排泥水膜分離法資源化利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究

（延安市自來水公司，陜西 延安 716000）

近年來，美國(guó)、日本、歐洲的自來水廠一般都配置了較完善的自動(dòng)化程度高的排泥水處理和污泥處置設(shè)施，其中離心機(jī)脫水、加壓過濾脫水得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)自來水廠排泥水處理并不普遍，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)凈水廠具有完善排泥水處理設(shè)施的不足10%。然而，從環(huán)境保護(hù)和水資源持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，對(duì)自來水廠排泥水資源化利用是未來發(fā)展的最終方向[1]。研究自來水廠排泥水資源化利用，有助于維持生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡，保證自來水廠安全運(yùn)行，降低經(jīng)營(yíng)成本。

我國(guó)自來水排泥水處理概念的提出始于20世紀(jì)80年代，1996-2001年，石家莊潤(rùn)石水廠、北京第九水廠、上海閔行水廠、深圳市梅林水廠等先后建立了排泥水處理設(shè)施。《中華人民共和國(guó)水法》總則第一條，提出了“合理開發(fā)、利用、節(jié)約和保護(hù)水資源，防治水害，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要”的總方向。《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）明確提出排泥水處理設(shè)計(jì)的基本規(guī)定，可見國(guó)家已經(jīng)開始重視自來水廠排泥水的治理，但其對(duì)排泥水資源化利用還沒有提出具體要求。因此，研究自來水廠排泥水處理資源化利用既符合《中華人民共和國(guó)水法》精神，又符合《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）的規(guī)定。

自來水生產(chǎn)過程中產(chǎn)生2%～4%的排泥水，排泥水的傳統(tǒng)處理方法是絮凝-濃縮-沉淀-離心分離工藝，處理設(shè)施設(shè)備占地面積較大，處理后的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后可以直接排到河道。但從循環(huán)經(jīng)濟(jì)資源化利用角度出發(fā)，人們希望利用膜分離的方法對(duì)排泥水進(jìn)行泥水分離，將分離后干凈的液相進(jìn)行水質(zhì)分析，考察其循環(huán)利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將分離后的固相泥樣進(jìn)行理化分析，考察其資源化利用的基礎(chǔ)理化數(shù)據(jù)。通過綜合分析這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，筆者探索了排泥水資源化利用新方法的可行性技術(shù)基礎(chǔ)路徑，旨在為排泥水資源化利用奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

將沉淀池或反沖池排泥水加入排泥水膜分離系統(tǒng)的膜池中，使排泥水浸沒中空纖維膜，用壓縮空氣在排泥水中曝氣，防止中空纖維膜堵塞。在抽吸水泵的作用下，對(duì)排泥水進(jìn)行過濾濃縮，達(dá)到排泥水的固液分離目的。按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GB/T 5750—2006）方法對(duì)排泥水膜分離系統(tǒng)進(jìn)水和出水的濁度、色度、臭和味、肉眼可見物、耗氧量、氨氮7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比。濃縮排泥水在150℃下烘干5 h，形成泥樣，對(duì)固相成分進(jìn)行差熱分析、熱重分析、掃描電鏡能譜分析，探索排泥水泥樣的理化信息。

1.1 試驗(yàn)儀器

排泥水膜分離系統(tǒng)（定制）；哈希濁度儀，型號(hào)2100N；可見分光光度計(jì)，型號(hào)7230G；pH計(jì)；德國(guó)耐馳熱重分析儀NETZSGH STA 449F3；牛津掃描電子顯微鏡能譜儀；X射線衍射儀；磁力攪拌器；真空抽濾泵。

1.2 中空纖維膜材料技術(shù)參數(shù)

膜材料為PVDF，形狀為中空纖維，內(nèi)徑為250～300 μm；外徑為350～400 μm；微孔尺寸為0.1～0.2 μm，壁厚為40～50 μm，孔隙率為40%～50%；拉伸強(qiáng)度為120 MPa，pH值范圍為0～14，透氣率大于700 cm3/（cm2·s·cm Hg）。

1.3 膜片技術(shù)參數(shù)

膜面積大于2 m2；纖維膜數(shù)量為4 000×0.4 m， 工作壓力為0.02～0.05 MPa；懸浮液的固含量小于0.5 mg/L；微生物的去除率大于99%；適應(yīng)溫度保持在4～45℃；純水透過量為20 L/h（25℃）；膜片連接材料ABS采用密封材料聚氨酯或環(huán)氧樹脂；配件材料UPVC的膜片尺寸為300 mm×450 mm。

1.4 膜分離試驗(yàn)原理

排泥水膜分離系統(tǒng)由中空纖維膜片、膜池、清水池、抽吸水泵、反沖洗水泵、空氣壓縮機(jī)、出水負(fù)壓表、反沖洗壓力表、空氣流量計(jì)、電路控制系統(tǒng)等部件組成。在膜分離系統(tǒng)沖洗水泵的作用下，排泥水中小于0.2 μm水分子和氣體分子透過中空纖維膜，沿著4 000根中空纖維250～300 μm的內(nèi)壁匯集到抽吸管道，流入清水池；排泥水中粒徑大于0.2 μm的固體懸浮顆粒、細(xì)菌、有機(jī)高分子等被截留在膜池，不斷進(jìn)行生化反應(yīng)、降解，從而實(shí)現(xiàn)排泥水的泥水分離。與傳統(tǒng)方法相比，膜分離系統(tǒng)具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、生化效率高等特點(diǎn)。

試驗(yàn)用排泥水膜分離原理如圖1所示，排泥水膜分離試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖1 排泥水膜分離原理

1.5 試驗(yàn)步驟

擰開水泵注水螺絲，給抽吸水泵和反沖洗水泵泵殼注水。將10.0 L排泥水注入膜池，打開壓縮機(jī)開關(guān)，曝氣量大于20∶1，空氣流量調(diào)至6 L/min，對(duì)膜池中排泥水曝氣30 min。打開膜分離系統(tǒng)開關(guān)至手動(dòng)，打開抽吸泵旋鈕，排出系統(tǒng)殘留液體。出水清澈后，關(guān)閉抽吸泵旋鈕和系統(tǒng)開關(guān)。停機(jī)3 min后，將系統(tǒng)開關(guān)旋轉(zhuǎn)至自動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。執(zhí)行出水時(shí)間8 min，停止出水2 min的自動(dòng)運(yùn)行程序。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，取排泥水水樣500 mL，出水水樣500 mL，測(cè)試兩個(gè)水樣的濁度、色度、pH值、耗氧量和氨氮等指標(biāo)。取排泥水水樣500 mL，用0.2 μm濾膜進(jìn)行真空抽濾，獲取排泥水中固相成分，對(duì)固相成分進(jìn)行差熱分析、熱重分析、掃描電鏡能譜分析，探索泥樣的理化信息。

圖2 排泥水膜分離試驗(yàn)設(shè)備

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 膜分離試驗(yàn)運(yùn)行技術(shù)要求

過濾形式為錯(cuò)流過濾；透過方式為外壓式；工作壓力（負(fù)壓）小于0.05 MPa；曝氣量（氣水比）大于20∶1；曝氣形式為微孔曝氣；COD去除率達(dá)到95%；短時(shí)間耐氯極限為100 mg/L；短時(shí)間耐過氧水極限為200 mg/L；中空纖維膜清洗方式為水沖洗或氣水沖洗；化學(xué)清洗采用2%氫氧化鈉溶液。

2.2 液相水質(zhì)檢測(cè)

在沉淀池排泥時(shí)間段，取15 L排泥水在膜分離系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)。按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》（GB/T 5750—2006）方法對(duì)排泥水膜分離系統(tǒng)進(jìn)水和出水的濁度、色度、臭和味、肉眼可見物、耗氧量、氨氮7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)如表1所示。通過對(duì)排泥水膜分離前后初步常規(guī)水質(zhì)分析可以看出，膜分離后，水質(zhì)明顯改善，濁度色度大幅減小，具備將排泥水資源化利用并轉(zhuǎn)化為原水的水質(zhì)指標(biāo)可行性條件[2]。

2.3 固相理化檢測(cè)

2.3.1 X射線衍射分析

X射線管照射銅靶，電壓為40.0 kV，電流為30.0 mA，試樣切片為9.0 mm。連續(xù)掃描范圍為10.0～80.0，掃描速度為8°/min。XRD結(jié)果顯示，排泥水固相成分主要含有伊利石-蒙脫石、鉀長(zhǎng)石和石英等礦物，如圖3所示。

表1 排泥水膜分離前后液相常規(guī)指標(biāo)

圖3 排泥水固相成分X衍射圖譜

2.3.2 熱重分析

取少量真空抽濾的排泥水泥樣，在耐馳熱重分析儀中測(cè)試，保護(hù)氣體為氮?dú)猓魉贋?0 mL/min；沖掃氣體1為氮?dú)猓魉贋?0 mL/min；吹掃氣體2為氧氣，流速為20 mL/min；升溫速度為-253.15℃/min；升溫范圍為30～900℃。開展熱重分析試驗(yàn)，得到排泥水固相成分熱重分析曲線、排泥水固相成分差熱分析曲線，如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，溫度升高至170℃左右，泥樣失重率達(dá)到65%。由圖5可以看出，150℃時(shí)出現(xiàn)吸熱峰，說明泥樣中的水分以結(jié)合水為主，普通離心分離較難完全去除泥樣水分。

2.3.3 掃描電鏡能譜分析

將含水分的排泥水泥樣放在300℃烘箱中干燥1 h，冷卻后，用研缽研成粉體，用導(dǎo)電膠帶制成兩個(gè)試樣，然后利用牛津電子顯微鏡進(jìn)行掃描和能譜分析，得到圖5排泥水固相成分掃描電鏡能譜分析結(jié)果。

由圖6可以看出，排泥水泥樣中主要成分為Al、Si、O等元素，這與XRD的結(jié)果相吻合。對(duì)干燥后的排泥水固相成分進(jìn)行形貌掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣中含有尺度在10 μm以上的晶體硬團(tuán)聚顆粒，也含有一些片狀團(tuán)聚顆粒。

圖4 排泥水固相成分熱重分析曲線

圖5 排泥水固相成分差熱分析曲線

圖6 排泥水固相成分掃描電鏡能譜分析

3 結(jié)論

通過中空纖維膜對(duì)排泥水進(jìn)行泥水分離，試驗(yàn)初步證明，利用膜分離法對(duì)排泥水進(jìn)行資源化利用在技術(shù)上是可行的。要想進(jìn)一步使排泥水處理效果、效率、效益達(dá)到平衡和最優(yōu)化，人們可以嘗試開展其他種類膜片處理系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。膜分離作為排泥水資源化利用的新技術(shù)，可以有效凈化液相水質(zhì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，膜處理排泥水可以使出水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)大幅提高，為排泥水液相資源化回用提供可能。膜分離排泥水后，對(duì)泥樣進(jìn)行差熱分析、X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡能譜分析，結(jié)果表明，排泥水固相成分主要含有伊利石-蒙脫石、鉀長(zhǎng)石和石英等礦物，泥樣中的水分子以結(jié)合水的狀態(tài)存在，較難處理，根據(jù)這些信息，人們可以探索排泥水濃縮成分在涂料開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。從現(xiàn)在的研究來看，中空纖維膜分離系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在之前的研究中排泥水上清液出現(xiàn)重金屬汞元素和細(xì)菌的濃縮現(xiàn)象，膜分離系統(tǒng)可能還需要進(jìn)一步細(xì)化研究。