简介： 采用CMFW－2连续微滤中水回用装置对城市污水厂二级出水进行深度处理中试试验，运行结果表明该装置在技术上是可行的，其出水水质稳定，优于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中的城市杂用水水质标准。并对该装置对膜污染的控制和清洗做了简要的分析。
关键字：CMFW－2连续微滤 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
随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出。据统计，全国669个城市中，400个城市常年供水不足，其中110个城市严重缺水，北方尤重于南方[1]。为此，在2001年初通过的“国民经济和社会发展第十个五年计划纲要”中特别强调了搞好污水处理回用的重要性，因为实施城市污水资源化，可开辟新的淡水资源，对保障城市安全供水具有重要的战略意义。
膜处理技术作为高科技领域中一种新兴的技术，在水处理领域中的应用正日趋广泛。膜处理技术具有无相变、能耗低、设备简单、占地少、便于连续操作、易自控等优点，但由于膜材料价格高、膜污染和膜清洗这些问题得不到很好地解决，从而限制了膜处理技术在水处理领域中的大规模应用。
本研究采用CMFW－2连续微滤装置对城市污水处理厂二级出水进行中水回用中试试验，以期达到《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中的城市杂用水水质标准。该装置采用国产膜组件，使膜材料价格大大降低，并与传统的混凝、沉淀和粗滤技术相结合，以适应较大的水质变化，延缓膜污染周期，保证装置的正常运行。研究中对该装置的处理效率进行了考虑，对膜污染的控制与清洗进行了分析。
1. 试验装置与方法
1． 1工艺流程
本研究为现场中试，试验工艺流程如图1。
图1 工艺流程图
试验用水取自北京北小河污水处理厂二沉池，北小河污水处理厂二沉池出水经加药后进入CMFW－2连续微滤装置进行处理，处理水进入清水池，清水池出水供给试验小区回用。
1． 2试验装置
CMFW－2连续微滤装置是武汉市思蓝净水技术有限公司研发的CMFW系列连续微滤设备。CMFW－2连续微滤装置是由混凝沉淀罐、粗滤罐、微滤膜组件、压缩空气系统、组合式反冲洗系统、CIP化学清洗系统和PLC自控系统等所组成。二沉池出水投加混凝剂，经由管式混合器混合后进入混凝沉淀罐，混凝沉淀罐出水通过粗滤罐过滤，粗滤罐出水由离心泵压入微滤膜组件过滤，从而得到达标出水。由于离心泵的压力作用在微滤膜的内外侧造成压差，将待处理水中大于过滤精度的全部物质和小于过滤精度的部分物质分离出来，从而使待处理水得以净化达标。
微滤膜组件采用武汉市思蓝净水技术有限公司研发的CMFW系列国产管式膜组件，其具有耐污染、高机械强度、高抗氧化能力的特点，是一种特别适用于污水回用的膜组件。
1． 3试验方法
CMFW－2连续微滤试验装置设在北京北小河污水处理厂内。试验的运行参数：运行压力为0.10～0.15MPa，出水流量为120m3/d，反冲洗周期为20min，反冲洗历时1min。
试验用水采用二沉池出水，二沉池出水水质如表1。
表1 北京北小河污水处理厂二沉池出水水质
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项 目 |
浓 度 |
项 目 |
浓 度 |
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CODCr(mg/L) |
63.2～186.0 |
总磷(mg/L) |
3.57～7.42 |
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浊度(NTU) |
7.46～41.6 |
TDS(mg/L) |
444～484 |
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总氮(mg/L) |
29.5～42.2 |
氯化物(mg/L) |
86.6～102.0 |
试验出水水质指标采用《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中的城市杂用水水质标准，试验出水水质指标如表2。
表2 试验出水水质指标
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项 目 |
浓 度 |
项 目 |
浓 度 |
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CODCr(mg/L) |
≤50 |
总磷(mg/L) |
- |
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浊度(NTU) |
≤5 |
TDS(mg/L) |
≤1000 |
|
总氮(mg/L) |
- |
氯化物(mg/L) |
≤300 |
北京市奥运中水办定时采集水样并分析其CODCr、总氮、总磷、浊度、氯化物、TDS等指标，水质分析采用标准分析方法，由此可得如下试验结果。
2. 试验结果与分析
2． 1CODCr的去除
试验装置对CODCr有较好的去除效果。试验装置进、出水CODCr浓度及其去除率如图2所示，由图可见进水CODCr浓度为63.2mg/L～186.0mg/L，出水CODCr浓度为33.1mg/L～43.6mg/L，去除率为31～78%，平均去除率为54%。出水水质较为稳定，出水CODCr浓度一直稳定在45mg/L以下，出水CODCr浓度均值为39.7mg/L，小于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中城市杂用水水质标准50mg/L的规定。这表明对于处理对象以生活污水为主的污水处理厂来说，二沉池出水中的CODCr主要呈悬浮或溶解状态，且以悬浮状态的颗粒有机物质和溶解性的大分子有机物质为主，而微孔滤膜对这些有机物质有较好的截留去除作用。悬浮状态的有机物的去除主要依靠膜孔的筛滤作用，而溶解性的有机物质的截留去除则主要是通过膜表面沉积层的筛滤和吸附作用完成，部分是由膜面和膜孔吸附作用完成。
图2 试验装置对CODCr去除效果
2． 2总氮的去除
试验装置对总氮去除效果不明显。试验装置进、出水总氮浓度及其去除率如图3所示，由图可见进水总氮浓度为29.5mg/L～42.2mg/L，出水总氮浓度为26.2mg/L～32.7mg/L，出水总氮浓度均值为29.8mg/L，平均去除率为9%。但总氮的去除率波动较大，这是因为连续微滤装置不存在氨氮的硝化、硝氮的反硝化及化学去除作用，对总氮的去除仅以膜表面沉积层的吸附作用为主，而膜表面的沉积层是极不稳定的，它随着过滤和气、水反冲的交替进行产生和消失，并与进水水质有着密切的关系。
图3 试验装置对总氮的去除效果
2． 3总磷的去除
试验装置对总磷有一定的去除效果。试验装置进、出水总磷浓度及其去除率如图4所示，由图可见进水总磷浓度为3.57mg/L～7.42mg/L，出水总磷浓度为2.90mg/L～5.22mg/L，出水总磷浓度均值为4.16mg/L，去除率为7～46%，平均去除率为25%。污水中磷有三种形态：有机磷酸盐、聚磷酸盐和正磷酸盐，由于在北小河污水处理厂常规好氧生物处理过程中，大多数有机磷和聚合磷转化为正磷酸盐，因此二沉池出水中所含有的磷大多数是溶解性的[1]。而在二沉池出水里加药，通过混凝，化学药剂与磷反应生成不溶性磷酸盐，然后通过沉淀、粗滤和微孔滤膜的截留与吸附作用使磷得以部分去除。
图4 试验装置对总磷的去除效果
2． 4浊度的去除
试验装置能够高效地进行固液分离，出水浊度较为稳定，几乎不受进水水质的影响。试验装置进、出水浊度及其去除率如图5所示，由图可见进水浊度为7.46～41.6NTU，出水浊度为0.16～0.65NTU，出水浊度均值为0.44 NTU，去除率为92～99%，平均去除率为97%。出水浊度均在1NTU以下，远远低于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中城市杂用水水质标准5NTU的规定。二沉池出水中的浊度主要是由水中的呈悬浮状态的颗粒和胶体物质所造成的，通过在二沉池出水中加药，使水中的悬浮颗粒和胶体物质絮凝、聚沉，再经由粗滤和微孔膜滤，将水中大于膜过滤精度的全部物质和小于过滤精度的部分物质除去，从而得到了好的出水浊度。
图5试验装置对浊度的去除效果
2. 5其它污染物的去除
试验装置对氯化物和TDS没有去除效果。由于对二沉池出水加药，反而向水中引入了新的溶解物，使水中的氯化物和TDS浓度有所升高。试验装置进水氯化物浓度均值为94.2mg/L，TDS浓度均值为466mg/L；出水氯化物浓度均值为100.4mg/L， TDS浓度均值为467.7mg/L，均远低于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中城市杂用水水质标准氯化物浓度300mg/L 和TDS浓度1000mg/L的规定。
上述结果表明，CMFW－2连续微滤装置的出水水质优于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中的城市杂用水水质标准，经消毒后可用来冲厕、道路清扫、消防、园林绿化、洗车和建筑施工等。
3. 膜污染的控制与清洗
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象[2]。
本试验装置自从2003年4月21日开机以来连续运行了两个多月至今，在进水水质发生较大变化的情况下一直正常运行，出水水质稳定，均达到并优于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中的城市杂用水水质标准。这进一步表明，CMFW-2连续微滤装置能够有效地控制膜污染，并能高效进行膜清洗，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连续微滤装置管式微孔滤膜采用的复合膜材料为聚乙烯醇（PVA）,其具有高度的亲水性和耐污染性，具有很好的耐多种有机溶剂的特性，易于成膜，物理、化学性能稳定。
3.1.2膜孔径
膜孔径较大，初始通量较大,但通量衰减较快，易受到膜污染。因此膜孔径应比要求截留的微粒粒径要小，这样才能获得较好的处理效果，还可减少溶质在膜孔上的吸附和堵塞所造成的污染。但孔径越小，流体阻力则越大，通量也就越小[3]。综合考虑两者关系，通过试验对比膜孔径取为0.2-0.45µm，在这个范围内，CMFW－2连续微滤装置管式微孔滤膜处理效果最好，运行最为稳定。
3.1.3膜结构
对称结构微滤膜，其弯曲孔的表面开口有时比内部孔径还要大，这样进入膜表面孔的粒子往往会被截留在膜中，导致膜堵塞，通量衰减快；而不对称结构微滤膜，粒子大都被截留在膜表面，不易造成膜堵塞，易被横切流带走，即使在膜表面孔上产生聚集、堵塞，用反洗也很容易冲走[2]。CMFW－2连续微滤装置管式微孔滤膜采用的是不对称结构。
3.1.4抗污染膜组件
CMFW－2连续微滤装置采用的是管式膜组件。管式膜组件对水中悬浮物有一定的承受能力,能有效地控制浓差极化,大范围地调节待处理水的流速,膜生成污垢容易清洗且无需拆开设备[4]。
3.1.5错流过滤
传统的微滤为盲端过滤形式，盲端过滤的阻塞机率较高，且阻塞后必须停机反冲再生，不宜于连续运作，而错流过滤可以实现微滤装置的连续运作以适应处理大流量的规模要求。错流过滤，水流动平行于过滤表面，在过滤表面可形成较大的剪切力，造成膜污染阻塞物质始终处于悬浮状态，消除浓差极化带来的影响，减少微粒和溶质在膜面的沉积，减轻膜污染[5]。
3.1.6膜前预处理
CMFW－2连续微滤装置采用常规的混凝、沉淀和粗滤做微孔膜滤的预处理，通过加药对二沉池出水进行絮凝、沉淀和过滤，以去除水中一些较大的悬浮粒子、胶体和部分溶解性物质，从而减轻微滤膜过程的负荷和污染。通过对二沉池出水加消毒剂杀菌以免微生物、细菌和有机物对微滤膜造成污染和侵蚀。
3.2 膜清洗
CMFW－2连续微滤装置采取了控制膜污染的各种有效措施，但在长期运行过程中，膜的透水通量随运行时间增长而下降，即膜污染问题必然发生，因此必须采取一定的清洗方法，使膜面或膜孔内污染物去除，达到透水量恢复，延长膜寿命的目的。
3.2.1气、水反冲
微滤装置气、水反冲的周期是20min。首先通过压缩空气对微滤膜进行气反冲，气反冲持续时间5s，压力大，瞬间将膜污染层冲开，使膜表面及膜孔内的所截留和吸附的污染物脱离滤膜，然后通过高压水对微滤膜进行快速水反冲1min，冲去变松的污染层，从而使膜通量得以恢复。
3.2.2CIP化学清洗
由于物理作用、化学吸附等多种原因，实际上每次反冲洗后，微滤膜的过滤能力总不能完全恢复到初始水平，而是随着每一个（过滤一反洗）周期的重复膜的过滤阻力逐渐增大，为了补偿阻力增大而造成的流量下降，自控系统自动增大压力。这样，正常运行经过一段相当长的时间后运行压力达到上限，当膜通量不能保持时，就需要化学清洗。清洗剂有酸液和碱液两种，化学清洗流程为先酸洗，再水洗，再碱洗，再水洗，持续时间为2—4小时。化学清洗使膜污染物松动、乳化和分散，水洗使膜污染物得以去除。化学清洗后，膜通量可恢复到初始水平。
4. 结论
(1) CMFW－2连续微滤装置对城市污水厂二级出水进行中水回用处理的效果非常明显，对悬浮固体、胶体等污染物具有显著的过滤去除作用。二沉池出水经连续微滤设备处理后出水CODCr均值为39.7mg/L，浊度均值为0.44 NTU，均明显优于《污水回用设计规范》（征求意见稿）（2001年）中城市杂用水水质标准中的相关规定。
(2) 连续微滤设备对二沉池出水中的CODCr、浊度有较高地去除率，平均去除率分别为54%和97%；对总磷有一定的去除作用，平均去除率为25%；对总氮去除不明显；对氯化物和TDS没有去除作用。
(3) CMFW-2连续微滤装置把传统的混凝、沉淀和粗滤技术与先进的微孔膜滤技术有机结合在一起，具有处理效率高、耐冲击负荷、占地少、工艺先进、自动控制和运行管理方便等特点。
(4) 由于CMFW-2连续微滤装置采取了富有成效的膜污染控制措施和膜清洗方法，从而有效地减轻了浓差极化、延缓了膜污染周期，提高了膜通量。
参考文献:
[1] 周 彤,主编.污水回用决策与技术[M].北京:化学工业出版社,2001.10
[2] 刘忠洲,等.微滤、超滤过程中的膜污染与清洗[J].水处理技术,1997,23(4):187～193
[3] 邱运仁,张启修.超滤过程膜污染技术研究进展[J].现代化工,2002,22(2): 18～21
[4] 邵 刚,编著.膜法水处理技术[M].北京:冶金工业出版社,2000.1
[5] 刑卫红,等.微滤和超滤过程中浓差极化和膜污染控制方法研究[J].化工进展,2000,(1):44～48