混凝/微濾工藝用于青草沙水源水廠的生產廢水回用研究

吳志玲,徐培嘉,陳洪斌*

(1.同濟大學環境學院,污染控制與資源化國家重點實驗室,上海 200092；2.四川省建筑設計院,四川 成都 610017)

混凝/微濾工藝用于青草沙水源水廠的生產廢水回用研究

吳志玲1,徐培嘉2,陳洪斌1*

(1.同濟大學環境學院,污染控制與資源化國家重點實驗室,上海 200092；2.四川省建筑設計院,四川 成都 610017)

本文通過混凝/微濾工藝對青草沙水源水水廠的生產廢水開展了回用處理研究,分析了常規污染物、微量有機物、金屬離子的去除規律和消毒副產物生成趨勢.結果表明,混凝預處理可以有效減緩膜污染;組合工藝對懸浮態物質如顆粒物、細菌、大腸桿菌等有較好的去除效果,去除率均達85%以上;對溶解性成分,尤其是Al和微量有機物去除效果不佳,去除率均低于20%.生產廢水膜過濾后相同的消毒劑濃度時消毒副產物的生成趨勢高于砂濾池和炭濾池出水.研究認為,青草沙水源水廠的生產廢水凈化后回用的最佳回用點是砂濾池前或活性炭生物濾池前.

生產廢水；混凝沉淀；微濾；微量有機物；回用點

隨著經濟社會的迅猛發展,水資源短缺的問題日趨嚴峻.除了加強對水資源的保護、節約用水外,廢水回用越來越受到關注.自來水廠的生產廢水主要指在生產過程中產生的濾池反沖洗水和沉淀池的排泥水,這類水一般經過簡單處理達到國家相關排放標準后進行直接排放.水廠的生產廢水通常占到水廠取水量的 3%～10%[1],如果采用適當的方式對生產廢水進行處理回用,能夠提高水資源的利用率,減少水廠的廢水排放,對水廠節能降耗具有重要意義. 20世紀 60年代,歐美、日本等發達國家在水廠生產廢水處理方面進行了大量研究,我國對生產廢水回用處理起步較晚,目前只有少數幾個大型水廠對生產廢水進行處理后回用[2].

水廠生產廢水回用技術主要有直接回用技術、投加化學藥劑法、膜過濾處理技術等[3-6].膜分離技術在供水領域的應用越來越多,具有占地面積小、回收率高、出水水質穩定和可自動控制等優點,在小型凈水領域具有良好的應用潛力[7].為克服膜污染、提高膜的使用壽命,采用混凝沉淀、活性炭吸附等能減輕膜污染、提高膜的滲透性的預處理是必要的[8-9].青草沙水源的有機物含量低,源水的水質狀況在上海地區最佳,但容易出現季節性藻類生長等現象.為考察青草沙水源水廠的生產廢水回用的技術可行性,采用混凝/微濾聯用工藝對上海市某水廠的生產廢水進行回用處理小試模擬研究.

1 方法與材料

1.1 青草沙水源水廠生產廢水的水質特點

以上海地區某青草沙水源水廠為例開展小試模擬實驗.該廠的生產廢水來源于沉淀池排泥水、砂濾池和生物活性炭濾池的反沖洗水,排放量約為15000m3/d,占水廠制水量的2.5%左右.這些廢水進入排泥水儲存池后再進入污泥濃縮池,上清液直接排放,污泥脫水后外運.實驗所用進水來自該水廠污泥濃縮池的上清液,其常溫期和低溫期的水質如表1所示.

表1 青草沙水源水廠生產廢水的水質特點Table 1 Water quality of the production wastewater from waterworks using Qingcaosha raw water

青草沙水源水廠生產廢水的特點為∶生產廢水的濁度低于原水,CODMn和UV254水平接近原水水平,回用不會導致濁度和有機物的增加;常溫期生產廢水的細菌總數和大腸桿菌數高于原水,其中大腸桿菌數超過《生活飲用水水源水質標準》[10]要求,回用可能會導致生產流程中的微生物量略微升高;生產廢水的 Fe、Mn含量低于原水,而Al含量約為原水的4倍,直接回用需要評估水廠出廠水的 Al超標風險;生產廢水大于 2μm顆粒數遠超于 100個/mL.如果原水中含有“兩蟲”(賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲),則大部分“兩蟲”會出現在生產廢水中,直接回用生產廢水可能會出現“兩蟲”的富集現象[11].

1.2 模擬實驗裝置及實驗方法

現場小試模擬實驗裝置的工藝流程如圖 1所示,生產廢水先在進水箱進行混凝沉淀處理,然后混凝液經微膜過濾,最后進入清水箱.不能通過微濾膜的細菌和其他雜質如膠體、藻類、懸浮物和大分子有機物等通過溢流管排出.通過曝氣沖刷來控制膜污染[12-13].

圖1 小試模擬裝置的工藝流程Fig.1 Process flow of lab-scale test

膜組件的相關參數如表 2所示,控制膜系統的膜通量為 40L/(m2?h),每天通過調節出抽水蠕動泵的轉速進行調整.

為使膜系統能長期時間處于正常工作狀態,常規的物理清洗和化學清洗是必要的[14].常規物理清洗∶每天定時使用膜組件出水進行反沖洗,流量為正常運行時的兩倍,反沖時間為 15min.化學清洗∶當膜組件污染嚴重,表現為跨膜壓差達到一定值后(本實驗定為 0.3bar),就對膜組件進行化學清洗.化學清洗方式是先通過放空管,排空反應器內的水,然后采用 0.5%的次氯酸鈉溶液(該濃度指有效氯濃度)反沖洗浸泡,待反應器充滿后浸泡 3h,然后排水.如果反洗效果不佳,再加入1g/L的檸檬酸溶液浸泡1h,排出反應器內的檸檬酸溶液,然后再正常進水處理.

表2 平板膜相關參數Table 2 Parameters of flat membrane

1.3 測試指標及分析方法

CODMn采用國標酸性高錳酸鉀滴定法測定;濁度采用美國哈希公司的2100N型濁度儀測定,檢測范圍在 0～4000NTU;UV254采用 Unicam UV300分光光度計測定;pH值采用玻璃電極法測定;細菌總數測定采用平板計數法;大腸桿菌數采用固定底物酶底物法,美國 IDEXX公司的科里德產品;顆粒數采用 ZH-IBR-Z1型便攜式顆粒計數儀,檢測粒徑大于2um的顆粒數量,包括藻類(藻類的最小粒徑在所測定的顆粒數范圍內、直接計數藻類的準確度難以把握,以顆粒物數量代替);Al、Fe、Mn含量用電感耦合等離子體發射光譜儀(Agilent 720ES)測定.消毒副產物、微量有機物采用 GC-MS法測定.樣品預處理采用液液萃取法.取上層水樣清液1.0L置入1L分液漏斗中,加入20.7μg薄荷醇作內標.酸堿萃取后合并所有有機相,無水硫酸鈉干燥后,K-D濃縮至1.0mL,取1.0μL進行GC/MS檢測.檢測儀器采用美國Thermo Focus DSQ氣相色譜-質譜聯用儀,使用HP-5MS (30m×0.25mm×0.25μm)色譜柱.色譜條件∶為進樣口溫度 250 ;℃ 載氣 He,流速∶1mL/min;進樣方式∶不分流進樣時間∶1min,進樣量∶1μL.質譜條件為電離方式EI,電離能量70eV,離子源溫度250 .℃質譜標準庫∶NIST庫.

2 結果與討論

2.1 膜前預處理

從生產廢水水質監測數據來看,低溫期的各指標都優于常溫期.因此為控制膜污染問題,對常溫期的生產廢水進行混凝沉淀預處理實驗.結合相關文獻的研究結果[4]選取PAC(聚合氯化鋁)為混凝劑、PAM(聚丙烯酰胺)為助凝劑進行研究.通過正交實驗,確定混凝沉淀預處理的最佳參數如下∶PAC2.8mg/L(按 Al2O3計)、快攪轉速200r/min、快攪時間90s、PAM0.08mg/L(按產品濃度計)、慢攪轉速140r/min、慢攪時間15min,混凝后沉淀 15min.生產廢水混凝沉淀預處理的實驗結果如表3所示.

表3 生產廢水混凝沉淀預處理效果(均值)Tbale 3 Effect of coagulation pretreatment to production wastewater(average)

從表 3可以看出,污泥濃縮池上清液采用混凝沉淀預處理,對濁度、大于2μm直徑的顆粒物、細菌以及大腸桿菌均有較好的去除效果;對CODMn、UV254及 Fe、Mn有一定的去除效果;雖然對Al的去除率有92%,但去除的大部分都是由投加PAC引進的Al,對進水中Al的去除效果并不明顯,另外可以看出混凝劑PAC的投加并沒有造成進水中Al的增加.

混凝預處理后pH有所上升,可能原因是混凝沉淀過程中某些酸性物質被去除,從混凝前后水中微量有機物的分布中看到,混凝沉淀后正十五酸、肉豆蔻酸被完全去除,棕櫚酸量也有所降低.

2.2 生產廢水混凝沉淀后對膜通量的影響

為確定生產廢水預處理與否對膜污染的緩解效果,分別投加 PAC有效鋁濃度分別為0,1.4,2.8,4.2mg/L,測定分別測定經過混凝預處理后的膜通量變化趨勢,結果如圖2所示.

圖2 不同混凝劑投加量對后續膜通量的影響Fig.2 Influence of different coagulant dosage to subsequent membrane flux

從圖 2可以看出,微濾膜直接過濾生產廢水時膜通量迅速降低;當投加混凝劑預處理后,膜通量的降低速度明顯減弱.當 PAC投加量為1.4mg/L時,膜通量較低;而 PAC在 2.8mg/L和4.2mg/L時膜通量較大,并且兩者相差甚微.可能原因是當混凝劑投加量較小時,部分懸浮顆粒和膠體還沒有形成絮體沉降,進而一些大顆粒物沉積在膜表面,降低了膜通量;過量的混凝劑導致礬花細小,從而使沉積在膜表面的濾餅層密實,膜阻力增大,通量下降[15].因此尋求混凝劑最佳投加量很有必要.

2.3 膜系統運行狀況

微濾膜24h連續運行,每工8min停2min,持續曝氣.實驗過程中設定膜通量為 40L/(m2?h),每天反沖洗后對膜通量進行校正.每天進行一次反沖洗,沖洗強度 80L/(m2?h),持續時間為 15min.實驗裝置分別在秋季(常溫)和一月份(低溫期)各運行數周.

2.3.1 跨膜壓差 跨膜壓差是評價膜組件滲透性能的一個重要的指標.膜系統的運行狀況如圖3所示.秋季常溫期經過連續20多d運行,跨膜壓差從最初的 0.02bar上升至 0.34bar,平均跨膜壓差上升率約為0.015bar/d.

總體來看,跨膜壓差的增長速率越來越快.隨著處理累積水量的增加,每天通過反沖洗恢復的跨膜壓差有減小趨勢,需及時進行在線化學清洗.經過化學清洗后膜組件的跨膜壓差降至0.12bar.冬季低溫期實驗的初始跨膜壓差為 0.13bar,2周后膜組件的跨膜壓差從 0.12bar升至 0.40bar,變化趨勢與常溫期相似,化學清洗后的跨膜壓差重回至0.13bar.

圖3 膜系統運行期間的跨膜壓差變化趨勢Fig.3 Changing trend of trans-membrane pressure during membrane system operation

圖4 膜系統運行期間的MTC變化趨勢Fig.4 Changing trend of MTC during membrane system operation

2.3.2 膜滲透率 膜滲透率即 MTC(mass transfer coefficient)指的是膜透過水的能力,指單位壓力下單位面積膜透過的水的流量.由于膜通量與跨膜壓差之間的變化是相互作用、相互影響的,因此將膜通量及跨膜壓差綜合為一個指標來評價膜組件的滲透性能更為科學與直觀,單位L/(m2?h?bar)[16].由圖4可看出,新膜的MTC很高,約2000L/(m2?h?bar).當每m2膜累積產水量到8m3時,MTC降至約新膜的 20%,隨后的幾天運行MTC降低率明顯減緩.在線清洗后,MTC恢復至約 350L/(m2?h?bar),與相關膜系統文獻中的運行數據相近,但卻遠低于新膜的 MTC.第二次在線化學清洗后,MTC從 90L/(m2?h?bar)恢復至約310L/(m2?h?bar),說明通過定期化學清洗微濾膜系統能夠穩定運行.

2.4 膜系統的處理效果

由表 4可見,同混凝預處理一樣,微濾膜(平均孔徑0.1μm)對濁度、直徑大于2μm的顆粒物、細菌以及大腸桿菌等均有良好的去除效果,而對CODMn、UV254及金屬離子的去除效果不佳.微濾膜平均孔徑只有0.1μm,但仍有一些大于2μm的顆粒數穿過膜進入清水箱.一般球菌的直徑約1μm,中等大小的桿菌長 2～3μm,寬 0.3～0.5μm,膜出水不應該存在細菌,但測試發現,膜出水仍有一定數量的細菌.分析認為微生物體具有生物活性,隨生長階段的不同其大小也會發生變化,且在一定條件下還會發生擠壓變形,進而穿透膜組件.所以微濾膜對細菌總數的去除效果僅為 70%左右.此外,膜出水存在細菌也可能是清水箱沒有完全封閉所引起.大腸桿菌直徑為 0.5～3μm,主要是機械篩分形成濾餅進而被去除,微濾膜對其截留效果較好,去除率達100%.

表4 混凝沉淀預處理后的上清液經微濾膜過濾的效果(均值)Table 4 Effect of microfiltration to supernatant after coagulation treatment(average)

CODMn、UV254及金屬離子絕大部分屬于溶解態,單純的物理篩分并不能將其去除,因此去除率較差.另外,無論是常溫期還是低溫期,pH值都增大了,原因可能是在膜系統曝氣降解或者膜表面生物膜吸附余氯、三鹵甲烷等化學物質,另外水中含有一定的天然堿性礦物質,如鈣、鉀、鐵、鎂等易溶于水,會略微提高水的pH值,使水變弱堿性.

2.5 生產廢水膜過濾前后的微量有機物與水廠不同制水環節的微量有機物差異性

為確定水廠生產廢水最佳回用方法,在常規水質指標上進行了微量有機物和消毒副產物的測定.

由圖 5可見,不同凈化單元出水和生產廢水所包含的微量有機物的種類不盡相同,說明各處理單元主要去除的有機物種類是不同的.根據MS分析結果,原水中可檢出的微量有機物為 12種,其中對水體存在一定危害有 2種,總量為6.4μg/L;生產廢水中可檢出的微量有機物有 19種,其中對水體存在一定危害有 4種,總含量為13.14μg/L,是原水的2倍以上.生產廢水經過混凝沉淀后微量有機物種類由19種減少到13種,其中有 9種微量有機物未在生產廢水中出現,且水中微量有機物總量下降到 3.2μg/L;通過膜處理后檢出的微量有機物為13種,其中有害微量有機物為2種,微量有機物總量為4.56μg/L,略高于混凝沉后水.水廠出廠水可檢出的微量有機物為24種,有害的微量有機物種類為3種,這是由于投加消毒劑后產生了氯代有機物所致.生產廢水膜過濾后投加 1.5mg/L有效氯(與 水廠同),消毒副產物的生成趨勢見表5.

圖5 水廠不同凈化單元出水和生產廢水及膜過濾后的微量有機物分布Fig.5 Trace organics distribution of different purification unit effluents from water work, production wastewater and effluent after membrane filtration

表5 生產廢水膜處理后與出廠水的消毒副產物對比(μg/L)Table 5 Comparison of disinfection byproducts between production wastewater after membrane filtration and product water (μg/L)

生產廢水經膜處理后投加的氯濃度為出廠水要求,約1.5mg/L.由表5可以看出,生產廢水在經過膜處理后其中消毒副產物總量小于水廠出水,但投加氯后各種消毒副產物的含量明顯高于出廠水的濃度.不過,膜出水消毒后的幾類消毒副產物濃度均低于國家標準.

2.6 生產廢水凈化后的回用點選擇

生產廢水混凝/膜過濾后回用的途徑有幾個位點∶(1)回用于混凝沉淀前.混凝沉淀階段是水廠生產過程中導致水中Al增加的主要階段,按實驗的均值進行計算,膜出水中鋁含量為低溫期0.104mg/L(常溫期 0.135mg/L),原水中鋁含量的均值為0.031mg/L,生產廢水占水廠取水的2.5%,全部進行回用時可能導致混凝沉淀前的水中鋁含量上升至 0.033mg/L(0.034mg/L),對生產基本無影響.(2)回用至砂濾池前或活性炭濾池前.生產廢水凈化后的CODMn和濁度接近水廠的沉后水,鋁含量也在沉后水的波動范圍內,細菌總數和大腸桿菌數也可滿足回用要求.(3)回用至砂濾池后(無深度處理工藝)或活性炭生物濾池后∶膜出水大于2μm顆粒數約120個/mL,仍存在一定的“兩蟲”風險.(4)回到清水池.膜處理出水消毒后的副產物數量高于出廠水,該回用點不可取.可見,生產廢水凈化后回用至混凝沉淀前、砂濾池前或活性炭生物濾池前技術上均可行.從經濟性分析,回用至砂濾池前或活性炭生物濾池前可以少混凝沉淀環節.青草沙水源水廠的生產廢水經過混凝/微濾工藝處理后的回用至砂濾池前或活性炭生物濾池前是最佳選擇.

3 結論

3.1 混凝預處理/微濾工藝對青草沙水源水廠生產廢水的濁度、顆粒物、細菌及大腸桿菌的去除率均達到 85%以上,但對溶解性成分如CODMn、UV254及金屬離子的去除率均低于20%.

3.2 生產廢水經過混凝/微濾工藝處理后可檢出的微量有機物為 13種,有害微量有機物為 2種,總量為 4.56μg/L,其中種類略高于原水,微量有機物總量略高于沉后水;投加氯后,各種消毒副產物的含量明顯高于出廠水的濃度,但仍低于國家標準.

3.3 青草沙水源水廠的生產廢水經過適當凈化后回到生產環節是可行的.生產廢水凈化后回用的最佳位點是砂濾池前或活性炭生物濾池前.

[1] Bourgeois J C, Walsh M E, Gagnon G A. Comparison of process options for treatment of water treatment residual streams [J]. Journal of Environmental Engineering and Science, 2004, 3(6)：408-416.

[2] 楊金滿,賈瑞寶.自來水廠生產廢水回用工藝研究進展 [J]. 水處理技術, 2012,(2)：16-20.

[3] 周 華,陳 衛,孫 敏,等.長江水源水廠低溫低濁期排泥水直接回用試驗研究 [J]. 水處理技術, 2010,36：93-96.

[4] 白建國,鄭平萍,黃曉菊,等.PAM 在濾池反沖洗水回用中混凝效果的試驗研究 [J]. 河北科技大學學報, 2009(4)：358-361.

[5] Brugger A. Reuse of filter backwash water by implementing ultrafiltration technology [J]. Water Science and Technology, 2001, 5(1)：207-214.

[6] Song H, Fan X, Zhang Y. Application of microfiltration for reuse of backwash water in a conventional water treatment plant-a case study [J]. Water Science and Technology, 2001,5(1)：199-206.

[7] 白曉晴,趙 英,顧 平.膜分離技術在飲用水處理中的應用 [J].水處理技術, 2005,31(9)：1-5.

[8] Hatt J W, Germain E, Judd S J. Precoagulation-microfiltration for wastewater reuse [J]. Water Research, 2011,45：6471-6478.

[9] Jang H N, Lee D S, Ko S O. The effects of coagulation with MF/UF membrane filtration in drinking water treatment. [J]. Desalination and Water Treatment, 2010,19：138-145.

[10] CJ3020-1993 生活飲用水水源水質標準 [S].

[11] Mar W Le Chevallier, William D Norton. Examining relationships between particle counts and giardia, cryptosporidium, and turbidity [J]. Journal AWWA., 1992,84(12)：54-60.

[12] 王志強,蔡振宇,張志剛,等.氣-水聯合反沖洗膜污染防治技術研究 [J]. 環境污染治理技術與設備, 2005,8：61-63.

[13] Sheng Li, Heijman S G J, Verberk J Q J C, et al. Impact of backwash water composition on ultrafiltration fouling control [J]. Journal of Membrane Science., 2009,344(1/2)：17-25.

[14] 高國偉,何文杰,李榮光,等.水廠生產廢水超濾過程中膜污染特性研究 [J]. 供水技術, 2011,5：5-7,11.

[15] 董秉直,曹達文,管曉濤,等.混凝對膜過濾的影響 [J]. 中國給水排水, 2002,18(12)：34-36.

[16] 鄺 璐.超濾技術回收濾池反沖洗水的試驗研究 [D]. 長沙：湖南大學, 2007.

Production wastewater reuse in waterworks using Qingcaosha raw water by the coagulation/MF process.

WU Zhi-ling1, XU Pei-jia2, CHEN Hong-bin1*
(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environment Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Sichuan Provincial Architectural Design Institute, Chengdu 610017, China). China Environmental Science, 2014,34(3)：623～629

The bench-scale study on wastewater of water work which purifies Qingcaosha raw water was fulfilled using the combined process of coagulation and micro-filtration (MF), and the removal effect of traditional pollutants, trace organics and metal ions as well as the generation trend of the disinfecting by-products were analyzed. It was showed by the results that ,coagulation pretreatment could mitigate flat-sheet membrane fouling effectively; the combined process was effective to remove particles、strains、Escherichia coli and other suspended substances with over 85% removing rate, but it could not do well with the dissolved components, especially aluminum and trace organics, with the degradation of under 20%. At the same concentration of the chlorine disinfectant, the generation trend of the disinfection by-products after membrane filtration was higher than the effluent of the sand filter or carbon filter. It was suggested that the optimal reuse points of the treated wastewater could be placed in front of the sand filter or the biological activated carbon filtration.

wastewater of water worker；coagulation；micro-filtration (MF)；trace organics；reusing point

X703

：A

：1000-6923(2014)03-0624-07

吳志玲(1989-),女,江蘇揚州人,同濟大學碩士研究生,主要從事污染原水凈化技術研究.發表論文2篇.

2013-06-25

國家十二五水專項課題(2012ZX07403-002-04)

* 責任作者, 教授, bhctxc@tongji.edu.cn