王瑩 天津海派特環(huán)?？萍加邢薰?天津 300350

雖然地球上約有13.86億立方千米的水，但是其中96.5%分布在海洋，可以使用的淡水資源只有3500萬(wàn)立方千米左右。人類的生活生產(chǎn)都離不開(kāi)水，水資源的短缺已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。而污水再生利用不僅能有效緩解水資源緊張的問(wèn)題，還能減少污水排放，從而降低水體污染的可能，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益。截至2020年，全國(guó)城市污水處理廠2618座，處理能力為19267萬(wàn)立方米/日，污水年排放量5713633萬(wàn)立方米；全國(guó)城市市政再生水生產(chǎn)能力為6095.16萬(wàn)立方米/日，市政再生水利用量為1353832.24萬(wàn)立方米[1]，污水再生利用率僅為23.69%。由此可見(jiàn)，城鎮(zhèn)污水再生利用還有很大的發(fā)展空間。

膜技術(shù)在1980年代初期開(kāi)始在中國(guó)使用（電子和飲料），在1990年代用于飲用水，并在2000年之后用于城市污水的深度處理和再生處理,其中雙膜法應(yīng)用最為廣泛。雙膜法是將超濾和反滲透兩種不同的膜技術(shù)組合在一起的工藝，用超濾作為反滲透的預(yù)處理，能夠有效地保護(hù)反滲透膜，延長(zhǎng)使用壽命。雙膜法具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、藥劑消耗量低、處理效果好、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 膜分離技術(shù)原理

膜分離技術(shù)是利用天然或人工制備的具有選擇透過(guò)性的膜，以外界能量或化學(xué)單位差為推動(dòng)力對(duì)溶液的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、提純和濃縮的方法。在膜分離過(guò)程中，由于膜具有選擇透過(guò)性，當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動(dòng)力（如壓力差、濃度差、電位差等），原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜以達(dá)到分離提純的目的。膜分離技術(shù)按照推動(dòng)力或傳送機(jī)制分類可以分為以下幾種：以濃度差為推動(dòng)力的透析技術(shù)；以電位差為推動(dòng)力的電滲析和EDI；以靜壓力差為推動(dòng)力的微濾、超濾、納濾、反滲透；以蒸汽壓差為推動(dòng)力的膜蒸餾、滲透蒸餾。在水處理行業(yè)中應(yīng)用最多的是以壓力驅(qū)動(dòng)和電位差驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)，本文主要介紹壓力驅(qū)動(dòng)膜分離技術(shù)。

微濾和超濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為推動(dòng)力，主要用于截留污水中的懸浮物、膠體和部分大分子有機(jī)物。微濾主要用于分離粒徑在0.02～10μm的顆粒，所需操作壓力為0.07～0.2MPa之間[2]。超濾膜孔徑比微濾小，一般在0.1～5μm之間，過(guò)濾精度更高，操作壓力也較微濾更高，一般為0.1～0.5MPa。

反滲透膜孔徑在0.1～0.7nm之間。反滲透是在濃度高的一側(cè)施加大于滲透壓的壓力，利用膜的選擇透過(guò)性，使水分子透過(guò)膜，而水中的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無(wú)法透過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)水的凈化。納濾是介于超濾和反滲透之間的一種膜分離技術(shù)，它所分離的粒徑在幾納米之間，用于將相對(duì)分子質(zhì)量較小的物質(zhì)如無(wú)機(jī)鹽和葡萄糖、蔗糖等小分子有機(jī)物從溶劑中分離出來(lái)，主要應(yīng)用于生物制藥、食品化工等產(chǎn)業(yè)[3]。

2 城市污水再生處理一般工藝流程

2.1 預(yù)處理

城市污水再生處理的原水為市政污水處理廠二級(jí)處理的尾水。大多數(shù)情況下污水二級(jí)處理出水水質(zhì)不能達(dá)到直接進(jìn)入超濾膜的要求，因此需要進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的主要目的是去除可能造成膜污染的有機(jī)物和懸浮物。若硬度較高，還需要進(jìn)行除硬處理。

為去除有機(jī)物，預(yù)處理工藝可采用生化法（如曝氣生物濾池）和高級(jí)氧化法（如臭氧氧化）。曝氣生物濾池等生化處理方法適合原市政污水處理廠處理標(biāo)準(zhǔn)較低，尾水中有機(jī)物含量較高且原水無(wú)工業(yè)廢水的情況；而臭氧氧化或臭氧催化氧化等高級(jí)氧化法適用于污水處理廠尾水中有機(jī)物含量較低或者污水處理廠接收部分工業(yè)廢水的情況，因?yàn)榇藭r(shí)尾水中的有機(jī)物以難降解有機(jī)物為主。

為去除懸浮物，在雙膜法之前多采用多介質(zhì)過(guò)濾器進(jìn)行預(yù)處理。多介質(zhì)過(guò)濾器是利用兩種或兩種以上的過(guò)濾介質(zhì)有效地去除水中的懸浮雜質(zhì)、膠體和油類等。常用的濾料有石英砂、無(wú)煙煤和錳砂等。這些濾料按照粒徑的大小和比重的不同，在過(guò)濾器中科學(xué)排布。相比于單層濾料，多層濾料能夠有效的提高截污能力。多介質(zhì)過(guò)濾器出水濁度可以達(dá)到3NTU以下，能夠滿足超濾膜進(jìn)水要求。

若污水處理廠尾水硬度較高，為防止反滲透膜結(jié)垢，應(yīng)在過(guò)濾工藝前進(jìn)行軟化處理。軟化工藝一般采用高效沉淀池，根據(jù)水質(zhì)采用石灰軟化或者石灰-純堿軟化。軟化加藥的同時(shí)配合使用鋁鹽或者鐵鹽絮凝劑，不僅能夠提高軟化效果，還能去除原水中的懸浮物、膠體和總磷，有利于降低后續(xù)過(guò)濾單元的運(yùn)行負(fù)荷。

2.2 后處理

雖然“UF+RO”雙膜法能夠去除細(xì)菌和病毒，但是根據(jù)《城市污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50335-2016）的規(guī)定，再生水應(yīng)進(jìn)行消毒處理。因此城市污水再生處理經(jīng)雙膜法后還應(yīng)設(shè)計(jì)消毒處理單元。消毒方法可采用氯消毒、二氧化氯消毒、紫外線消毒和臭氧消毒等。

2.3 常用工藝流程

綜前文所述，“UF+RO”雙膜法應(yīng)用于城市污水再生處理中的常用工藝流程如下：

圖1 城市污水再生利用常用工藝流程

3 實(shí)際工程案例

3.1 天津某再生水回用項(xiàng)目

天津市某再生水回用項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為18000m3/d，原水為污水處理廠二級(jí)出水。污水處理廠采用“預(yù)處理+CASS+混凝沉淀+砂濾+消毒”工藝，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。處理后再生水代替地表水用于工業(yè)生產(chǎn)用水。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如下：

表1 天津某再生水回用項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

由于前面市政污水處理廠已有混凝沉淀和砂濾處理單元，出水水質(zhì)較好，無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理，可直接進(jìn)入超濾處理單元。經(jīng)雙膜法處理后的產(chǎn)水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)出水指標(biāo)。為節(jié)約成本，僅部分原水經(jīng)過(guò)反滲透處理，產(chǎn)水與未經(jīng)反滲透處理的部分混合作為最終產(chǎn)水，工藝流程如下：

圖2 天津某再生水回用項(xiàng)目工藝流程

該項(xiàng)目建成后，經(jīng)過(guò)調(diào)試和試運(yùn)行，現(xiàn)階段處理效果穩(wěn)定。超濾產(chǎn)水濁度為0.04～0.09NTU，CODCr為19～35mg/L。反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo)率為10～25μS/cm?；旌虾笤偕黜?xiàng)指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足用戶用水需求。再生水回用項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用約為0.98元/噸水，相較于地表水源水，企業(yè)用水成本大大降低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 淄博市某再生水處理項(xiàng)目

淄博市某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為80000m3/d，采用“預(yù)處理+氧化溝+高密度沉淀池+消毒”工藝，出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。再生水處理項(xiàng)目原水為該污水處理廠產(chǎn)水，設(shè)計(jì)產(chǎn)水20000m3/d，系統(tǒng)回收率為65%，生產(chǎn)的再生水用于紡織印染企業(yè)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如下：

表2 淄博某再生水處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

該再生水處理項(xiàng)目工藝流程如下：

圖3 淄博某再生水處理項(xiàng)目工藝流程

該再生水處理項(xiàng)目出水電導(dǎo)率＜500μS/cm，總硬度＜20mg/L，出水水質(zhì)能夠滿足企業(yè)的用水要求。但是，筆者認(rèn)為該項(xiàng)目進(jìn)水硬度較高，且含有鐵、錳離子，應(yīng)在進(jìn)膜前采用有效的軟化處理，以防膜污堵問(wèn)題，延長(zhǎng)雙膜的使用壽命。據(jù)筆者了解，該項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中有污堵結(jié)垢現(xiàn)象，化學(xué)清洗頻率較高，增加軟化處理單元能夠有效地解決結(jié)垢問(wèn)題。

4 雙膜法運(yùn)行中的膜污染及應(yīng)對(duì)措施

膜污染，是指在膜過(guò)濾過(guò)程中水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象[4]。根據(jù)水力清洗對(duì)膜污染去除的情況，膜污染分為可逆膜污染和不可逆膜污染。一般認(rèn)為，可以通過(guò)正常運(yùn)行周期設(shè)定的物理清洗去除的膜污染是可逆膜污染。反之，不能通過(guò)正常運(yùn)行周期所設(shè)定的物理清洗去除，在整個(gè)過(guò)濾過(guò)程中不斷累積，必須通過(guò)化學(xué)清洗才能去除的膜污染稱為不可逆膜污染。膜污染一旦發(fā)生，膜通量不可能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，殘留污染物長(zhǎng)期累積最終將決定膜的使用壽命。因此，在膜法運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)盡量減少膜污染的出現(xiàn)。

4.1 膜污染的影響因素

膜污染的影響因素主要包括膜組件本身的性質(zhì)，如膜的孔徑、材質(zhì)、表面電荷、粗糙度、親疏水性及膜的結(jié)構(gòu)等；被處理水的水質(zhì)，如有機(jī)物的濃度和種類，硬度、硫酸根離子含量等；運(yùn)行操作條件，如溫度，過(guò)濾方式，膜面流速等。

4.2 污染物的類別及處理方法

根據(jù)污染物的類別，膜污染還可以分為無(wú)機(jī)污染、有機(jī)污染和生物污染。

1）無(wú)機(jī)污染

在壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離系統(tǒng)中，由于膜的截留作用，污染物會(huì)在膜表面聚集濃縮，產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象。對(duì)于無(wú)機(jī)鹽離子，當(dāng)離子濃度達(dá)到溶度積后就會(huì)形成沉淀析出，沉積在膜表面和膜孔內(nèi)。無(wú)機(jī)類污染物最主要的是鈣、鎂離子的沉淀物，其中以CaCO3和CaS04最為常見(jiàn)。

針對(duì)無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢的處理方法是：（1）進(jìn)膜前進(jìn)行軟化處理，使原水中鈣、鎂離子濃度處于不易結(jié)垢的低濃度；（2）進(jìn)水加酸，調(diào)整進(jìn)水pH,降低堿度，較少碳酸鹽結(jié)垢可能；（3）投加適量的阻垢劑；（4）采用鹽酸或者檸檬酸清洗。

2）有機(jī)污染

有機(jī)污染物主要為細(xì)菌胞外聚合物（EPS），蛋白質(zhì)、多肽、脂肪類和多糖等大分子物質(zhì)，其中含有活性基團(tuán)的大分子有機(jī)物可能與金屬離子，如Ca2+、Mg2+等相互作用，在膜表面形成凝膠層，從而使膜通量下降或者過(guò)濾阻力上升。

針對(duì)有機(jī)物污染的處理方法是：（1）采用生化法或者高級(jí)氧化法進(jìn)行預(yù)處理，降低原水中有機(jī)物濃度；（2）低壓沖洗/反洗；（3）采用“次氯酸鈉+氫氧化鈉”進(jìn)行堿洗。

3）生物污染

生物污染是指微生物在膜-水界面上積累，從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象。膜組件內(nèi)部陰暗潮濕，是微生物生存的理想環(huán)境。若原水中微生物活性較高，極易發(fā)生生物污染。微生物在膜表面生長(zhǎng)繁殖，形成生物膜。老化的生物膜分解成蛋白質(zhì)、核酸、多糖酯和其他大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)吸附在膜表面引起膜表面改性，造成不可逆的膜污染。

針對(duì)生物污染的處理方法是：（1）進(jìn)行殺菌預(yù)處理；（2）進(jìn)水投加殺菌劑（反滲透膜應(yīng)投加非氧化性殺菌劑）；（3）采用“次氯酸鈉+氫氧化鈉”進(jìn)行堿洗。

綜上所述，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇合適的預(yù)處理工藝對(duì)雙膜法的運(yùn)行至關(guān)重要，其次為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)選擇合適的清洗劑和清洗方式對(duì)膜進(jìn)行定期清洗。

5 結(jié)束語(yǔ)

水資源短缺已經(jīng)成為一個(gè)全球性的問(wèn)題，而我國(guó)又是一個(gè)貧水國(guó)家，對(duì)于如何提高水資源的利用率，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了數(shù)十年的研究。采用“UF+RO”雙膜法對(duì)市政污水處理廠尾水進(jìn)行再生處理效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)市政污水的二次利用，有效地提高了水資源的利用率，減少地下和地表水資源的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，再生水回用于工業(yè)生產(chǎn)，還能夠降低企業(yè)的用水成本，具有環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的多重效益，有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。