市政污水回用系統(tǒng)中UF膜對(duì)RO膜污染抑制作用的研究

朱列平1，田陸梅2，黃圣散2，楊瑜芳 2

(1. 藍(lán)星東麗膜科技（北京）有限公司，北京 101318； 2. 東麗先端材料研究所（中國(guó))有限公司，上海 200241)

摘  要：通過(guò)城市污水UF+RO和傳統(tǒng)多介質(zhì)過(guò)濾器+RO的中試平行對(duì)比運(yùn)行，考察UF膜作為RO膜前處理的作用和優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，對(duì)于營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)(N、P)，及有機(jī)物指標(biāo)(TOC、蛋白質(zhì)、多糖類(lèi))的去除效果上，UF與多介質(zhì)過(guò)濾器相當(dāng)；但在與RO生物污染密切相關(guān)的一些指標(biāo)(ATP)，UF體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)；且UF出水的SDI值也顯著較低。因此，由水質(zhì)結(jié)果的對(duì)比可以認(rèn)為UF相比多介質(zhì)過(guò)濾器，能更有效抑制RO生物污染趨勢(shì)的發(fā)展。中試運(yùn)行也進(jìn)一步說(shuō)明UF作為前處理的RO膜系統(tǒng)的壓差增長(zhǎng)和產(chǎn)水量衰減趨勢(shì)明顯更低，即驗(yàn)證了UF相對(duì)于多介質(zhì)過(guò)濾器在控制RO生物污染方面具備顯著的優(yōu)勢(shì)。。

關(guān)鍵詞：污水回用，超濾，多介質(zhì)過(guò)濾器，RO膜污染 

1 前言

淡水資源的短缺和廢水排放量的增加已嚴(yán)重影響到經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高，開(kāi)發(fā)新的水資源成為當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)城市污水排放量巨大，作為城市的“第二水源”要比遠(yuǎn)距離引水更加經(jīng)濟(jì)[1]。建設(shè)部、科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《城市污水再生利用技術(shù)政策》要求2015年北方地區(qū)缺水城市再生水直接利用率達(dá)到城市污水排放量的20%-25%，南方沿海缺水城市達(dá)到10%-15%，其他地區(qū)城市也應(yīng)開(kāi)展此項(xiàng)工作，并逐年提高利用率。

近年來(lái)，膜技術(shù)在污水處理與回用領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]，工業(yè)廢水、城市污水等通過(guò)生化處理后再經(jīng)膜法深度處理后可回用為工業(yè)凈水，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(tǒng)在眾多工程項(xiàng)目中得到推廣。UF的截留分子量一般為300至50萬(wàn)[3]，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定，水質(zhì)良好的特點(diǎn)[4]。然而相比于其他傳統(tǒng)的RO前處理深度處理工序，UF的投資和運(yùn)行成本相對(duì)較高，且目前對(duì)于其保證RO長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的效果及控制RO生物污染和有機(jī)污染等方面的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)也并不明確。

本研究的主要目的是對(duì)比傳統(tǒng)的多介質(zhì)過(guò)濾器處理工序，科學(xué)地闡明采用UF在保證整體污水回用系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效控制RO膜污染方面的優(yōu)勢(shì)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 原水水質(zhì)

本試驗(yàn)的處理對(duì)象為蘇州某城市污水處理廠二級(jí)出水。原水水質(zhì)如表1所示，該二級(jí)出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

表1 污水處理廠二級(jí)出水水質(zhì)

                                                                                     ()內(nèi)數(shù)值為平均值

2.2 工藝說(shuō)明

本研究采用的兩套平行工藝如圖1和圖2所示，分別為混凝沉淀+多介質(zhì)過(guò)濾器+RO和在線混凝+UF+RO工藝。其中多介質(zhì)過(guò)濾器采用兩級(jí)過(guò)濾模式，一級(jí)多介質(zhì)過(guò)濾器的填充濾料為無(wú)煙煤和石英砂的混合濾料，二級(jí)多介質(zhì)過(guò)濾器填充濾料為石英砂。

UF采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(tuán)在長(zhǎng)年積累的高分子化學(xué)技術(shù)·制膜技術(shù)的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)的，膜材料選用具有很強(qiáng)的物理耐久性和抗化學(xué)腐蝕性的聚偏氟乙烯（PVDF），獨(dú)特的拉絲方法(NEW-TIPS)實(shí)現(xiàn)了膜的高強(qiáng)度和高透水性，同時(shí)具有卓越的抗污染性能。膜的截留分子量為150,000道爾頓，過(guò)濾方式為外壓式，適用于高濁度原水的處理。

RO采用東麗公司的高耐久抗污染RO膜元件TML-10D，單支膜的膜面積為7m2，其膜材質(zhì)為架橋芳香族聚酰胺復(fù)合反滲透膜片，具有高脫鹽率和高抗污染性能，東麗公司的反滲透膜元件通過(guò)增加膜袋的片數(shù)，縮短進(jìn)水流道的長(zhǎng)度，增加進(jìn)水隔網(wǎng)的寬度，不僅擁有更高的水通量，而且與其他品牌的膜產(chǎn)品相比，可以減少有機(jī)物及微生物在膜表面的吸附，具有更強(qiáng)的耐污染能力。適用于微污染地表水、市政污水、工業(yè)廢水為水源的水處理系統(tǒng)。

圖1 混凝沉淀+多介質(zhì)過(guò)濾+RO工藝流程圖

圖2 在線混凝+UF+RO工藝流程圖

2.3 運(yùn)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(jì))。多介質(zhì)過(guò)濾器的過(guò)濾速度為8m/h，UF膜的運(yùn)行通量為1.4-1.5m/d（58-62 L/m2·h），RO膜的運(yùn)行通量為18-19L/m2·h，回收率為11%，RO進(jìn)水中投加了阻垢劑、殺菌劑和亞硫酸氫鈉。

2.4 水質(zhì)分析方法

本研究中TOC的測(cè)試采用日本島津公司的總有機(jī)碳分析儀(型號(hào)TOC-VCPH)，SDI測(cè)試的給水壓力為2.1Kg/cm2，樣品過(guò)濾時(shí)間為15min。TN、TP、NH3-N的測(cè)試采用國(guó)標(biāo)方法，分析測(cè)試方法見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。蛋白質(zhì)測(cè)試采用Folin-酚法，多糖測(cè)試采用苯酚-硫酸法，ATP(三磷酸腺苷)測(cè)試采用日本Kikkoman公司的Lucifell HS Set測(cè)試藥劑。

3 結(jié)果與討論

3.1 UF產(chǎn)水和多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)比

3.1.1 有機(jī)物的處理效果

城市污水中的有機(jī)物種類(lèi)繁多，成份也比較復(fù)雜。TOC是水中有機(jī)物的總量的表征。Kangmin chon[6]等人的研究表明進(jìn)水中的蛋白質(zhì)和多糖非常容易引起RO膜的污染。多介質(zhì)過(guò)濾器和UF對(duì)有機(jī)物的處理效果如圖3所示�？梢钥闯�，UF出水的TOC、蛋白質(zhì)和多糖平均濃度分別為6.76mg/L、9.65mg/L和2.23mg/L，而多介質(zhì)過(guò)濾器出水濃度分別為6.90mg/L、10.38mg/L和2.54mg/L，對(duì)于有機(jī)物指標(biāo)，UF和多介質(zhì)過(guò)濾器的去除率差別不大。

圖3 多介質(zhì)過(guò)濾器和UF對(duì)有機(jī)物的處理效果對(duì)比

3.1.2 氮磷的處理效果

水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物增殖必需的元素物質(zhì)，與RO膜的生物污染有一定的關(guān)系。多介質(zhì)過(guò)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(zhì)過(guò)濾器出水中氮磷的濃度沒(méi)有明顯的差異。

圖4 多介質(zhì)過(guò)濾器和UF對(duì)氮磷的處理效果對(duì)比

3.1.3 SDI的對(duì)比

RO預(yù)處理中采用污泥密度指數(shù)(SDI)來(lái)判斷進(jìn)水中膠體和顆粒物質(zhì)的污染程度，這個(gè)方法比濁度測(cè)定更能反映水質(zhì)情況，是反滲透預(yù)處理系統(tǒng)中必須檢測(cè)的重要指標(biāo)。東麗RO膜的設(shè)計(jì)要求是進(jìn)水的SDI≤5。多介質(zhì)過(guò)濾器和UF出水的SDI的對(duì)比如圖5所示�？梢钥闯觯�UF出水和多介質(zhì)過(guò)濾器出水的SDI平均值分別為1.15和4.01，UF出水SDI要明顯好于多介質(zhì)過(guò)濾器出水，說(shuō)明UF對(duì)水中的膠體和顆粒物質(zhì)的截留能力要好于多介質(zhì)過(guò)濾器。

圖5 多介質(zhì)過(guò)濾器和UF出水SDI的對(duì)比

3.1.4 微生物的處理效果

三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，簡(jiǎn)稱(chēng)ATP）是高能磷酸化合物，存在于所有的有機(jī)體中，極易被儲(chǔ)存和利用，是活細(xì)胞新陳代謝能量的源泉。ATP生物發(fā)光是一種快速的微生物檢測(cè)方法，具有靈敏、快速、簡(jiǎn)便、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[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(zhì)過(guò)濾器和UF出水的ATP濃度如圖6所示。多介質(zhì)過(guò)濾器和UF出水的ATP濃度分別為131pg/ml和19pg/ml。UF對(duì)微生物的截留效果要顯著好于多介質(zhì)過(guò)濾器，UF在控制RO膜生物污染方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖6 多介質(zhì)過(guò)濾器和UF對(duì)微生物的處理效果對(duì)比

3.2 RO運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

3.2.1 RO連續(xù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化壓差

一般認(rèn)為RO壓差的增長(zhǎng)主要由RO膜生物污染引起，微生物繁殖生長(zhǎng)迅速，很快便可在RO膜表面形成生物膜層，導(dǎo)致RO系統(tǒng)進(jìn)出水間壓差迅速加大。如圖7所示，UF-RO連續(xù)運(yùn)行78天，標(biāo)準(zhǔn)化壓差由9.8KPa上升至26.4KPa，多介質(zhì)過(guò)濾器-RO壓差增長(zhǎng)劇烈，運(yùn)行40天左右即由9.8KPa增長(zhǎng)至80KPa以上，化學(xué)清洗后，運(yùn)行第二階段，多介質(zhì)過(guò)濾器-RO壓差增長(zhǎng)仍然比較迅速。說(shuō)明UF相對(duì)于多介質(zhì)過(guò)濾器對(duì)于控制RO膜生物污染具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖7 RO連續(xù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化壓差對(duì)比

3.2.2 RO連續(xù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量

圖8顯示了UF-RO和多介質(zhì)過(guò)濾器-RO連續(xù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量可以反映RO膜的整體的污染程度，UF-RO連續(xù)運(yùn)行78天后標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量由0.13m3/h下降至0.10m3/h，衰減率約10%/月，多介質(zhì)過(guò)濾器-RO的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的衰減率約20%/月，說(shuō)明UF-RO的運(yùn)行性能比多介質(zhì)過(guò)濾器-RO更加穩(wěn)定。

圖8 RO連續(xù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量對(duì)比

3.2.3 RO運(yùn)行性能小結(jié)

UF-RO和多介質(zhì)過(guò)濾器-RO都發(fā)生了輕度的無(wú)機(jī)結(jié)垢，標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率由99.2%下降至99.0%。多介質(zhì)過(guò)濾器+RO發(fā)生了嚴(yán)重的生物污染，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的衰減率為20%/月，而UF+RO標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的衰減率為10%/月。UF作為RO膜預(yù)處理在抑制RO生物污染方面的優(yōu)勢(shì)在中試得到驗(yàn)證，UF-RO的運(yùn)行性能比多介質(zhì)過(guò)濾器-RO更加穩(wěn)定。

4 結(jié)論

多介質(zhì)過(guò)濾器+RO和UF+RO回用城市污水處理廠二級(jí)出水的中試運(yùn)行水質(zhì)對(duì)比結(jié)果顯示：主要營(yíng)養(yǎng)物指標(biāo)(NH3-N、TP)，及影響RO有機(jī)污染程度的重要有機(jī)物指標(biāo)(TOC、蛋白質(zhì)、多糖類(lèi))的去除效果上，UF與多介質(zhì)過(guò)濾器相當(dāng)，無(wú)明顯差異；但在與RO生物污染密切相關(guān)的一些指標(biāo)(ATP)，UF體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，UF出水的SDI值也顯著較低。因此，由水質(zhì)結(jié)果的對(duì)比可以認(rèn)為UF相比多介質(zhì)過(guò)濾器，能更有效抑制RO生物污染趨勢(shì)的發(fā)展。

另一方面，根據(jù)兩套中試的平行運(yùn)行結(jié)果，對(duì)于主要反映RO生物污染狀況的膜壓差增長(zhǎng)趨勢(shì)，相比以UF作為前處理的RO膜系統(tǒng)，以多介質(zhì)過(guò)濾器作為前處理的RO膜系統(tǒng)的壓差增長(zhǎng)更為劇烈，RO產(chǎn)水能力的衰減速率也更高，即驗(yàn)證了UF相對(duì)于多介質(zhì)過(guò)濾器在控制RO生物污染方面具備顯著的優(yōu)勢(shì)。所以，相比于傳統(tǒng)的多介質(zhì)過(guò)濾器處理方式，UF作為RO膜預(yù)處理可以降低RO膜的清洗頻率，保證RO膜的穩(wěn)定運(yùn)行。

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