基于超濾—反滲透工藝的城市污水回用技術研究

曾 禎

（科學城（廣州）環保產業投資集團有限公司，廣東 廣州 510000）

引言

現代工業的大量用水對可持續利用現有水資源的需求日益增長，促使世界各地的地區和國家政府尋求替代水源。廢水回用是實現水可持續性的一條很有前景的途徑，它可以應用于各種用途，以分擔淡水資源的負擔[1]。在淡水資源中，使用再生水是處理缺水問題的一種極好的方法，城市污水的回用一直是國際關注的焦點，在世界范圍內，已經進行了幾個案例研究，以調查城市污水高級回收用于工業再利用的實施情況[2]。因此，城市污水代表了一種有前途的替代水資源，可支持循環經濟。膜分離技術由于具有操作過程簡單、無相變、分離能耗低、分離效果好、無二次污染等優點，在水處理領域得到了廣泛的應用。超濾膜對去除水中的顆粒、膠體、細菌和各種有機物都有很好的效果[3]。反滲透膜可以攔截水中各種無機離子、膠體物質和大分子溶質，通常用于海水和微咸水的淡化、水軟化處理、廢水處理以及食品、制藥、化工等行業的凈化、濃縮、分離等[4-5]。

本研究的目的是將一個可持續的試點工廠納入傳統的水資源循環系統。首先利用超濾膜（UF）系統去除水中溶解的有機物和無機污染物，然后確定了用反滲透膜法處理城市污水的最佳操作條件。由此產生的水不僅符合工業要求，而且也符合當地水再利用的標準。該系統提高了超濾-反滲透工藝作為安全回用水三級處理的可行性、可靠性和經濟性。

1 材料與方法

1.1 水資源回收設施和再生水源

中試廠使用的水源為某水資源回收系統的二次出水，該污水處理廠占地約10.31公頃，最大處理能力為每天16 000立方米的廢水。該設施在傳統活性污泥系統的基礎上進行二次處理，包括粗網、泵站、細篩、砂石和油脂去除、一次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、截流站以及大約79.9千米的干渠和側污水管道。廢水來源33%為截流，67%為生活，處理后的廢水排入港口。

本文設計并建造了一個城市污水工業回收試驗工廠。通過監測系統記錄污水污染參數和再生水的質量，以了解其在實踐中的效率。監測系統安裝在水資源回收系統內二次沉淀池出口，直接與二次沉淀池出水口相連。

1.2 分析方法

通過進水和出水參數對中試裝置的性能進行了評價。從2020年10月24日至2021年10月23日的12個月內，每天和每周收集水資源回收二級沉淀池處理過的廢水樣本。樣品采集自中試裝置二次沉淀池出水口、UF濾液出口和RO濾液出口。所有樣品均在無污染聚乙烯或琥珀色玻璃瓶中收集。樣品在4°C的恒定溫度下保持直到測試，以確保它們不會變質或被污染或受損。

為了了解出水的特性，分析了以下指標：pH、溫度、電解質電導率（EC）、總溶解固體（TDS）、懸浮固體（SS）、濁度、生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、氨氮（NH3-N）、鈣（Ca2+）、氯化物（Cl-）、鎂（Mg2+）、二氧化硅（SiO2）、硫酸鹽（SO42-）和大腸菌群。

測試程序按照標準方法進行。通過水質探測儀對pH、溫度和EC進行現場測量；采用稱量法測定TDS；采用濾紙加權法測量SS；采用濁度分析儀測定濁度；稀釋接種法測定BOD5；重鉻酸鉀法測定COD；通過TOC分析儀測量TOC和NH3-N；ICP/MS測定Ca2+和Mg2+；采用滴定法測定Cl-和SO42-；平板計數確定糞大腸菌群。

1.3 中試裝置試驗系統

纖維過濾裝置（FF）長期以來一直用于商業應用，用于從水流中去除懸浮顆粒。對FF的固相去除率和在線因子的系統研究證實，聚合反滲透膜可以耐受廢水中的有機物，并且可以達到>96%的鹽去除率。超濾+反滲透技術由于其對EC、病毒和濁度的高去除率而成為一種可行的污水回收技術。

中試裝置是完全自動化的，試驗采用在線流量計對進料、滲透和濃縮水流進行了測量。操作數據（即壓力和流量）是從控制面板系統獲取的，并記錄下來以監控性能。雙膜系統的優化是基于最大限度地提高再生水的質量和產量，同時降低能耗。試驗設置了四種運行模式進行性能評價，以確定不同層次的超濾預處理效益。四種工作模式的參數如表1所示。該系統在每種模式下運行了90天，中試工廠總共運行了12個月。

表1 四種不同工作模式參數

在膜設計的基礎上，調整UF、RO通量和透水性參數，以確定不同應用的操作條件在污染方面是否可持續。每道工序結束后，進行強化反沖洗（BW）、化學強化反沖洗（CEB）和原位清洗（CIP），將滲透率恢復到基線水平。中試工廠的最大生產能力為50立方米/天。系統主要包括2個步驟：

1.3.1 UF裝置

UF裝置由單個聚合物中空纖維膜模塊組成，總膜面積為64 m2，采用終端模式運行。進料通過超濾膜進行由內到外的過濾，超濾膜產水的通量在40～45 LMH之間。對照BW每天進行幾次。在過濾過程中，水力清洗包括BW（15 m3/h，持續30秒）和給水側原水循環（4 m3/h，持續30秒）的組合。采用了30分鐘的固定過濾時間，其中包括收集采出的滲透水，回收用于產水和BW水。在堿性條件下（100 mg/L NaOCl）定期施用CEB以恢復滲透率，CIP的操作壓差（ΔP）超過1.5 kg/cm2。清洗是自動進行的，以確保最大限度地消除污垢和結垢。

1.3.2 RO裝置

在UF之后，離子如Na+和Cl-，以及其它化合物必須由反滲透裝置去除。滲透生產的通量為16～18 LMH，回收率為65～75%。高壓泵的調節采用速度驅動器，其中流量是固定的。設置CIP在酸性（0.01 N的HCl）和堿性（0.01 N的NaOH）條件下，當ΔP超過3.0 kg/cm2時自動運行，以恢復反滲透膜的滲透性，避免反滲透膜的污染和結垢。

2 結果與分析

2.1 超濾效率

超濾裝置運行前必須先進行預處理（FF），以確保無機和有機顆粒物質的去除達到水質污染指數給水目標。在運行期間，超濾裝置的平均濁度為0.015 NTU，平均去除率為99.2%，如圖1所示。該系統（UF+RO）的技術可行性在通過12個月的運行和優化得到了驗證。在四種運行模式下（FF出口平均濁度分別為3.74 NTU、4.24 NTU、3.54 NTU和3.80 NTU），出水濁度均較低（最大值在8.93～11.1 NTU之間），過濾處理效率穩定。對于商業應用，裝置的物理耐久性是一個重要的問題。在操作模式2的后期，FF去除率呈下降趨勢，這是由于部分纖維球污染造成的。經過對FF裝置的維護，恢復了初始處理效率。這表明FF在除濁方面是有效的。在本研究中，模式4的處理效率較低，這是由于出水濁度較低，接近穩定后纖維過濾處理的極限（5～10 NTU）。以濁度為指標對超濾工藝的技術性能進行了評價，去除效率如圖1所示。四種運行模式下，超濾膜的平均濁度值分別為0.008、0.037、0.016和<0.001 NTU，平均去除率分別為99.6%、98.2%、99.0%和100.0%。一般來說，系統結垢與清洗頻率有關。在操作模式2的超濾后期，FF的濁度去除率下降，這意味著顆粒和溶質可能沉積在超濾膜上，造成表面污染（結垢），導致超濾膜的去除率下降。超濾裝置的性能表明，如果每日CEB和CIP應用良好，超濾裝置可以成功地在污水循環利用的處理方案中運行。

圖1 FF出口和UF過濾的濁度濃度（NTU）和去除率（%）

2.2 反滲透系統的水質性能

樣本的實驗室分析結果與再生水使用質量標準列于表2。運行期內，與滲透物相關的有機物含量、pH值、濁度、NH3-N、TOC、大腸菌群均滿足中水要求，均在工業回用工藝限值內。因此，FF+UF制得的濾液水適合作為反滲透給水。

表2 處理后的水質和再生水的質量標準

3 結論

本研究提出了雙膜工藝（UF+RO）在工業部門城市污水回用的試點研究。本研究的結果為：（1）預處理裝置由FF和UF組成。FF濾液濁度低于6.82 NTU，UF滲透濾液濁度低于0.38 NTU。平均濁度去除率分別為42.7%和99.2%。因此，所提出的預處理工藝適用于RO。（2）當UF提供穩定的過濾性能時，反滲透裝置表現出穩定的性能和生產能力。反滲透膜對EC的去除率為97.9%，符合工業再利用和政府法規的要求。（3）通過BW、CEB和CIP的應用，可以控制和減少超濾膜和反滲透膜的污染。

結果表明，雙膜過濾（UF+RO）是一種有效的可持續性用水方法，可以將城市污水回收用于工業目的。