市政污水回用系統(tǒng)中UF膜對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)有限公司

市政污水回用系統(tǒng)中UF膜對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)有限公司，上海 200241)

摘  要：通過城市污水UF+RO和傳統(tǒng)多介質過濾器+RO的中試平行對比運行，考察UF膜作為RO膜前處理的作用和優(yōu)勢。結果表明，對于營養(yǎng)物指標(N、P)，及有機物指標(TOC、蛋白質、多糖類)的去除效果上，UF與多介質過濾器相當；但在與RO生物污染密切相關的一些指標(ATP)，UF體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢；且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生物污染趨勢的發(fā)展。中試運行也進一步說明UF作為前處理的RO膜系統(tǒng)的壓差增長和產(chǎn)水量衰減趨勢明顯更低，即驗證了UF相對于多介質過濾器在控制RO生物污染方面具備顯著的優(yōu)勢。。

關鍵詞：污水回用，超濾，多介質過濾器，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重影響到經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高，開發(fā)新的水資源成為當務之急。我國城市污水排放量巨大，作為城市的“第二水源”要比遠距離引水更加經(jīng)濟[1]。建設部、科學技術部發(fā)布的《城市污水再生利用技術政策》要求2015年北方地區(qū)缺水城市再生水直接利用率達到城市污水排放量的20%-25%，南方沿海缺水城市達到10%-15%，其他地區(qū)城市也應開展此項工作，并逐年提高利用率。

近年來，膜技術在污水處理與回用領域的應用越來越廣泛[2]，工業(yè)廢水、城市污水等通過生化處理后再經(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(wěn)定，水質良好的特點[4]。然而相比于其他傳統(tǒng)的RO前處理深度處理工序，UF的投資和運行成本相對較高，且目前對于其保證RO長期穩(wěn)定運行的效果及控制RO生物污染和有機污染等方面的優(yōu)勢點也并不明確。

本研究的主要目的是對比傳統(tǒng)的多介質過濾器處理工序，科學地闡明采用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。

2 試驗方法

2.1 原水水質

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

表1 污水處理廠二級出水水質

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

2.2 工藝說明

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+多介質過濾器+RO和在線混凝+UF+RO工藝。其中多介質過濾器采用兩級過濾模式，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在長年積累的高分子化學技術·制膜技術的基礎上研制開發(fā)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(xiàn)了膜的高強度和高透水性，同時具有卓越的抗污染性能。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，其膜材質為架橋芳香族聚酰胺復合反滲透膜片，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增加膜袋的片數(shù)，縮短進水流道的長度，增加進水隔網(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，可以減少有機物及微生物在膜表面的吸附，具有更強的耐污染能力。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的測試采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的測試采用國標方法，分析測試方法見文獻[5]。蛋白質測試采用Folin-酚法，多糖測試采用苯酚-硫酸法，ATP(三磷酸腺苷)測試采用日本Kikkoman公司的Lucifell HS Set測試藥劑。

3 結果與討論

3.1 UF產(chǎn)水和多介質過濾器產(chǎn)水水質對比

3.1.1 有機物的處理效果

城市污水中的有機物種類繁多，成份也比較復雜。TOC是水中有機物的總量的表征。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膜的污染。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，對于有機物指標，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(yǎng)物質是微生物增殖必需的元素物質，與RO膜的生物污染有一定的關系。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預處理中采用污泥密度指數(shù)(SDI)來判斷進水中膠體和顆粒物質的污染程度，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(tǒng)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�？梢钥闯觯�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要明顯好于多介質過濾器出水，說明UF對水中的膠體和顆粒物質的截留能力要好于多介質過濾器。

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，存在于所有的有機體中，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(fā)光是一種快速的微生物檢測方法，具有靈敏、快速、簡便、穩(wěn)定等優(yōu)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于多介質過濾器，UF在控制RO膜生物污染方面具有明顯的優(yōu)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(xù)運行標準化壓差

一般認為RO壓差的增長主要由RO膜生物污染引起，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(tǒng)進出水間壓差迅速加大。如圖7所示，UF-RO連續(xù)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，化學清洗后，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相對于多介質過濾器對于控制RO膜生物污染具有明顯的優(yōu)勢。

圖7 RO連續(xù)運行標準化壓差對比

3.2.2 RO連續(xù)運行標準化產(chǎn)水量

圖8顯示了UF-RO和多介質過濾器-RO連續(xù)運行標準化產(chǎn)水量的對比，標準化產(chǎn)水量可以反映RO膜的整體的污染程度，UF-RO連續(xù)運行78天后標準化產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定。

圖8 RO連續(xù)運行標準化產(chǎn)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(fā)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(fā)生了嚴重的生物污染，標準化產(chǎn)水量的衰減率為20%/月，而UF+RO標準化產(chǎn)水量的衰減率為10%/月。UF作為RO膜預處理在抑制RO生物污染方面的優(yōu)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(wěn)定。

4 結論

多介質過濾器+RO和UF+RO回用城市污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(yǎng)物指標(NH3-N、TP)，及影響RO有機污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生物污染密切相關的一些指標(ATP)，UF體現(xiàn)出顯著的優(yōu)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生物污染趨勢的發(fā)展。

另一方面，根據(jù)兩套中試的平行運行結果，對于主要反映RO生物污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(tǒng)，以多介質過濾器作為前處理的RO膜系統(tǒng)的壓差增長更為劇烈，RO產(chǎn)水能力的衰減速率也更高，即驗證了UF相對于多介質過濾器在控制RO生物污染方面具備顯著的優(yōu)勢。所以，相比于傳統(tǒng)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(wěn)定運行。

參考文獻

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