CMFW－2連續(xù)微濾中水回用裝置中試研究

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簡(jiǎn)介： 采用CMFW－2連續(xù)微濾中水回用裝置對(duì)城市污水廠二級(jí)出水進(jìn)行深度處理中試試驗(yàn)，運(yùn)行結(jié)果表明該裝置在技術(shù)上是可行的，其出水水質(zhì)穩(wěn)定，優(yōu)于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。并對(duì)該裝置對(duì)膜污染的控制和清洗做了簡(jiǎn)要的分析。
關(guān)鍵字：CMFW－2連續(xù)微濾 膜污染 膜清洗 污水回用

Study on a Pilot-Scale of CMFW—2 Continuous Microfiltration Equipment on Wastewater Reuse

Hu Xinli¹，Tao Tao¹，Jin Zhenzhong²，Hu Jian³

(1. School of Environmental Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430074, China; 2. Wuhan Sunon Water Technology CO., LTD, Wuhan Hubei 430074, China;

3. Wuhan Water Group CO., LTD, Wuhan Hubei 430034, China)

Abstract：Advanced treatment of second class urban sewage by CMFW—2 Continuous Microfiltration Equipment on wastewater reuse has been studied on a pilot-scale, the results indicates that the equipment is feasible technically, the effluent water quality of the equipment is steady, and the effluent water quality excels the Water Quality Criteria of Urban Reclaimed Water in the 《Design Criterion for Wastewater Reuse》(the draft of wanting suggestions)(2001 year). And the membrane controlling and cleaning of the equipment is analyzed briefly.

Key words：CMFW—2 continuous microfiltration； membrane pollution； membrane cleaning；wastewater reuse

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市缺水問(wèn)題尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)669個(gè)城市中，400個(gè)城市常年供水不足，其中110個(gè)城市嚴(yán)重缺水，北方尤重于南方^[1]。為此，在2001年初通過(guò)的“國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綱要”中特別強(qiáng)調(diào)了搞好污水處理回用的重要性，因?yàn)閷?shí)施城市污水資源化，可開(kāi)辟新的淡水資源，對(duì)保障城市安全供水具有重要的戰(zhàn)略意義。

膜處理技術(shù)作為高科技領(lǐng)域中一種新興的技術(shù)，在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用正日趨廣泛。膜處理技術(shù)具有無(wú)相變、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、占地少、便于連續(xù)操作、易自控等優(yōu)點(diǎn)，但由于膜材料價(jià)格高、膜污染和膜清洗這些問(wèn)題得不到很好地解決，從而限制了膜處理技術(shù)在水處理領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。

本研究采用CMFW－2連續(xù)微濾裝置對(duì)城市污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)行中水回用中試試驗(yàn)，以期達(dá)到《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該裝置采用國(guó)產(chǎn)膜組件，使膜材料價(jià)格大大降低，并與傳統(tǒng)的混凝、沉淀和粗濾技術(shù)相結(jié)合，以適應(yīng)較大的水質(zhì)變化，延緩膜污染周期，保證裝置的正常運(yùn)行。研究中對(duì)該裝置的處理效率進(jìn)行了考慮，對(duì)膜污染的控制與清洗進(jìn)行了分析。

1.   試驗(yàn)裝置與方法

1． 1工藝流程

本研究為現(xiàn)場(chǎng)中試，試驗(yàn)工藝流程如圖1。

圖1  工藝流程圖

試驗(yàn)用水取自北京北小河污水處理廠二沉池，北小河污水處理廠二沉池出水經(jīng)加藥后進(jìn)入CMFW－2連續(xù)微濾裝置進(jìn)行處理，處理水進(jìn)入清水池，清水池出水供給試驗(yàn)小區(qū)回用。

1． 2試驗(yàn)裝置

CMFW－2連續(xù)微濾裝置是武漢市思藍(lán)凈水技術(shù)有限公司研發(fā)的CMFW系列連續(xù)微濾設(shè)備。CMFW－2連續(xù)微濾裝置是由混凝沉淀罐、粗濾罐、微濾膜組件、壓縮空氣系統(tǒng)、組合式反沖洗系統(tǒng)、CIP化學(xué)清洗系統(tǒng)和PLC自控系統(tǒng)等所組成。二沉池出水投加混凝劑，經(jīng)由管式混合器混合后進(jìn)入混凝沉淀罐，混凝沉淀罐出水通過(guò)粗濾罐過(guò)濾，粗濾罐出水由離心泵壓入微濾膜組件過(guò)濾，從而得到達(dá)標(biāo)出水。由于離心泵的壓力作用在微濾膜的內(nèi)外側(cè)造成壓差，將待處理水中大于過(guò)濾精度的全部物質(zhì)和小于過(guò)濾精度的部分物質(zhì)分離出來(lái)，從而使待處理水得以?xún)艋_(dá)標(biāo)。

微濾膜組件采用武漢市思藍(lán)凈水技術(shù)有限公司研發(fā)的CMFW系列國(guó)產(chǎn)管式膜組件，其具有耐污染、高機(jī)械強(qiáng)度、高抗氧化能力的特點(diǎn)，是一種特別適用于污水回用的膜組件。

1． 3試驗(yàn)方法

CMFW－2連續(xù)微濾試驗(yàn)裝置設(shè)在北京北小河污水處理廠內(nèi)。試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)：運(yùn)行壓力為0.10～0.15MPa，出水流量為120m³/d，反沖洗周期為20min，反沖洗歷時(shí)1min。

試驗(yàn)用水采用二沉池出水，二沉池出水水質(zhì)如表1。

表1  北京北小河污水處理廠二沉池出水水質(zhì)

項(xiàng)  目

濃  度

項(xiàng)  目

濃  度

COD_Cr(mg/L)

63.2～186.0

總磷(mg/L)

3.57～7.42

濁度(NTU)

7.46～41.6

TDS(mg/L)

444～484

總氮(mg/L)

29.5～42.2

氯化物(mg/L)

86.6～102.0

試驗(yàn)出水水質(zhì)指標(biāo)采用《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表2。

表2  試驗(yàn)出水水質(zhì)指標(biāo)

項(xiàng)  目

濃  度

項(xiàng)  目

濃  度

COD_Cr(mg/L)

≤50

總磷(mg/L)

-

濁度(NTU)

≤5

TDS(mg/L)

≤1000

總氮(mg/L)

-

氯化物(mg/L)

≤300

北京市奧運(yùn)中水辦定時(shí)采集水樣并分析其COD_Cr、總氮、總磷、濁度、氯化物、TDS等指標(biāo)，水質(zhì)分析采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法，由此可得如下試驗(yàn)結(jié)果。

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

2． 1COD_Cr的去除

試驗(yàn)裝置對(duì)COD_Cr有較好的去除效果。試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水COD_Cr濃度及其去除率如圖2所示，由圖可見(jiàn)進(jìn)水COD_Cr濃度為63.2mg/L～186.0mg/L，出水COD_Cr濃度為33.1mg/L～43.6mg/L，去除率為31～78%，平均去除率為54%。出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，出水COD_Cr濃度一直穩(wěn)定在45mg/L以下，出水COD_Cr濃度均值為39.7mg/L，小于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)50mg/L的規(guī)定。這表明對(duì)于處理對(duì)象以生活污水為主的污水處理廠來(lái)說(shuō)，二沉池出水中的COD_Cr主要呈懸浮或溶解狀態(tài)，且以懸浮狀態(tài)的顆粒有機(jī)物質(zhì)和溶解性的大分子有機(jī)物質(zhì)為主，而微孔濾膜對(duì)這些有機(jī)物質(zhì)有較好的截留去除作用。懸浮狀態(tài)的有機(jī)物的去除主要依靠膜孔的篩濾作用，而溶解性的有機(jī)物質(zhì)的截留去除則主要是通過(guò)膜表面沉積層的篩濾和吸附作用完成，部分是由膜面和膜孔吸附作用完成。

圖2  試驗(yàn)裝置對(duì)COD_Cr去除效果

2． 2總氮的去除

試驗(yàn)裝置對(duì)總氮去除效果不明顯。試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水總氮濃度及其去除率如圖3所示，由圖可見(jiàn)進(jìn)水總氮濃度為29.5mg/L～42.2mg/L，出水總氮濃度為26.2mg/L～32.7mg/L，出水總氮濃度均值為29.8mg/L，平均去除率為9%。但總氮的去除率波動(dòng)較大，這是因?yàn)檫B續(xù)微濾裝置不存在氨氮的硝化、硝氮的反硝化及化學(xué)去除作用，對(duì)總氮的去除僅以膜表面沉積層的吸附作用為主，而膜表面的沉積層是極不穩(wěn)定的，它隨著過(guò)濾和氣、水反沖的交替進(jìn)行產(chǎn)生和消失，并與進(jìn)水水質(zhì)有著密切的關(guān)系。

圖3  試驗(yàn)裝置對(duì)總氮的去除效果

2． 3總磷的去除

試驗(yàn)裝置對(duì)總磷有一定的去除效果。試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水總磷濃度及其去除率如圖4所示，由圖可見(jiàn)進(jìn)水總磷濃度為3.57mg/L～7.42mg/L，出水總磷濃度為2.90mg/L～5.22mg/L，出水總磷濃度均值為4.16mg/L，去除率為7～46%，平均去除率為25%。污水中磷有三種形態(tài)：有機(jī)磷酸鹽、聚磷酸鹽和正磷酸鹽，由于在北小河污水處理廠常規(guī)好氧生物處理過(guò)程中，大多數(shù)有機(jī)磷和聚合磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，因此二沉池出水中所含有的磷大多數(shù)是溶解性的^[1]。而在二沉池出水里加藥，通過(guò)混凝，化學(xué)藥劑與磷反應(yīng)生成不溶性磷酸鹽，然后通過(guò)沉淀、粗濾和微孔濾膜的截留與吸附作用使磷得以部分去除。

圖4  試驗(yàn)裝置對(duì)總磷的去除效果

2． 4濁度的去除

試驗(yàn)裝置能夠高效地進(jìn)行固液分離，出水濁度較為穩(wěn)定，幾乎不受進(jìn)水水質(zhì)的影響。試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水濁度及其去除率如圖5所示，由圖可見(jiàn)進(jìn)水濁度為7.46～41.6NTU，出水濁度為0.16～0.65NTU，出水濁度均值為0.44 NTU，去除率為92～99%，平均去除率為97%。出水濁度均在1NTU以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)5NTU的規(guī)定。二沉池出水中的濁度主要是由水中的呈懸浮狀態(tài)的顆粒和膠體物質(zhì)所造成的，通過(guò)在二沉池出水中加藥，使水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)絮凝、聚沉，再經(jīng)由粗濾和微孔膜濾，將水中大于膜過(guò)濾精度的全部物質(zhì)和小于過(guò)濾精度的部分物質(zhì)除去，從而得到了好的出水濁度。

圖5試驗(yàn)裝置對(duì)濁度的去除效果

2. 5其它污染物的去除

    試驗(yàn)裝置對(duì)氯化物和TDS沒(méi)有去除效果。由于對(duì)二沉池出水加藥，反而向水中引入了新的溶解物，使水中的氯化物和TDS濃度有所升高。試驗(yàn)裝置進(jìn)水氯化物濃度均值為94.2mg/L，TDS濃度均值為466mg/L；出水氯化物濃度均值為100.4mg/L， TDS濃度均值為467.7mg/L，均遠(yuǎn)低于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)氯化物濃度300mg/L 和TDS濃度1000mg/L的規(guī)定。

   上述結(jié)果表明，CMFW－2連續(xù)微濾裝置的出水水質(zhì)優(yōu)于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)消毒后可用來(lái)沖廁、道路清掃、消防、園林綠化、洗車(chē)和建筑施工等。

3.   膜污染的控制與清洗

膜污染是指在膜過(guò)濾過(guò)程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象^[2]。

本試驗(yàn)裝置自從2003年4月21日開(kāi)機(jī)以來(lái)連續(xù)運(yùn)行了兩個(gè)多月至今，在進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生較大變化的情況下一直正常運(yùn)行，出水水質(zhì)穩(wěn)定，均達(dá)到并優(yōu)于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這進(jìn)一步表明，CMFW-2連續(xù)微濾裝置能夠有效地控制膜污染，并能高效進(jìn)行膜清洗，其主要采取如下措施。

3.1膜污染的控制

    3.1.1抗污染膜材

    CMFW－2連續(xù)微濾裝置管式微孔濾膜采用的復(fù)合膜材料為聚乙烯醇（PVA）,其具有高度的親水性和耐污染性，具有很好的耐多種有機(jī)溶劑的特性，易于成膜，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。

    3.1.2膜孔徑

    膜孔徑較大，初始通量較大,但通量衰減較快，易受到膜污染。因此膜孔徑應(yīng)比要求截留的微粒粒徑要小，這樣才能獲得較好的處理效果，還可減少溶質(zhì)在膜孔上的吸附和堵塞所造成的污染。但孔徑越小，流體阻力則越大，通量也就越小^[3]。綜合考慮兩者關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比膜孔徑取為0.2-0.45µm，在這個(gè)范圍內(nèi)，CMFW－2連續(xù)微濾裝置管式微孔濾膜處理效果最好，運(yùn)行最為穩(wěn)定。

    3.1.3膜結(jié)構(gòu)

    對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)微濾膜，其彎曲孔的表面開(kāi)口有時(shí)比內(nèi)部孔徑還要大，這樣進(jìn)入膜表面孔的粒子往往會(huì)被截留在膜中，導(dǎo)致膜堵塞，通量衰減快；而不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)微濾膜，粒子大都被截留在膜表面，不易造成膜堵塞，易被橫切流帶走，即使在膜表面孔上產(chǎn)生聚集、堵塞，用反洗也很容易沖走^[2]。CMFW－2連續(xù)微濾裝置管式微孔濾膜采用的是不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

3.1.4抗污染膜組件

    CMFW－2連續(xù)微濾裝置采用的是管式膜組件。管式膜組件對(duì)水中懸浮物有一定的承受能力,能有效地控制濃差極化,大范圍地調(diào)節(jié)待處理水的流速,膜生成污垢容易清洗且無(wú)需拆開(kāi)設(shè)備^[4]。

    3.1.5錯(cuò)流過(guò)濾

    傳統(tǒng)的微濾為盲端過(guò)濾形式，盲端過(guò)濾的阻塞機(jī)率較高，且阻塞后必須停機(jī)反沖再生，不宜于連續(xù)運(yùn)作，而錯(cuò)流過(guò)濾可以實(shí)現(xiàn)微濾裝置的連續(xù)運(yùn)作以適應(yīng)處理大流量的規(guī)模要求。錯(cuò)流過(guò)濾，水流動(dòng)平行于過(guò)濾表面，在過(guò)濾表面可形成較大的剪切力，造成膜污染阻塞物質(zhì)始終處于懸浮狀態(tài)，消除濃差極化帶來(lái)的影響，減少微粒和溶質(zhì)在膜面的沉積，減輕膜污染^[5]。

    3.1.6膜前預(yù)處理

    CMFW－2連續(xù)微濾裝置采用常規(guī)的混凝、沉淀和粗濾做微孔膜濾的預(yù)處理，通過(guò)加藥對(duì)二沉池出水進(jìn)行絮凝、沉淀和過(guò)濾，以去除水中一些較大的懸浮粒子、膠體和部分溶解性物質(zhì)，從而減輕微濾膜過(guò)程的負(fù)荷和污染。通過(guò)對(duì)二沉池出水加消毒劑殺菌以免微生物、細(xì)菌和有機(jī)物對(duì)微濾膜造成污染和侵蝕。

   3.2 膜清洗

    CMFW－2連續(xù)微濾裝置采取了控制膜污染的各種有效措施，但在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，膜的透水通量隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而下降，即膜污染問(wèn)題必然發(fā)生，因此必須采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔內(nèi)污染物去除，達(dá)到透水量恢復(fù)，延長(zhǎng)膜壽命的目的。

    3.2.1氣、水反沖

    微濾裝置氣、水反沖的周期是20min。首先通過(guò)壓縮空氣對(duì)微濾膜進(jìn)行氣反沖，氣反沖持續(xù)時(shí)間5s，壓力大，瞬間將膜污染層沖開(kāi)，使膜表面及膜孔內(nèi)的所截留和吸附的污染物脫離濾膜，然后通過(guò)高壓水對(duì)微濾膜進(jìn)行快速水反沖1min，沖去變松的污染層，從而使膜通量得以恢復(fù)。

    3.2.2CIP化學(xué)清洗

    由于物理作用、化學(xué)吸附等多種原因，實(shí)際上每次反沖洗后，微濾膜的過(guò)濾能力總不能完全恢復(fù)到初始水平，而是隨著每一個(gè)（過(guò)濾一反洗）周期的重復(fù)膜的過(guò)濾阻力逐漸增大，為了補(bǔ)償阻力增大而造成的流量下降，自控系統(tǒng)自動(dòng)增大壓力。這樣，正常運(yùn)行經(jīng)過(guò)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后運(yùn)行壓力達(dá)到上限，當(dāng)膜通量不能保持時(shí)，就需要化學(xué)清洗。清洗劑有酸液和堿液兩種，化學(xué)清洗流程為先酸洗，再水洗，再堿洗，再水洗，持續(xù)時(shí)間為2—4小時(shí)?；瘜W(xué)清洗使膜污染物松動(dòng)、乳化和分散，水洗使膜污染物得以去除?；瘜W(xué)清洗后，膜通量可恢復(fù)到初始水平。

4.   結(jié)論

(1) CMFW－2連續(xù)微濾裝置對(duì)城市污水廠二級(jí)出水進(jìn)行中水回用處理的效果非常明顯，對(duì)懸浮固體、膠體等污染物具有顯著的過(guò)濾去除作用。二沉池出水經(jīng)連續(xù)微濾設(shè)備處理后出水COD_Cr均值為39.7mg/L，濁度均值為0.44 NTU，均明顯優(yōu)于《污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。

(2) 連續(xù)微濾設(shè)備對(duì)二沉池出水中的COD_Cr、濁度有較高地去除率，平均去除率分別為54%和97%；對(duì)總磷有一定的去除作用，平均去除率為25%；對(duì)總氮去除不明顯；對(duì)氯化物和TDS沒(méi)有去除作用。

(3) CMFW-2連續(xù)微濾裝置把傳統(tǒng)的混凝、沉淀和粗濾技術(shù)與先進(jìn)的微孔膜濾技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，具有處理效率高、耐沖擊負(fù)荷、占地少、工藝先進(jìn)、自動(dòng)控制和運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)。

(4) 由于CMFW-2連續(xù)微濾裝置采取了富有成效的膜污染控制措施和膜清洗方法，從而有效地減輕了濃差極化、延緩了膜污染周期，提高了膜通量。

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