【莱温坦伯】市政污水回用系统中UF膜对RO膜污染抑制作用

01前言

淡水资源的短缺和废水排放量的增加已严重影响到经济的持续发展和人民生活水平的提高，开发新的水资源成为当务之急。我国城市污水排放量巨大，作为城市的“第二水源”要比远距离引水更加经济[1]。建设部、科学技术部发布的《城市污水再生利用技术政策》要求 2015年北方地区缺水城市再生水直接利用率达到城市污水排放量的 20%-25%，南方沿海缺水城市达到10%-15%，其他地区城市也应开展此项工作，并逐年提高利用率。

近年来，膜技术在污水处理与回用领域的应用越来越广泛[2]，工业废水、城市污水等通过生化处理后再经膜法深度处理后可回用为工业净水，提高了水资源的利用率。其中尤以 UF作为RO前处理工序的膜集成系统在众多工程项目中得到推广。UF的截留分子量一般为300至50万[3]，具有出水水质稳定，水质良好的特点[4]。然而相比于其他传统的 RO前处理深度处理工序，UF的投资和运行成本相对较高，且目前对于其保证RO长期稳定运行的效果及控制RO生物污染和有机污染等方面的优势点也并不明确。

本研究的主要目的是对比传统的多介质过滤器处理工序，科学地阐明采用 UF在保证整体污水回用系统的稳定性及有效控制RO膜污染方面的优势。

02试验方法

2.1原水水质

本试验的处理对象为苏州某城市污水处理厂二级出水。原水水质如表 1所示，该二级出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。

表1 污水处理厂二级出水水质

2.2 工艺说明

本研究采用的两套平行工艺如图 1和图2所示，分别为混凝沉淀+多介质过滤器+RO和在线混凝+UF+RO工艺。其中多介质过滤器采用两级过滤模式，一级多介质过滤器的填充滤料为无烟煤和石英砂的混合滤料，二级多介质过滤器填充滤料为石英砂。

UF采用东丽公司最新的超滤膜组件HFU-2008N，单支膜的膜面积为11.5m2，东丽“HFU系列”中空纤维超滤膜是东丽集团在长年积累的高分子化学技术·制膜技术的基础上研制开发的，膜材料选用具有很强的物理耐久性和抗化学腐蚀性的聚偏氟乙烯（PVDF），独特的拉丝方法(NEW-TIPS)实现了膜的高强度和高透水性，同时具有卓越的抗污染性能。膜的截留分子量为150,000道尔顿，过滤方式为外压式，适用于高浊度原水的处理。

RO采用东丽公司的高耐久抗污染RO膜元件TML-10D，单支膜的膜面积为7m2，其膜材质为架桥芳香族聚酰胺复合反渗透膜片，具有高脱盐率和高抗污染性能，东丽公司的反渗透膜元件通过增加膜袋的片数，缩短进水流道的长度，增加进水隔网的宽度，不仅拥有更高的水通量，而且与其他品牌的膜产品相比，可以减少有机物及微生物在膜表面的吸附，具有更强的耐污染能力。适用于微污染地表水、市政污水、工业废水为水源的水处理系统。

图1 混凝沉淀+多介质过滤+RO工艺流程图

图2 在线混凝+UF+RO工艺流程图

2.3 运行工况

两套平行工艺投加的混凝剂都为FeCl3，投加浓度 3mg/L(以Fe计)。多介质过滤器的过滤速度为8m/h，UF膜的运行通量为1.4-1.5m/d（58-62 L/m2·h），RO膜的运行通量为18-19L/m2·h，回收率为11%，RO进水中投加了阻垢剂、杀菌剂和亚硫酸氢钠。

2.4 水质分析方法

本研究中TOC的测试采用日本岛津公司的总有机碳分析仪(型号TOC-VCPH)，SDI测试的给水压力为2.1Kg/cm2，样品过滤时间为 15min。TN、TP、NH3-N的测试采用国标方法，分析测试方法见文献[5]。蛋白质测试采用 Folin-酚法，多糖测试采用苯酚-硫酸法，ATP(三磷酸腺苷)测试采用日本Kikkoman公司的Lucifell HS Set测试药剂。

03结果与讨论

3.1 UF产水和多介质过滤器产水水质对比

3.1.1 有机物的处理效果

城市污水中的有机物种类繁多，成份也比较复杂。TOC是水中有机物的总量的表征。Kangmin chon[6]等人的研究表明进水中的蛋白质和多糖非常容易引起 RO膜的污染。多介质过滤器和UF对有机物的处理效果如图3所示。可以看出，UF出水的TOC、蛋白质和多糖平均浓度分别为6.76mg/L、9.65mg/L和2.23mg/L，而多介质过滤器出水浓度分别为6.90mg/L、10.38mg/L和2.54mg/L，对于有机物指标，UF和多介质过滤器的去除率差别不大。

图3 多介质过滤器和UF对有机物的处理效果对比

3.1.2 氮磷的处理效果

水中的氮磷等营养物质是微生物增殖必需的元素物质，与 RO膜的生物污染有一定的关系。多介质过滤器和UF两者出水的NH3-N的平均值分别为0.08mg/L和0.09mg/L，出水的TP的平均值分别为0.07mg/L和0.06mg/L。UF出水和多介质过滤器出水中氮磷的浓度没有明显的差异。

图4 多介质过滤器和UF对氮磷的处理效果对比

3.1.3 SDI的对比

RO预处理中采用污泥密度指数(SDI)来判断进水中胶体和颗粒物质的污染程度，这个方法比浊度测定更能反映水质情况，是反渗透预处理系统中必须检测的重要指标。东丽RO膜的设计要求是进水的SDI≤5。多介质过滤器和UF出水的SDI的对比如图5所示。可以看出，UF出水和多介质过滤器出水的SDI平均值分别为1.15和4.01，UF出水SDI要明显好于多介质过滤器出水，说明UF对水中的胶体和颗粒物质的截留能力要好于多介质过滤器。

图5 多介质过滤器和UF出水SDI的对比

3.1.4 微生物的处理效果

三磷酸腺苷（ adenosine triphosphate，简称ATP）是高能磷酸化合物，存在于所有的有机体中，极易被储存和利用，是活细胞新陈代谢能量的源泉。ATP生物发光是一种快速的微生物检测方法，具有灵敏、快速、简便、稳定等优点[7]。水中 ATP浓度的高低代表了水中微生物的量的多少。

多介质过滤器和 UF出水的ATP浓度如图6所示。多介质过滤器和UF出水的ATP浓度分别为131pg/ml和19pg/ml。UF对微生物的截留效果要显著好于多介质过滤器，UF在控制RO膜生物污染方面具有明显的优势。

图6 多介质过滤器和UF对微生物的处理效果对比

3.2 RO运行结果对比

3.2.1 RO连续运行标准化压差

一般认为 RO压差的增长主要由RO膜生物污染引起，微生物繁殖生长迅速，很快便可在RO膜表面形成生物膜层，导致RO系统进出水间压差迅速加大。如图7所示，UF-RO连续运行78天，标准化压差由9.8KPa上升至26.4KPa，多介质过滤器-RO压差增长剧烈，运行40天左右即由9.8KPa增长至80KPa以上，化学清洗后，运行第二阶段，多介质过滤器-RO压差增长仍然比较迅速。说明UF相对于多介质过滤器对于控制RO膜生物污染具有明显的优势。

图7 RO连续运行标准化压差对比

3.2.2 RO连续运行标准化产水量

图8显示了UF-RO和多介质过滤器-RO连续运行标准化产水量的对比，标准化产水量可以反映RO膜的整体的污染程度，UF-RO连续运行78天后标准化产水量由0.13m3/h下降至0.10m3/h，衰减率约10%/月，多介质过滤器-RO的标准化产水量的衰减率约20%/月，说明UF-RO的运行性能比多介质过滤器-RO更加稳定。

图8 RO连续运行标准化产水量对比

3.2.3 RO运行性能小结

UF-RO和多介质过滤器-RO都发生了轻度的无机结垢，标准化脱盐率由99.2%下降至99.0%。多介质过滤器+RO发生了严重的生物污染，标准化产水量的衰减率为20%/月，而UF+RO标准化产水量的衰减率为10%/月。UF作为RO膜预处理在抑制RO生物污染方面的优势在中试得到验证，UF-RO的运行性能比多介质过滤器-RO更加稳定。

04结论

多介质过滤器+RO和UF+RO回用城市污水处理厂二级出水的中试运行水质对比结果显示：主要营养物指标(NH3-N、TP)，及影响RO有机污染程度的重要有机物指标(TOC、蛋白质、多糖类)的去除效果上，UF与多介质过滤器相当，无明显差异；但在与RO生物污染密切相关的一些指标(ATP)，UF体现出显著的优势；同时，UF出水的SDI值也显著较低。因此，由水质结果的对比可以认为UF相比多介质过滤器，能更有效抑制RO生物污染趋势的发展。

另一方面，根据两套中试的平行运行结果，对于主要反映 RO生物污染状况的膜压差增长趋势，相比以UF作为前处理的RO膜系统，以多介质过滤器作为前处理的RO膜系统的压差增长更为剧烈，RO产水能力的衰减速率也更高，即验证了UF相对于多介质过滤器在控制RO生物污染方面具备显著的优势。所以，相比于传统的多介质过滤器处理方式，UF作为RO膜预处理可以降低RO膜的清洗频率，保证RO膜的稳定运行。