“UF+RO”雙膜法在城市污水再生處理中的應用

王瑩 天津海派特環保科技有限公司 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3500萬立方千米左右。人類的生活生產都離不開水，水資源的短缺已經成為制約經濟發展的重要因素。而污水再生利用不僅能有效緩解水資源緊張的問題，還能減少污水排放，從而降低水體污染的可能，具有經濟和環境的雙重效益。截至2020年，全國城市污水處理廠2618座，處理能力為19267萬立方米/日，污水年排放量5713633萬立方米；全國城市市政再生水生產能力為6095.16萬立方米/日，市政再生水利用量為1353832.24萬立方米[1]，污水再生利用率僅為23.69%。由此可見，城鎮污水再生利用還有很大的發展空間。

膜技術在1980年代初期開始在中國使用（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,其中雙膜法應用最為廣泛。雙膜法是將超濾和反滲透兩種不同的膜技術組合在一起的工藝，用超濾作為反滲透的預處理，能夠有效地保護反滲透膜，延長使用壽命。雙膜法具有結構緊湊、占地面積小、藥劑消耗量低、處理效果好、自動化程度高、運行操作簡單的特點。

1 膜分離技術原理

膜分離技術是利用天然或人工制備的具有選擇透過性的膜，以外界能量或化學單位差為推動力對溶液的溶質和溶劑進行分離、提純和濃縮的方法。在膜分離過程中，由于膜具有選擇透過性，當膜兩側存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差等），原料側組分選擇性地透過膜以達到分離提純的目的。膜分離技術按照推動力或傳送機制分類可以分為以下幾種：以濃度差為推動力的透析技術；以電位差為推動力的電滲析和EDI；以靜壓力差為推動力的微濾、超濾、納濾、反滲透；以蒸汽壓差為推動力的膜蒸餾、滲透蒸餾。在水處理行業中應用最多的是以壓力驅動和電位差驅動的膜分離技術，本文主要介紹壓力驅動膜分離技術。

微濾和超濾都是利用膜的篩分性質，以壓差為推動力，主要用于截留污水中的懸浮物、膠體和部分大分子有機物。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施加大于滲透壓的壓力，利用膜的選擇透過性，使水分子透過膜，而水中的無機鹽、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法透過，從而實現水的凈化。納濾是介于超濾和反滲透之間的一種膜分離技術，它所分離的粒徑在幾納米之間，用于將相對分子質量較小的物質如無機鹽和葡萄糖、蔗糖等小分子有機物從溶劑中分離出來，主要應用于生物制藥、食品化工等產業[3]。

2 城市污水再生處理一般工藝流程

2.1 預處理

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

為去除有機物，預處理工藝可采用生化法（如曝氣生物濾池）和高級氧化法（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準較低，尾水中有機物含量較高且原水無工業廢水的情況；而臭氧氧化或臭氧催化氧化等高級氧化法適用于污水處理廠尾水中有機物含量較低或者污水處理廠接收部分工業廢水的情況，因為此時尾水中的有機物以難降解有機物為主。

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

若污水處理廠尾水硬度較高，為防止反滲透膜結垢，應在過濾工藝前進行軟化處理。軟化工藝一般采用高效沉淀池，根據水質采用石灰軟化或者石灰-純堿軟化。軟化加藥的同時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，有利于降低后續過濾單元的運行負荷。

2.2 后處理

雖然“UF+RO”雙膜法能夠去除細菌和病毒，但是根據《城市污水再生利用工程設計規范》（GB50335-2016）的規定，再生水應進行消毒處理。因此城市污水再生處理經雙膜法后還應設計消毒處理單元。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 實際工程案例

3.1 天津某再生水回用項目

天津市某再生水回用項目設計規模為18000m3/d，原水為污水處理廠二級出水。污水處理廠采用“預處理+CASS+混凝沉淀+砂濾+消毒”工藝，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級A標準。處理后再生水代替地表水用于工業生產用水。設計進出水水質如下：

表1 天津某再生水回用項目設計進出水水質

由于前面市政污水處理廠已有混凝沉淀和砂濾處理單元，出水水質較好，無需進行預處理，可直接進入超濾處理單元。經雙膜法處理后的產水水質遠遠優于設計出水指標。為節約成本，僅部分原水經過反滲透處理，產水與未經反滲透處理的部分混合作為最終產水，工藝流程如下：

圖2 天津某再生水回用項目工藝流程

該項目建成后，經過調試和試運行，現階段處理效果穩定。超濾產水濁度為0.04～0.09NTU，CODCr為19～35mg/L。反滲透系統產水電導率為10～25μS/cm。混合后再生水各項指標均能穩定達到設計標準，滿足用戶用水需求。再生水回用項目運行費用約為0.98元/噸水，相較于地表水源水，企業用水成本大大降低，具有明顯的經濟效益。

3.2 淄博市某再生水處理項目

淄博市某污水處理廠設計規模為80000m3/d，采用“預處理+氧化溝+高密度沉淀池+消毒”工藝，出水優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中一級A標準。再生水處理項目原水為該污水處理廠產水，設計產水20000m3/d，系統回收率為65%，生產的再生水用于紡織印染企業生產。設計進出水水質如下：

表2 淄博某再生水處理項目設計進出水水質

該再生水處理項目工藝流程如下：

圖3 淄博某再生水處理項目工藝流程

該再生水處理項目出水電導率＜500μS/cm，總硬度＜20mg/L，出水水質能夠滿足企業的用水要求。但是，筆者認為該項目進水硬度較高，且含有鐵、錳離子，應在進膜前采用有效的軟化處理，以防膜污堵問題，延長雙膜的使用壽命。據筆者了解，該項目在運行過程中有污堵結垢現象，化學清洗頻率較高，增加軟化處理單元能夠有效地解決結垢問題。

4 雙膜法運行中的膜污染及應對措施

膜污染，是指在膜過濾過程中水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化的現象[4]。根據水力清洗對膜污染去除的情況，膜污染分為可逆膜污染和不可逆膜污染。一般認為，可以通過正常運行周期設定的物理清洗去除的膜污染是可逆膜污染。反之，不能通過正常運行周期所設定的物理清洗去除，在整個過濾過程中不斷累積，必須通過化學清洗才能去除的膜污染稱為不可逆膜污染。膜污染一旦發生，膜通量不可能完全恢復到初始狀態，殘留污染物長期累積最終將決定膜的使用壽命。因此，在膜法運行過程中應盡量減少膜污染的出現。

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，如膜的孔徑、材質、表面電荷、粗糙度、親疏水性及膜的結構等；被處理水的水質，如有機物的濃度和種類，硬度、硫酸根離子含量等；運行操作條件，如溫度，過濾方式，膜面流速等。

4.2 污染物的類別及處理方法

根據污染物的類別，膜污染還可以分為無機污染、有機污染和生物污染。

1）無機污染

在壓力驅動的膜分離系統中，由于膜的截留作用，污染物會在膜表面聚集濃縮，產生濃差極化現象。對于無機鹽離子，當離子濃度達到溶度積后就會形成沉淀析出，沉積在膜表面和膜孔內。無機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。

針對無機鹽結垢的處理方法是：（1）進膜前進行軟化處理，使原水中鈣、鎂離子濃度處于不易結垢的低濃度；（2）進水加酸，調整進水pH,降低堿度，較少碳酸鹽結垢可能；（3）投加適量的阻垢劑；（4）采用鹽酸或者檸檬酸清洗。

2）有機污染

有機污染物主要為細菌胞外聚合物（EPS），蛋白質、多肽、脂肪類和多糖等大分子物質，其中含有活性基團的大分子有機物可能與金屬離子，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濾阻力上升。

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

3）生物污染

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

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

綜上所述，在設計過程中，選擇合適的預處理工藝對雙膜法的運行至關重要，其次為保證系統的正常運行，應選擇合適的清洗劑和清洗方式對膜進行定期清洗。

5 結束語

水資源短缺已經成為一個全球性的問題，而我國又是一個貧水國家，對于如何提高水資源的利用率，我國學者進行了數十年的研究。采用“UF+RO”雙膜法對市政污水處理廠尾水進行再生處理效果良好，能夠實現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發。同時，再生水回用于工業生產，還能夠降低企業的用水成本，具有環境、社會和經濟的多重效益，有利于社會經濟的可持續發展。