曾 祯

（科学城（广州）环保产业投资集团有限公司，广东 广州 510000）

引言

现代工业的大量用水对可持续利用现有水资源的需求日益增长，促使世界各地的地区和国家政府寻求替代水源。废水回用是实现水可持续性的一条很有前景的途径，它可以应用于各种用途，以分担淡水资源的负担[1]。在淡水资源中，使用再生水是处理缺水问题的一种极好的方法，城市污水的回用一直是国际关注的焦点，在世界范围内，已经进行了几个案例研究，以调查城市污水高级回收用于工业再利用的实施情况[2]。因此，城市污水代表了一种有前途的替代水资源，可支持循环经济。膜分离技术由于具有操作过程简单、无相变、分离能耗低、分离效果好、无二次污染等优点，在水处理领域得到了广泛的应用。超滤膜对去除水中的颗粒、胶体、细菌和各种有机物都有很好的效果[3]。反渗透膜可以拦截水中各种无机离子、胶体物质和大分子溶质，通常用于海水和微咸水的淡化、水软化处理、废水处理以及食品、制药、化工等行业的净化、浓缩、分离等[4-5]。

本研究的目的是将一个可持续的试点工厂纳入传统的水资源循环系统。首先利用超滤膜（UF）系统去除水中溶解的有机物和无机污染物，然后确定了用反渗透膜法处理城市污水的最佳操作条件。由此产生的水不仅符合工业要求，而且也符合当地水再利用的标准。该系统提高了超滤-反渗透工艺作为安全回用水三级处理的可行性、可靠性和经济性。

1 材料与方法

1.1 水资源回收设施和再生水源

中试厂使用的水源为某水资源回收系统的二次出水，该污水处理厂占地约10.31公顷，最大处理能力为每天16 000立方米的废水。该设施在传统活性污泥系统的基础上进行二次处理，包括粗网、泵站、细筛、砂石和油脂去除、一次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、截流站以及大约79.9千米的干渠和侧污水管道。废水来源33%为截流，67%为生活，处理后的废水排入港口。

本文设计并建造了一个城市污水工业回收试验工厂。通过监测系统记录污水污染参数和再生水的质量，以了解其在实践中的效率。监测系统安装在水资源回收系统内二次沉淀池出口，直接与二次沉淀池出水口相连。

1.2 分析方法

通过进水和出水参数对中试装置的性能进行了评价。从2020年10月24日至2021年10月23日的12个月内，每天和每周收集水资源回收二级沉淀池处理过的废水样本。样品采集自中试装置二次沉淀池出水口、UF滤液出口和RO滤液出口。所有样品均在无污染聚乙烯或琥珀色玻璃瓶中收集。样品在4°C的恒定温度下保持直到测试，以确保它们不会变质或被污染或受损。

为了了解出水的特性，分析了以下指标：pH、温度、电解质电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、悬浮固体（SS）、浊度、生化需氧量（BOD5）、化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、氨氮（NH3-N）、钙（Ca2+）、氯化物（Cl-）、镁（Mg2+）、二氧化硅（SiO2）、硫酸盐（SO42-）和大肠菌群。

测试程序按照标准方法进行。通过水质探测仪对pH、温度和EC进行现场测量；采用称量法测定TDS；采用滤纸加权法测量SS；采用浊度分析仪测定浊度；稀释接种法测定BOD5；重铬酸钾法测定COD；通过TOC分析仪测量TOC和NH3-N；ICP/MS测定Ca2+和Mg2+；采用滴定法测定Cl-和SO42-；平板计数确定粪大肠菌群。

1.3 中试装置试验系统

纤维过滤装置（FF）长期以来一直用于商业应用，用于从水流中去除悬浮颗粒。对FF的固相去除率和在线因子的系统研究证实，聚合反渗透膜可以耐受废水中的有机物，并且可以达到>96%的盐去除率。超滤+反渗透技术由于其对EC、病毒和浊度的高去除率而成为一种可行的污水回收技术。

中试装置是完全自动化的，试验采用在线流量计对进料、渗透和浓缩水流进行了测量。操作数据（即压力和流量）是从控制面板系统获取的，并记录下来以监控性能。双膜系统的优化是基于最大限度地提高再生水的质量和产量，同时降低能耗。试验设置了四种运行模式进行性能评价，以确定不同层次的超滤预处理效益。四种工作模式的参数如表1所示。该系统在每种模式下运行了90天，中试工厂总共运行了12个月。

表1 四种不同工作模式参数

在膜设计的基础上，调整UF、RO通量和透水性参数，以确定不同应用的操作条件在污染方面是否可持续。每道工序结束后，进行强化反冲洗（BW）、化学强化反冲洗（CEB）和原位清洗（CIP），将渗透率恢复到基线水平。中试工厂的最大生产能力为50立方米/天。系统主要包括2个步骤：

1.3.1 UF装置

UF装置由单个聚合物中空纤维膜模块组成，总膜面积为64 m2，采用终端模式运行。进料通过超滤膜进行由内到外的过滤，超滤膜产水的通量在40～45 LMH之间。对照BW每天进行几次。在过滤过程中，水力清洗包括BW（15 m3/h，持续30秒）和给水侧原水循环（4 m3/h，持续30秒）的组合。采用了30分钟的固定过滤时间，其中包括收集采出的渗透水，回收用于产水和BW水。在碱性条件下（100 mg/L NaOCl）定期施用CEB以恢复渗透率，CIP的操作压差（ΔP）超过1.5 kg/cm2。清洗是自动进行的，以确保最大限度地消除污垢和结垢。

1.3.2 RO装置

在UF之后，离子如Na+和Cl-，以及其它化合物必须由反渗透装置去除。渗透生产的通量为16～18 LMH，回收率为65～75%。高压泵的调节采用速度驱动器，其中流量是固定的。设置CIP在酸性（0.01 N的HCl）和碱性（0.01 N的NaOH）条件下，当ΔP超过3.0 kg/cm2时自动运行，以恢复反渗透膜的渗透性，避免反渗透膜的污染和结垢。

2 结果与分析

2.1 超滤效率

超滤装置运行前必须先进行预处理（FF），以确保无机和有机颗粒物质的去除达到水质污染指数给水目标。在运行期间，超滤装置的平均浊度为0.015 NTU，平均去除率为99.2%，如图1所示。该系统（UF+RO）的技术可行性在通过12个月的运行和优化得到了验证。在四种运行模式下（FF出口平均浊度分别为3.74 NTU、4.24 NTU、3.54 NTU和3.80 NTU），出水浊度均较低（最大值在8.93～11.1 NTU之间），过滤处理效率稳定。对于商业应用，装置的物理耐久性是一个重要的问题。在操作模式2的后期，FF去除率呈下降趋势，这是由于部分纤维球污染造成的。经过对FF装置的维护，恢复了初始处理效率。这表明FF在除浊方面是有效的。在本研究中，模式4的处理效率较低，这是由于出水浊度较低，接近稳定后纤维过滤处理的极限（5～10 NTU）。以浊度为指标对超滤工艺的技术性能进行了评价，去除效率如图1所示。四种运行模式下，超滤膜的平均浊度值分别为0.008、0.037、0.016和<0.001 NTU，平均去除率分别为99.6%、98.2%、99.0%和100.0%。一般来说，系统结垢与清洗频率有关。在操作模式2的超滤后期，FF的浊度去除率下降，这意味着颗粒和溶质可能沉积在超滤膜上，造成表面污染（结垢），导致超滤膜的去除率下降。超滤装置的性能表明，如果每日CEB和CIP应用良好，超滤装置可以成功地在污水循环利用的处理方案中运行。

图1 FF出口和UF过滤的浊度浓度（NTU）和去除率（%）

2.2 反渗透系统的水质性能

样本的实验室分析结果与再生水使用质量标准列于表2。运行期内，与渗透物相关的有机物含量、pH值、浊度、NH3-N、TOC、大肠菌群均满足中水要求，均在工业回用工艺限值内。因此，FF+UF制得的滤液水适合作为反渗透给水。

表2 处理后的水质和再生水的质量标准

3 结论

本研究提出了双膜工艺（UF+RO）在工业部门城市污水回用的试点研究。本研究的结果为：（1）预处理装置由FF和UF组成。FF滤液浊度低于6.82 NTU，UF渗透滤液浊度低于0.38 NTU。平均浊度去除率分别为42.7%和99.2%。因此，所提出的预处理工艺适用于RO。（2）当UF提供稳定的过滤性能时，反渗透装置表现出稳定的性能和生产能力。反渗透膜对EC的去除率为97.9%，符合工业再利用和政府法规的要求。（3）通过BW、CEB和CIP的应用，可以控制和减少超滤膜和反渗透膜的污染。

结果表明，双膜过滤（UF+RO）是一种有效的可持续性用水方法，可以将城市污水回收用于工业目的。