CMFW－2連續微濾中水回用裝置中試研究

摘要：采用CMFW－2連續微濾中水回用裝置對城市污水廠(chǎng)二級出水進(jìn)行深度處理中試試驗，運行結果表明該裝置在技術(shù)上是可行的，其出水水質(zhì)穩定，優(yōu)于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標準。并對該裝置對膜污染的控制和清洗做了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：CMFW－2連續微濾 膜污染 膜清洗 污水回用

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市缺水問(wèn)題尤為突出。據統計，全國669個(gè)城市中，400個(gè)城市常年供水不足，其中110個(gè)城市嚴重缺水，北方尤重于南方[1]。為此，在2001年初通過(guò)的“國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十個(gè)五年計劃綱要”中特別強調了搞好污水處理回用的重要性，因為實(shí)施城市污水資源化，可開(kāi)辟新的淡水資源，對保障城市安全供水具有重要的戰略意義。

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)域中的應用正日趨廣泛。膜處理技術(shù)具有無(wú)相變、能耗低、設備簡(jiǎn)單、占地少、便于連續操作、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)域中的大規模應用。

本研究采用CMFW－2連續微濾裝置對城市污水處理廠(chǎng)二級出水進(jìn)行中水回用中試試驗，以期達到《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標準。該裝置采用國產(chǎn)膜組件，使膜材料價(jià)格大大降低，并與傳統的混凝、沉淀和粗濾技術(shù)相結合，以適應較大的水質(zhì)變化，延緩膜污染周期，保證裝置的正常運行。研究中對該裝置的處理效率進(jìn)行了考慮，對膜污染的控制與清洗進(jìn)行了分析。

1.   試驗裝置與方法

1． 1工藝流程

本研究為現場(chǎng)中試，試驗工藝流程如圖1。

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

1． 2試驗裝置

CMFW－2連續微濾裝置是武漢市思藍凈水技術(shù)有限公司研發(fā)的CMFW系列連續微濾設備。CMFW－2連續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、組合式反沖洗系統、CIP化學(xué)清洗系統和PLC自控系統等所組成。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，從而得到達標出水。由于離心泵的壓力作用在微濾膜的內外側造成壓差，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�達標。

微濾膜組件采用武漢市思藍凈水技術(shù)有限公司研發(fā)的CMFW系列國產(chǎn)管式膜組件，其具有耐污染、高機械強度、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試驗方法

CMFW－2連續微濾試驗裝置設在北京北小河污水處理廠(chǎng)內。試驗的運行參數：運行壓力為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。

試驗用水采用二沉池出水，二沉池出水水質(zhì)如表1。試驗出水水質(zhì)指標采用《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標準，試驗出水水質(zhì)指標如表2。

北京市奧運中水辦定時(shí)采集水樣并分析其CODCr、總氮、總磷、濁度、氯化物、TDS等指標，水質(zhì)分析采用標準分析方法，由此可得如下試驗結果。

2.   試驗結果與分析

2． 1CODCr的去除

試驗裝置對CODCr有較好的去除效果。試驗裝置進(jìn)、出水CODCr濃度及其去除率如圖2所示，由圖可見(jiàn)進(jìn)水CODCr濃度為63.2mg/L～186.0mg/L，出水CODCr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)較為穩定，出水CODCr濃度一直穩定在45mg/L以下，出水CODCr濃度均值為39.7mg/L，小于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標準50mg/L的規定。這表明對于處理對象以生活污水為主的污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，二沉池出水中的CODCr主要呈懸浮或溶解狀態(tài)，且以懸浮狀態(tài)的顆粒有機物質(zhì)和溶解性的大分子有機物質(zhì)為主，而微孔濾膜對這些有機物質(zhì)有較好的截留去除作用。懸浮狀態(tài)的有機物的去除主要依靠膜孔的篩濾作用，而溶解性的有機物質(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。

2． 2總氮的去除

試驗裝置對總氮去除效果不明顯。試驗裝置進(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，這是因為連續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定的，它隨著(zhù)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(zhù)密切的關(guān)系。

2． 3總磷的去除

試驗裝置對總磷有一定的去除效果。試驗裝置進(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)：有機磷酸鹽、聚磷酸鹽和正磷酸鹽，由于在北小河污水處理廠(chǎng)常規好氧生物處理過(guò)程中，大多數有機磷和聚合磷轉化為正磷酸鹽，因此二沉池出水中所含有的磷大多數是溶解性的[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。

2． 4濁度的去除

試驗裝置能夠高效地進(jìn)行固液分離，出水濁度較為穩定，幾乎不受進(jìn)水水質(zhì)的影響。試驗裝置進(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，遠遠低于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標準5NTU的規定。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。

2. 5其它污染物的去除

試驗裝置對氯化物和TDS沒(méi)有去除效果。由于對二沉池出水加藥，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，均遠低于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標準氯化物濃度300mg/L 和TDS濃度1000mg/L的規定。

上述結果表明，CMFW－2連續微濾裝置的出水水質(zhì)優(yōu)于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標準，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)相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、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象[2]。

本試驗裝置自從2003年4月21日開(kāi)機以來(lái)連續運行了兩個(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行，出水水質(zhì)穩定，均達到并優(yōu)于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中的城市雜用水水質(zhì)標準。這進(jìn)一步表明，CMFW-2連續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連續微濾裝置管式微孔濾膜采用的復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溶劑的特性，易于成膜，物理、化學(xué)性能穩定。

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)試驗對比膜孔徑取為0.2-0.45µm，在這個(gè)范圍內，CMFW－2連續微濾裝置管式微孔濾膜處理效果最好，運行最為穩定。

3.1.3膜結構

對稱(chēng)結構微濾膜，其彎曲孔的表面開(kāi)口有時(shí)比內部孔徑還要大，這樣進(jìn)入膜表面孔的粒子往往會(huì )被截留在膜中，導致膜堵塞，通量衰減快；而不對稱(chēng)結構微濾膜，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連續微濾裝置管式微孔濾膜采用的是不對稱(chēng)結構。

3.1.4抗污染膜組件

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

3.1.5錯流過(guò)濾

傳統的微濾為盲端過(guò)濾形式，盲端過(guò)濾的阻塞機率較高，且阻塞后必須停機反沖再生，不宜于連續運作，而錯流過(guò)濾可以實(shí)現微濾裝置的連續運作以適應處理大流量的規模要求。錯流過(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膜前預處理

CMFW－2連續微濾裝置采用常規的混凝、沉淀和粗濾做微孔膜濾的預處理，通過(guò)加藥對二沉池出水進(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)程的負荷和污染。通過(guò)對二沉池出水加消毒劑殺菌以免微生物、細菌和有機物對微濾膜造成污染和侵蝕。

3.2 膜清洗

CMFW－2連續微濾裝置采取了控制膜污染的各種有效措施，但在長(cháng)期運行過(guò)程中，膜的透水通量隨運行時(shí)間增長(cháng)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，使膜面或膜孔內污染物去除，達到透水量恢復，延長(cháng)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)壓縮空氣對微濾膜進(jìn)行氣反沖，氣反沖持續時(shí)間5s，壓力大，瞬間將膜污染層沖開(kāi)，使膜表面及膜孔內的所截留和吸附的污染物脫離濾膜，然后通過(guò)高壓水對微濾膜進(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。

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到初始水平，而是隨著(zhù)每一個(gè)（過(guò)濾一反洗）周期的重復膜的過(guò)濾阻力逐漸增大，為了補償阻力增大而造成的流量下降，自控系統自動(dòng)增大壓力。這樣，正常運行經(jīng)過(guò)一段相當長(cháng)的時(shí)間后運行壓力達到上限，當膜通量不能保持時(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，膜通量可恢復到初始水平。

4.   結論

(1) CMFW－2連續微濾裝置對城市污水廠(chǎng)二級出水進(jìn)行中水回用處理的效果非常明顯，對懸浮固體、膠體等污染物具有顯著(zhù)的過(guò)濾去除作用。二沉池出水經(jīng)連續微濾設備處理后出水CODCr均值為39.7mg/L，濁度均值為0.44 NTU，均明顯優(yōu)于《污水回用設計規范》（征求意見(jiàn)稿）（2001年）中城市雜用水水質(zhì)標準中的相關(guān)規定。

(2) 連續微濾設備對二沉池出水中的CODCr、濁度有較高地去除率，平均去除率分別為54%和97%；對總磷有一定的去除作用，平均去除率為25%；對總氮去除不明顯；對氯化物和TDS沒(méi)有去除作用。

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

(4) 由于CMFW-2連續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。

參考文獻:
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[5]  刑衛紅,等.微濾和超濾過(guò)程中濃差極化和膜污染控制方法研究[J].化工進(jìn)展,2000,(1):44～48來(lái)源：谷騰水網(wǎng) 作者: 胡新立，陶濤