浸沒式超濾膜用于污水處理廠深度處理的試驗

操家順，陸曉光，方 芳

(1.淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學環境學院，江蘇南京 210098;3.水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098)

隨著膜材料和工藝的不斷發展，超濾技術已經成為污水深度處理中一個重要的技術選擇［1-2］。超濾膜裝置結構簡單，操作容易，便于維修，與傳統的深度處理技術相比，具有出水水質好、占地面積小、自動化程度高等特點，尤其在去除SS、微生物等方面具有很大的優勢［3］。

本試驗所在的污水處理廠已建成5 萬t/d 的污水回用工程，供給周邊鋼鐵廠的循環冷卻水，處理工藝為“微絮凝→砂濾→臭氧→氯消毒”。本試驗以污水處理廠二沉池出水為原水，研究超濾裝置對不同污染物質的去除效果，并與污水處理廠原深度處理工藝中砂濾池的去除效果進行對比。

1 試驗材料與方法

1.1 工藝流程

中試裝置的處理規模為31.2 m3/d。超濾膜采用SMM-1010 型PVDF 外壓中空纖維膜，孔徑小于0.1 μm。中試裝置包含3 個簾式膜組件，單個膜組件有效膜面積為10 m2。超濾膜比通量為1.66 ～2.11 L/(m2·h·kPa)，反沖洗通量為8.3 L/min，跨膜壓差小于或等于50 kPa。每運行30 min 反沖洗1 min。化學反沖洗與水反沖洗同步，藥劑采用0.5%檸檬酸溶液，每7 d 1 次。試驗期間日平均溫度15.1 ～18.8 ℃。出水要求達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A 標準，同時滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》的要求。

工藝流程如圖1 所示。二沉池出水經過加藥間加入絮凝劑硫酸鋁，通過管道混合器混合絮凝，直接進入浸入式超濾膜中試裝置。

圖1 工藝流程圖

1.2 進水水質

超濾裝置進水為污水處理廠二沉池出水，具體水質指標見表1。

由表1 可見，原水的TN、NH3-N、硬度、pH 等指標均符合出水及回用水要求，渾濁度、SS、TP、糞大腸菌群等指標尚不達標。

1.3 檢測指標及分析方法

pH 值測定采用雷磁PHS-3C 型pH 計，渾濁度測定采用昕瑞WGZ-20S 濁度計，COD 測定采用快速密閉催化消解法，UV254測定采用UV1102 紫外分光光度計，TN 測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，TP 測定采用鉬銻抗分光光度法，NH3-N 測定采用納式試劑光度法(GB7479—1987)，大腸桿菌及糞大腸桿菌的檢測均采用濾膜法(GB5750—85)，SS測定采用重量法。

2 結果與討論

2.1 投加的最佳絮凝劑質量濃度的確定

污水的渾濁度和有機物濃度等過高，容易增加超濾膜負荷，影響出水水質。混凝作用通過壓縮微顆粒表面雙電層、電中和及架橋、網捕、吸附等化學物理過程，可將水中的懸浮物、膠體和可絮凝的其他物質聚成絮團，從而將污染物除去。試驗在超濾前投加絮凝劑硫酸鋁，為了能得到較好的污染物去除效果和較輕的膜污染，試驗需討論投加的最佳絮凝劑質量濃度。試驗投加的絮凝劑硫酸鋁質量濃度分別為0，2，4，6，8 mg/L。由于超濾工藝對渾濁度、SS、糞大腸菌群的去除起保障作用的，是超濾膜的篩分作用，而不是絮凝劑的絮凝效果［4］，因此，投加的絮凝劑最佳質量濃度主要通過有機物和TP 的去除率以及膜污染情況來確定。其中有機物的去除率通過COD 和UV254的去除率表征，膜污染情況通過跨膜壓差的變化表征。

絮凝劑對疏水性及中性有機物的有效去除是其能去除有機物的主要原因［5］，對TP 的去除主要依靠鋁離子與正磷酸根結合成不溶性鹽。投加的絮凝劑質量濃度與污染物去除率的關系見圖2。隨著絮凝劑的投加，超濾裝置對有機物和TP 去除率有明顯的提高，投加的絮凝劑質量濃度在2 ～4 mg/L 時效果最為明顯，且可滿足出水水質要求，投加的絮凝劑質量濃度超過4 mg/L 后，污染物去除率增長趨緩。

表1 污水處理廠二沉池出水水質

圖2 投加的絮凝劑質量濃度與污染物去除率的關系

投加的絮凝劑質量濃度對跨膜壓差增量的影響見圖3。在10 個反沖洗周期結束后，未投加絮凝劑的跨膜壓差增量達到7.6 kPa，而投加絮凝劑的跨膜壓差增量低于4.0 kPa。與未投加絮凝劑時相比，跨膜壓差的增量明顯降低。由圖3 可知，跨膜壓差增量并未與投加的絮凝劑質量濃度成反比，投加的絮凝劑質量濃度在4 ～6 mg/L 時效果最好，達到8 mg/L后跨膜壓差增量反而增加，其主要原因為:投加較小質量濃度的絮凝劑產生的絮體較少，超濾膜表面形成濾餅層的時間長且濾餅層疏松;投加的絮凝劑質量濃度達到8 mg/L 后形成的絮體變多，超濾膜表面形成濾餅層更快且密實，更不容易在反沖洗中被沖洗掉。

圖3 投加的絮凝劑質量濃度與跨膜壓差增量關系

2.2 超濾裝置對污染物的去除效果

2.2.1 渾濁度去除效果

超濾膜孔徑小于0.1 μm，能有效截留原水中的懸浮固體和膠體顆粒，對渾濁度有明顯的去除效果［6-7］。較砂濾工藝，超濾工藝可截留懸浮物質的粒徑遠小于砂濾工藝［8］。超濾裝置出水和砂濾池出水渾濁度的去除效果對比情況見圖4。

圖4 超濾裝置與砂濾池對渾濁度的去除效果對比

由圖4 可看出，當原水渾濁度為4.26 ～8.52 NTU 時，經過超濾處理出水渾濁度為0.17 ～0.49 NTU，平均去除率94%;污水處理廠砂濾池的出水渾濁度為0.75 ～2.00 NTU，平均去除率81%。超濾和砂濾出水雖然都能達到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》的標準，但超濾出水渾濁度明顯更小些。

2.2.2 SS 去除效果

超濾裝置對SS 的去除主要是依靠物理篩分作用，而砂濾則主要依靠懸浮顆粒與濾料顆粒之間的粘附作用，因此超濾裝置對SS 的去除能力強于砂濾［9］。超濾裝置對SS 的去除效果見圖5。

圖5 超濾裝置與砂濾池對SS 的去除效果對比

由圖5 看出，原水ρ(SS)為22.2 ～38.9 mg/L時，超濾裝置出水ρ(SS)為0.4 ～1.0 mg/L，平均去除率97%，懸浮固體幾乎全部被超濾膜截留。污水處理廠砂濾池的出水ρ(SS)為2.9 ～7.1 mg/L，平均去除率85%。相比于砂濾池，超濾裝置對SS 的去除率高且出水穩定。

2.2.3 COD 去除效果

超濾裝置對COD 的去除效果見圖6。從圖6 可看出，原水中COD 的質量濃度為16.6 ～26.9 mg/L時，超濾裝置出水中COD 的質量濃度為2.9 ～9.6 mg/L，平均去除率76%。污水處理廠砂濾池出水中COD 的質量濃度為9.3 ～18.4 mg/L，平均去除率35%。超濾較砂濾的去除效果更加穩定，其主要原因為超濾裝置對有機物的去除主要依靠截留吸附作用，當絮凝劑加入到原水后，同膠體物質發生電中和及吸附反應，形成粒徑更大的高聚物絮凝體［10］，絮體被超濾膜截留，從而使進水中大分子及膠體有機物得到有效去除［11-12］;而對于可溶性的小分子有機物，混凝作用對其去除效果較差，且超濾膜無法對其有效篩分，因此超濾裝置對其基本無去除效果［13］。砂濾對COD 的去除主要依靠絮體和濾料表面的黏附作用［14］，黏附過程主要受濾料和水中顆粒的表面物理化學性質的影響。超濾裝置出水中COD 的質量濃度為2.9 ～9.6 mg/L，這已達到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》的標準。

圖6 超濾裝置與砂濾池對COD 的去除效果對比

2.2.4 TP 去除效果

超濾裝置對TP 的去除效果見圖7。從圖7 可看出，原水中TP 的質量濃度為0.55 ～0.86 mg/L，超濾裝置出水中TP 的質量濃度為0.25 ～0. 36 mg/L，平均去除率52%。污水處理廠砂濾池出水中TP 的質量濃度為0.27 ～0.40 mg/L，平均去除率49%，與超濾裝置去除率差別不大。超濾裝置對TP 的去除機理主要是鋁離子與正磷酸根結合產生不溶于水的鹽，從而被超濾膜截留［15］，超濾對溶解態的正磷酸根本身去除作用不大，這也是在處理相同硫酸鋁投加量的原水情況下，超濾與砂濾TP 去除率接近的原因。

圖7 超濾裝置與砂濾池對TP 的去除效果對比

2.2.5 糞大腸菌群去除效果

超濾對糞大腸菌群的去處主要依靠其物理篩分作用。超濾裝置糞大腸菌群的去除效果見表2。超濾裝置對糞大腸菌群的去除率達到100%。超濾膜的孔徑小于0.1 μm，而大腸桿菌的大小為1 ～3 μm，理論上可完全去除［16］。超濾工藝出水能滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》的標準。與砂濾相比，超濾工藝在對糞大腸菌群的去除效果表現出優越性。

表2 超濾裝置對糞大腸菌群的去除效果

3 結 論

a. 超濾裝置對二沉池出水中SS、渾濁度和糞大腸菌群的去除效果明顯，對SS 的去除率大于96%，對渾濁度的去除率大于94%，對糞大腸菌群的去除率達到100%;對COD 的去除率大于76%，高于絮凝+砂濾工藝的去除效果;對TP 的去除率52%，與砂濾處理效果相仿。

b. 現有的進水情況下，超濾裝置出水完全滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準的要求，并達到了GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中循環冷卻用水的水質要求，優于砂濾池出水水質。

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