)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(yùn)行性能變化圖 運(yùn)行期：1998年4-11月

測(cè)試運(yùn)行時(shí)的位置 廠外 運(yùn)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(méi)清洗 沒(méi)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(méi)清洗 沒(méi)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(guò)真空試驗(yàn)檢測(cè)，傳統(tǒng)的卷式膜只能在膜元件裝入反滲透系統(tǒng)前進(jìn)行此類檢測(cè)。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(jìn)行完整性檢測(cè)。最普遍的完整性檢測(cè)是壓力保持試驗(yàn)：向系統(tǒng)施壓并監(jiān)測(cè)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(duì)MS2病菌的脫除率確定。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(kāi)始運(yùn)行。給水是二級(jí)市政排水，由纖維微濾系統(tǒng)進(jìn)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(jì)通量為18.7l/m2-hr(11gfd)。反滲透設(shè)計(jì)為28：14：8三段排列，每支壓力容器中裝6支元件，設(shè)計(jì)回收率是85%。在運(yùn)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)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(jì)的8—10bar（116-145psi）范圍內(nèi)，沒(méi)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(jìn)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(jì)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(jī)物在膜表面沉積構(gòu)成污染層。此污染過(guò)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(jìn)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(jī)物質(zhì)濃度。自然有機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行。廢水回收系統(tǒng)中的污染過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致透膜壓降的明顯增加，這是因?yàn)榻o水中的余氯明顯降低生物活性。使用膜預(yù)處理提供進(jìn)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(jì)觀念，通過(guò)中試系統(tǒng)研究和開(kāi)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(zhǎng)期穩(wěn)定。生物活性，通常是廢水回收應(yīng)用中的主要問(wèn)題，通過(guò)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