城市中水回用中膜污染分析及對策

水處理網(wǎng)訊:以反滲透脫鹽技術(shù)為代表的膜處理技術(shù)已成為過去30年新火力發(fā)電廠水處理的首選，隨之發(fā)展起來的全膜處理工藝在電廠中也得到廣泛應(yīng)用。在膜技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時，由膜污染引發(fā)的生產(chǎn)問題也隨之增多。

隨著國家對環(huán)保要求的提高和對城市中水回用的推行，越來越多的已建電廠將鍋爐補(bǔ)給水的膜處理工藝列入技改項(xiàng)目。城市中水污染性高，在其回用過程中，多家發(fā)電企業(yè)的化學(xué)制水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)問題。

1 系統(tǒng)概況

某火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組的補(bǔ)給水處理工藝為：

城市中水→中水處理系統(tǒng)→清水泵→生水加熱器→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→超濾水泵→反滲透保安過濾器→反滲透裝置→中間水箱→陽床→陰床→混床→除鹽水箱。

中水處理系統(tǒng)來水為城市污水廠二級處理出水，水庫來水為備用水源。

近年來，由于城市污水廠二級處理出水水質(zhì)較中水處理系統(tǒng)進(jìn)水設(shè)計(jì)值有較大改變，電廠在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中采用污水廠來水與水庫來水的混合水。中水處理系統(tǒng)工藝流程見圖 1。

圖 1中水處理系統(tǒng)工藝流程

補(bǔ)給水處理系統(tǒng)中的超濾膜組件為科氏中空纖維膜件，處理裝置采用內(nèi)壓錯流過濾，每套裝置額定進(jìn)水流量為120 m3/h，產(chǎn)水率設(shè)計(jì)為90%，出水淤泥污染指數(shù)（SDI）≤2；反滲透膜組件為陶氏螺旋卷式膜件，處理裝置采取一級二段處理方式，每套裝置額定出力80 m3/h，回收率控制在75%。

2 膜處理設(shè)備壓差異常

2018年7月，電廠開始增大城市中水用量，超濾和反滲透設(shè)備出現(xiàn)壓差上升趨勢。至2019年3月，超濾跨膜壓差上升至0.1 MPa，反滲透跨膜壓差上升至0.2 MPa，嚴(yán)重影響了制水水質(zhì)和水量。

檢查發(fā)現(xiàn)，超濾膜裝置的進(jìn)水端面覆蓋有一層暗棕色黏泥，有腥臭味，其灼燒減量為71.2%，XRF分析表明，其主要成分為鈣、鐵及硅的化合物，判定超濾膜存在有機(jī)物、微生物和無機(jī)鹽混合污染；反滲透膜元件表面有白色晶體，其中二段末端膜元件質(zhì)量增重約15 kg，刮取的白色晶體樣品能夠全部溶于稀鹽酸，并有大量氣泡排出，判定其主要成分為碳酸鹽。

為恢復(fù)設(shè)備性能，進(jìn)行了在線化學(xué)清洗，清洗工藝為堿洗→殺菌→酸洗→堿洗。投運(yùn)后，設(shè)備性能恢復(fù)，但反滲透保安過濾器濾芯使用周期仍不足1個月。檢查發(fā)現(xiàn)濾芯表面顯深棕色，局部有黑色斑塊。

3 膜處理設(shè)備污染分析

3.1反滲透預(yù)處理水質(zhì)分析

膜處理設(shè)備嚴(yán)重污染，說明中水處理系統(tǒng)出水不合格。反滲透預(yù)處理各項(xiàng)目水質(zhì)分析結(jié)果見表 1。

表 1反滲透預(yù)處理各項(xiàng)目水質(zhì)分析結(jié)果

由表 1可知，中水處理系統(tǒng)基本沒有處理效果，關(guān)鍵指標(biāo)不降反升。其原因：

（1）石灰軟化系統(tǒng)以澄清池出水堿度低于2 mmol/L為控制指標(biāo)調(diào)整加藥量，造成石灰投加過量，使出水硬度超過進(jìn)水硬度，pH高于混凝最佳pH；

（2）澄清池后加酸調(diào)pH系統(tǒng)按設(shè)計(jì)值控制pH為7.0~8.5，控制值偏高，最終導(dǎo)致反滲透進(jìn)水有一定的結(jié)垢傾向（朗格里爾指數(shù)LSI約為1.27）。

3.2機(jī)械攪拌澄清池

自城市中水的占比提高后，澄清池出水濁度經(jīng)常超標(biāo)，偶爾出現(xiàn)翻池現(xiàn)象。主要原因：

（1）中水處理系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)加熱裝置，冬季水溫低，水的黏度大，不利于膠體凝聚；

（2）澄清池未投加殺菌劑，存在微生物滋生問題；

（3）池內(nèi)污泥回流不暢導(dǎo)致污泥沉積池底，日久腐化發(fā)酵形成大塊松散腐殖物，并加帶腐敗氣體漂于水面；

（4）石灰加藥量不合理，致使出現(xiàn)出水硬度高于進(jìn)水。由于運(yùn)行狀況不良，混凝澄清對COD的去除率較低，加劇了后續(xù)膜工藝設(shè)備的污染傾向，且增大了后續(xù)殺菌劑的用量。

3.3超濾水箱

超濾出水合格，但反滲透保安過濾器污堵，因而考慮超濾水箱存在污染。檢查發(fā)現(xiàn)，水箱內(nèi)壁四周有一層松軟的黑色泥狀物附著，用手可擦除，厚度約為0.1 mm，且局部有大塊透明黏膜附著，類似瓊脂，黏膜內(nèi)包裹有白色顆粒狀物體，透明黏膜有腥臭味。水箱底部防腐層手感粗糙，覆蓋有較多鐵屑。

取黑色泥狀物進(jìn)行分析：樣品不溶于NaOH、丙酮溶液；置于0.1 mol/L HCl溶液中24 h，樣品基本溶解，且溶液呈淡黃色；將樣品在105 ℃下烘至恒重，然后于850 ℃下灼燒2 h，其灼燒減量為33.3%。說明黑色泥狀物中大部分為無機(jī)化合物。

對微生物黏膜內(nèi)白色顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行分析：將樣品置于0.1 mol/L HCl溶液中有氣泡產(chǎn)生；樣品在105 ℃下烘至恒重，然后于850 ℃下灼燒2 h，其灼燒減量為44.7%；灼燒后進(jìn)行XRF分析，分析結(jié)果見表 2。分析結(jié)果表明，白色顆粒物質(zhì)主要成分為碳酸鈣。由于超濾產(chǎn)水有結(jié)垢的傾向（LSI＞1），推測是Ca2+、HCO3-在大塊透明黏膜內(nèi)濃縮，反應(yīng)后形成碳酸鈣。

表 2樣品XRF分析結(jié)果

綜上，超濾水箱內(nèi)存在有機(jī)物、微生物和無機(jī)鹽的混合污染。膜處理設(shè)備投運(yùn)后，超濾水箱內(nèi)污染物被不斷攜帶進(jìn)入反滲透保安過濾器，被濾芯截留，形成了黑色斑塊。

4 解決措施及效果

4.1 增設(shè)曝氣生物濾池

曝氣生物濾池是集固液分離和生物降解有機(jī)物于一體的污水處理設(shè)備，可有效去除水中的COD、氨氮、總磷等。將其增設(shè)于機(jī)械攪拌澄清池之前，一方面可解決澄清池生長生物膜、濾床阻塞結(jié)塊的問題，避免澄清池投加殺菌劑時，低劑量殺菌效果不足造成澄清效果變差，高劑量對絮凝劑的副作用加大同樣造成澄清效果差的兩難情況；

另一方面可降低超濾膜污染，延長膜的壽命，因?yàn)橛袡C(jī)物污染是超濾膜污染的主要因素，尤其是粒徑遠(yuǎn)小于膜孔徑的小分子有機(jī)物，而混凝澄清處理只能去除大部分懸浮物、膠體粒徑范圍的有機(jī)物。

此外，曝氣生物濾池具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可有效減輕城市中水供水質(zhì)量波動頻繁給預(yù)處理帶來的負(fù)面影響。

根據(jù)技術(shù)資料，擬修建的生物濾池對COD的去除率約為40%，氨氮去除率約為60%，濁度去除率約為50%，總堿度去除率約為20%。

4.2 調(diào)整軟化混凝條件

合理改變運(yùn)行方式，可以使澄清池出水水質(zhì)明顯提升。具體措施：

（1）優(yōu)化攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速。正常運(yùn)行時攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速控制在350~400 r/min，由于城市中水占比增大，使得泥渣生成量增大，調(diào)低轉(zhuǎn)速在280~350 r/min，降低回流比，既可保證第1反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)水與泥渣接觸充分，又可避免提升水量太大沖擊分離區(qū)泥渣層。

（2）優(yōu)化澄清池排泥周期?？刂频?反應(yīng)區(qū)5 min沉降比在10%~20%，較原來下調(diào)5%，每2 h取樣化驗(yàn)一次，并根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行手動排泥。

（3）低溫運(yùn)行時增大助凝劑的用量，冬季時投加量增至2 mg/L。

（4）合理調(diào)整石灰加藥量，降低出水硬度。城市中水所占體積分?jǐn)?shù)與Ca（OH）2理論投加量關(guān)系見圖 2。

圖 2城市中水所占體積分?jǐn)?shù)與Ca(OH)2理論投加量關(guān)系

實(shí)際處理中，往往有許多因素影響化學(xué)反應(yīng)，所以石灰的實(shí)際投加量應(yīng)由調(diào)整試驗(yàn)來確定。城市中水占比70%的混合水水質(zhì)隨Ca（OH）2加藥量的變化見圖 3。

圖 3Ca（OH）2加藥量與試驗(yàn)水水質(zhì)變化曲線

由圖 3可知，對于城市中水占比70%，水庫來水占比30%的混合水，經(jīng)軟化混凝試驗(yàn)得到的最佳Ca（OH）2投加量為248 mg/L。而若以出水堿度低于2 mmol/L為控制指標(biāo)調(diào)整加藥量，會造成石灰投加過量，水中鎂硬轉(zhuǎn)化為鈣硬，進(jìn)而增大反滲透濃水的碳酸鹽結(jié)垢傾向。

4.3維護(hù)超濾水箱

對超濾水箱進(jìn)行了徹底清洗，清洗步驟：清水沖洗→殺菌沖洗→除鹽水沖洗；同時檢查了水箱內(nèi)壁環(huán)氧樹脂防腐層的完整性。

日后停運(yùn)檢修期間，應(yīng)加強(qiáng)水箱內(nèi)部清洗檢查，若存在防腐層缺陷，應(yīng)重新涂刷防腐涂層。

運(yùn)行中超濾進(jìn)水維持余氯在1~2 mg/L，抑制超濾膜和超濾水箱的微生物滋生，再添加亞硫氫鈉還原劑去除反滲透進(jìn)水中的余氯，控制反滲透進(jìn)水ORP＜200 mV。

4.4防止反滲透膜結(jié)垢

一是對反滲透進(jìn)水、濃水均進(jìn)行結(jié)垢傾向的計(jì)算。

以城市中水占比70%的軟化混凝出水為例，經(jīng)測定其中的全堿度、硬度、1/2Ca2+濃度依次為2.48、6.25、3.03 mmol/L，溶解固形物為1 000 mg/L，pH為9.97。

不考慮離子活度并忽略加酸對溶解固形物的影響，當(dāng)水溫為25 ℃時，若要使反滲透進(jìn)水LSI值為0，那么進(jìn)水的pH應(yīng)低于7.50，即加酸系統(tǒng)控制進(jìn)水pH低于7.5。

若反滲透裝置的回收率為75%，膜表面離子濃度與主體水流離子濃度比值為1.13，膜對HCO3-的透過率為5%，水溫與進(jìn)水相同，那么反滲透膜面濃水的pH為8.09，LSI值為1.84，通過添加阻垢劑可以滿足濃水側(cè)不結(jié)垢。如美國清力公司的PTP-0100、PTP-2000藥劑，其可以使?jié)馑械腖SI值最大分別維持為2.8、3.2。

當(dāng)然pH也不應(yīng)過低，過低不僅會造成加酸的浪費(fèi)和膜對HCO3-的透過率升高，而且會加劇反滲透給水管道的腐蝕。

二是對反滲透系統(tǒng)的藥劑進(jìn)行更換時，應(yīng)進(jìn)行藥劑的配伍性試驗(yàn)，分別檢測混合后殺菌劑的殺菌性能和阻垢劑的阻垢性能。

3 結(jié) 語

膜處理工藝運(yùn)行工況調(diào)整后，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，相對穩(wěn)定，反滲透膜化學(xué)清洗周期延長2~3倍，但是超濾和反滲透設(shè)備膜元件都出現(xiàn)不可逆的通量損失。

可見，如果日常維護(hù)較差或?qū)λ霈F(xiàn)問題采取措施不當(dāng)，就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，大大縮短膜元件的使用壽命。由于膜組件污染受水源、季節(jié)、處理方式、設(shè)備條件、維護(hù)方式等多因素影響，運(yùn)行人員應(yīng)當(dāng)將膜處理工藝看作系統(tǒng)工程，加強(qiáng)監(jiān)測，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成因地制宜的防控方法。