浸没式超滤膜用于污水处理厂深度处理的试验

操家顺，陆晓光，方 芳

(1.浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学环境学院，江苏南京 210098;3.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京 210098)

随着膜材料和工艺的不断发展，超滤技术已经成为污水深度处理中一个重要的技术选择［1-2］。超滤膜装置结构简单，操作容易，便于维修，与传统的深度处理技术相比，具有出水水质好、占地面积小、自动化程度高等特点，尤其在去除SS、微生物等方面具有很大的优势［3］。

本试验所在的污水处理厂已建成5 万t/d 的污水回用工程，供给周边钢铁厂的循环冷却水，处理工艺为“微絮凝→砂滤→臭氧→氯消毒”。本试验以污水处理厂二沉池出水为原水，研究超滤装置对不同污染物质的去除效果，并与污水处理厂原深度处理工艺中砂滤池的去除效果进行对比。

1 试验材料与方法

1.1 工艺流程

中试装置的处理规模为31.2 m3/d。超滤膜采用SMM-1010 型PVDF 外压中空纤维膜，孔径小于0.1 μm。中试装置包含3 个帘式膜组件，单个膜组件有效膜面积为10 m2。超滤膜比通量为1.66 ～2.11 L/(m2·h·kPa)，反冲洗通量为8.3 L/min，跨膜压差小于或等于50 kPa。每运行30 min 反冲洗1 min。化学反冲洗与水反冲洗同步，药剂采用0.5%柠檬酸溶液，每7 d 1 次。试验期间日平均温度15.1 ～18.8 ℃。出水要求达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准，同时满足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》的要求。

工艺流程如图1 所示。二沉池出水经过加药间加入絮凝剂硫酸铝，通过管道混合器混合絮凝，直接进入浸入式超滤膜中试装置。

图1 工艺流程图

1.2 进水水质

超滤装置进水为污水处理厂二沉池出水，具体水质指标见表1。

由表1 可见，原水的TN、NH3-N、硬度、pH 等指标均符合出水及回用水要求，浑浊度、SS、TP、粪大肠菌群等指标尚不达标。

1.3 检测指标及分析方法

pH 值测定采用雷磁PHS-3C 型pH 计，浑浊度测定采用昕瑞WGZ-20S 浊度计，COD 测定采用快速密闭催化消解法，UV254测定采用UV1102 紫外分光光度计，TN 测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，TP 测定采用钼锑抗分光光度法，NH3-N 测定采用纳式试剂光度法(GB7479—1987)，大肠杆菌及粪大肠杆菌的检测均采用滤膜法(GB5750—85)，SS测定采用重量法。

2 结果与讨论

2.1 投加的最佳絮凝剂质量浓度的确定

污水的浑浊度和有机物浓度等过高，容易增加超滤膜负荷，影响出水水质。混凝作用通过压缩微颗粒表面双电层、电中和及架桥、网捕、吸附等化学物理过程，可将水中的悬浮物、胶体和可絮凝的其他物质聚成絮团，从而将污染物除去。试验在超滤前投加絮凝剂硫酸铝，为了能得到较好的污染物去除效果和较轻的膜污染，试验需讨论投加的最佳絮凝剂质量浓度。试验投加的絮凝剂硫酸铝质量浓度分别为0，2，4，6，8 mg/L。由于超滤工艺对浑浊度、SS、粪大肠菌群的去除起保障作用的，是超滤膜的筛分作用，而不是絮凝剂的絮凝效果［4］，因此，投加的絮凝剂最佳质量浓度主要通过有机物和TP 的去除率以及膜污染情况来确定。其中有机物的去除率通过COD 和UV254的去除率表征，膜污染情况通过跨膜压差的变化表征。

絮凝剂对疏水性及中性有机物的有效去除是其能去除有机物的主要原因［5］，对TP 的去除主要依靠铝离子与正磷酸根结合成不溶性盐。投加的絮凝剂质量浓度与污染物去除率的关系见图2。随着絮凝剂的投加，超滤装置对有机物和TP 去除率有明显的提高，投加的絮凝剂质量浓度在2 ～4 mg/L 时效果最为明显，且可满足出水水质要求，投加的絮凝剂质量浓度超过4 mg/L 后，污染物去除率增长趋缓。

表1 污水处理厂二沉池出水水质

图2 投加的絮凝剂质量浓度与污染物去除率的关系

投加的絮凝剂质量浓度对跨膜压差增量的影响见图3。在10 个反冲洗周期结束后，未投加絮凝剂的跨膜压差增量达到7.6 kPa，而投加絮凝剂的跨膜压差增量低于4.0 kPa。与未投加絮凝剂时相比，跨膜压差的增量明显降低。由图3 可知，跨膜压差增量并未与投加的絮凝剂质量浓度成反比，投加的絮凝剂质量浓度在4 ～6 mg/L 时效果最好，达到8 mg/L后跨膜压差增量反而增加，其主要原因为:投加较小质量浓度的絮凝剂产生的絮体较少，超滤膜表面形成滤饼层的时间长且滤饼层疏松;投加的絮凝剂质量浓度达到8 mg/L 后形成的絮体变多，超滤膜表面形成滤饼层更快且密实，更不容易在反冲洗中被冲洗掉。

图3 投加的絮凝剂质量浓度与跨膜压差增量关系

2.2 超滤装置对污染物的去除效果

2.2.1 浑浊度去除效果

超滤膜孔径小于0.1 μm，能有效截留原水中的悬浮固体和胶体颗粒，对浑浊度有明显的去除效果［6-7］。较砂滤工艺，超滤工艺可截留悬浮物质的粒径远小于砂滤工艺［8］。超滤装置出水和砂滤池出水浑浊度的去除效果对比情况见图4。

图4 超滤装置与砂滤池对浑浊度的去除效果对比

由图4 可看出，当原水浑浊度为4.26 ～8.52 NTU 时，经过超滤处理出水浑浊度为0.17 ～0.49 NTU，平均去除率94%;污水处理厂砂滤池的出水浑浊度为0.75 ～2.00 NTU，平均去除率81%。超滤和砂滤出水虽然都能达到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》的标准，但超滤出水浑浊度明显更小些。

2.2.2 SS 去除效果

超滤装置对SS 的去除主要是依靠物理筛分作用，而砂滤则主要依靠悬浮颗粒与滤料颗粒之间的粘附作用，因此超滤装置对SS 的去除能力强于砂滤［9］。超滤装置对SS 的去除效果见图5。

图5 超滤装置与砂滤池对SS 的去除效果对比

由图5 看出，原水ρ(SS)为22.2 ～38.9 mg/L时，超滤装置出水ρ(SS)为0.4 ～1.0 mg/L，平均去除率97%，悬浮固体几乎全部被超滤膜截留。污水处理厂砂滤池的出水ρ(SS)为2.9 ～7.1 mg/L，平均去除率85%。相比于砂滤池，超滤装置对SS 的去除率高且出水稳定。

2.2.3 COD 去除效果

超滤装置对COD 的去除效果见图6。从图6 可看出，原水中COD 的质量浓度为16.6 ～26.9 mg/L时，超滤装置出水中COD 的质量浓度为2.9 ～9.6 mg/L，平均去除率76%。污水处理厂砂滤池出水中COD 的质量浓度为9.3 ～18.4 mg/L，平均去除率35%。超滤较砂滤的去除效果更加稳定，其主要原因为超滤装置对有机物的去除主要依靠截留吸附作用，当絮凝剂加入到原水后，同胶体物质发生电中和及吸附反应，形成粒径更大的高聚物絮凝体［10］，絮体被超滤膜截留，从而使进水中大分子及胶体有机物得到有效去除［11-12］;而对于可溶性的小分子有机物，混凝作用对其去除效果较差，且超滤膜无法对其有效筛分，因此超滤装置对其基本无去除效果［13］。砂滤对COD 的去除主要依靠絮体和滤料表面的黏附作用［14］，黏附过程主要受滤料和水中颗粒的表面物理化学性质的影响。超滤装置出水中COD 的质量浓度为2.9 ～9.6 mg/L，这已达到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》的标准。

图6 超滤装置与砂滤池对COD 的去除效果对比

2.2.4 TP 去除效果

超滤装置对TP 的去除效果见图7。从图7 可看出，原水中TP 的质量浓度为0.55 ～0.86 mg/L，超滤装置出水中TP 的质量浓度为0.25 ～0. 36 mg/L，平均去除率52%。污水处理厂砂滤池出水中TP 的质量浓度为0.27 ～0.40 mg/L，平均去除率49%，与超滤装置去除率差别不大。超滤装置对TP 的去除机理主要是铝离子与正磷酸根结合产生不溶于水的盐，从而被超滤膜截留［15］，超滤对溶解态的正磷酸根本身去除作用不大，这也是在处理相同硫酸铝投加量的原水情况下，超滤与砂滤TP 去除率接近的原因。

图7 超滤装置与砂滤池对TP 的去除效果对比

2.2.5 粪大肠菌群去除效果

超滤对粪大肠菌群的去处主要依靠其物理筛分作用。超滤装置粪大肠菌群的去除效果见表2。超滤装置对粪大肠菌群的去除率达到100%。超滤膜的孔径小于0.1 μm，而大肠杆菌的大小为1 ～3 μm，理论上可完全去除［16］。超滤工艺出水能满足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》的标准。与砂滤相比，超滤工艺在对粪大肠菌群的去除效果表现出优越性。

表2 超滤装置对粪大肠菌群的去除效果

3 结 论

a. 超滤装置对二沉池出水中SS、浑浊度和粪大肠菌群的去除效果明显，对SS 的去除率大于96%，对浑浊度的去除率大于94%，对粪大肠菌群的去除率达到100%;对COD 的去除率大于76%，高于絮凝+砂滤工艺的去除效果;对TP 的去除率52%，与砂滤处理效果相仿。

b. 现有的进水情况下，超滤装置出水完全满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准的要求，并达到了GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质》中循环冷却用水的水质要求，优于砂滤池出水水质。

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