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二級出水進行深度處理中試試驗，運行結果表明該裝置在技術上是可行的，其出水水質穩定，優于《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中的城市雜用水水質標準。并對該裝置對膜污染的控制和清洗做了簡要的分析。
關鍵詞：CMFW－2連續微濾 膜污染 膜清洗 污水回用
隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，城市缺水問題尤為突出。據統計，全國669個城市中，400個城市常年供水不足，其中110個城市嚴重缺水，北方尤重于南方[1]。為此，在2001年初通過的“國民經濟和社會發展第十個五年計劃綱要”中特別強調了搞好污水處理回用的重要性，因為實施城市污水資源化，可開辟新的淡水資源，對保障城市安全供水具有重要的戰略意義。
膜處理技術作為高科技領域中一種新興的技術，在水處理領域中的應用正日趨廣泛。膜處理技術具有無相變、能耗低、設備簡單、占地少、便于連續操作、易自控等優點，但由于膜材料價格高、膜污染和膜清洗這些問題得不到很好地解決，從而限制了膜處理技術在水處理領域中的大規模應用。
本研究采用CMFW－2連續微濾裝置對城市污水處理廠二級出水進行中水回用中試試驗，以期達到《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中的城市雜用水水質標準。該裝置采用國產膜組件，使膜材料價格大大降低，并與傳統的混凝、沉淀和粗濾技術相結合，以適應較大的水質變化，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行了考慮，對膜污染的控制與清洗進行了分析。
1. 試驗裝置與方法
1． 1工藝流程
本研究為現場中試，試驗工藝流程如圖1。
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試驗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加藥后進入CMFW－2連續微濾裝置進行處理，處理水進入清水池，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有限公司研發的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，經由管式混合器混合后進入混凝沉淀罐，混凝沉淀罐出水通過粗濾罐過濾，粗濾罐出水由離心泵壓入微濾膜組件過濾，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濾精度的全部物質和小于過濾精度的部分物質分離出來，從而使待處理水得以凈化達標。
微濾膜組件采用武漢市思藍凈水技術有限公司研發的CMFW系列國產管式膜組件，其具有耐污染、高機械強度、高抗氧化能力的特點，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1min。
試驗用水采用二沉池出水，二沉池出水水質如表1。試驗出水水質指標采用《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中的城市雜用水水質標準，試驗出水水質指標如表2。
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北京市奧運中水辦定時采集水樣并分析其CODCr、總氮、總磷、濁度、氯化物、TDS等指標，水質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、出水CODCr濃度及其去除率如圖2所示，由圖可見進水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》（征求意見稿）（2001年）中城市雜用水水質標準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來說，二沉池出水中的CODCr主要呈懸浮或溶解狀態，且以懸浮狀態的顆粒有機物質和溶解性的大分子有機物質為主，而微孔濾膜對這些有機物質有較好的截留去除作用。懸浮狀態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的截留去除則主要是通過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。
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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、出水總氮濃度及其去除率如圖3所示，由圖可見進水總氮濃度為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，它隨著過濾和氣、水反沖的交替進行產生和消失，并與進水水質有著密切的關系。
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、出水總磷濃度及其去除率如圖4所示，由圖可見進水總磷濃度為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：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常規好氧生物處理過程中，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，通過混凝，化學藥劑與磷反應生成不溶性磷酸鹽，然后通過沉淀、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行固液分離，出水濁度較為穩定，幾乎不受進水水質的影響。試驗裝置進、出水濁度及其去除率如圖5所示，由圖可見進水濁度為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》（征求意見稿）（2001年）中城市雜用水水質標準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的顆粒和膠體物質所造成的，通過在二沉池出水中加藥，使水中的懸浮顆粒和膠體物質絮凝、聚沉，再經由粗濾和微孔膜濾，將水中大于膜過濾精度的全部物質和小于過濾精度的部分物質除去，從而得到了好的出水濁度。
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2. 5其它污染物的去除
試驗裝置對氯化物和TDS沒有去除效果。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》（征求意見稿）（2001年）中城市雜用水水質標準氯化物濃度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優于《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中的城市雜用水水質標準，經消毒后可用來沖廁、道路清掃、消防、園林綠化、洗車和建筑施工等。
3. 膜污染的控制與清洗
膜污染是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學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，使膜產生透過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日開機以來連續運行了兩個多月至今，在進水水質發生較大變化的情況下一直正常運行，出水水質穩定，均達到并優于《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中的城市雜用水水質標準。這進一步表明，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]。綜合考慮兩者關系，通過試驗對比膜孔徑取為0.2-0.45µm，在這個范圍內，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
對稱結構微濾膜，其彎曲孔的表面開口有時比內部孔徑還要大，這樣進入膜表面孔的粒子往往會被截留在膜中，導致膜堵塞，通量衰減快；而不對稱結構微濾膜，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需拆開設備[4]。
3.1.5錯流過濾
傳統的微濾為盲端過濾形式，盲端過濾的阻塞機率較高，且阻塞后必須停機反沖再生，不宜于連續運作，而錯流過濾可以實現微濾裝置的連續運作以適應處理大流量的規模要求。錯流過濾，水流動平行于過濾表面，在過濾表面可形成較大的剪切力，造成膜污染阻塞物質始終處于懸浮狀態，消除濃差極化帶來的影響，減少微粒和溶質在膜面的沉積，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，通過加藥對二沉池出水進行絮凝、沉淀和過濾，以去除水中一些較大的懸浮粒子、膠體和部分溶解性物質，從而減輕微濾膜過程的負荷和污染。通過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，但在長期運行過程中，膜的透水通量隨運行時間增長而下降，即膜污染問題必然發生，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。首先通過壓縮空氣對微濾膜進行氣反沖，氣反沖持續時間5s，壓力大，瞬間將膜污染層沖開，使膜表面及膜孔內的所截留和吸附的污染物脫離濾膜，然后通過高壓水對微濾膜進行快速水反沖1min，沖去變松的污染層，從而使膜通量得以恢復。
3.2.2CIP化學清洗
由于物理作用、化學吸附等多種原因，實際上每次反沖洗后，微濾膜的過濾能力總不能完全恢復到初始水平，而是隨著每一個（過濾一反洗）周期的重復膜的過濾阻力逐漸增大，為了補償阻力增大而造成的流量下降，自控系統自動增大壓力。這樣，正常運行經過一段相當長的時間后運行壓力達到上限，當膜通量不能保持時，就需要化學清洗。清洗劑有酸液和堿液兩種，化學清洗流程為先酸洗，再水洗，再堿洗，再水洗，持續時間為2—4小時。化學清洗使膜污染物松動、乳化和分散，水洗使膜污染物得以去除。化學清洗后，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二級出水進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的過濾去除作用。二沉池出水經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，均明顯優于《污水回用設計規范》（征求意見稿）（2001年）中城市雜用水水質標準中的相關規定。
(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、沉淀和粗濾技術與先進的微孔膜濾技術有機結合在一起，具有處理效率高、耐沖擊負荷、占地少、工藝先進、自動控制和運行管理方便等特點。
(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:
[1] 周 彤,主編.污水回用決策與技術[M].北京:化學工業出版社,2001.10
[2] 劉忠洲,等.微濾、超濾過程中的膜污染與清洗[J].水處理技術,1997,23(4):187～193
[3] 邱運仁,張啟修.超濾過程膜污染技術研究進展[J].現代化工,2002,22(2): 18～21
[4] 邵 剛,編著.膜法水處理技術[M].北京:冶金工業出版社,2000.1
[5] 刑衛紅,等.微濾和超濾過程中濃差極化和膜污染控制方法研究[J].化工進展,2000,(1):44～48
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