排泥水膜分离法资源化利用的基础数据研究

（延安市自来水公司，陕西 延安 716000）

近年来，美国、日本、欧洲的自来水厂一般都配置了较完善的自动化程度高的排泥水处理和污泥处置设施，其中离心机脱水、加压过滤脱水得到广泛应用。我国自来水厂排泥水处理并不普遍，据不完全统计，国内净水厂具有完善排泥水处理设施的不足10%。然而，从环境保护和水资源持续发展的角度出发，对自来水厂排泥水资源化利用是未来发展的最终方向[1]。研究自来水厂排泥水资源化利用，有助于维持生态环境动态平衡，保证自来水厂安全运行，降低经营成本。

我国自来水排泥水处理概念的提出始于20世纪80年代，1996-2001年，石家庄润石水厂、北京第九水厂、上海闵行水厂、深圳市梅林水厂等先后建立了排泥水处理设施。《中华人民共和国水法》总则第一条，提出了“合理开发、利用、节约和保护水资源，防治水害，实现水资源可持续利用，适应国民经济社会发展的需要”的总方向。《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）明确提出排泥水处理设计的基本规定，可见国家已经开始重视自来水厂排泥水的治理，但其对排泥水资源化利用还没有提出具体要求。因此，研究自来水厂排泥水处理资源化利用既符合《中华人民共和国水法》精神，又符合《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）的规定。

自来水生产过程中产生2%～4%的排泥水，排泥水的传统处理方法是絮凝-浓缩-沉淀-离心分离工艺，处理设施设备占地面积较大，处理后的废水达到排放标准后可以直接排到河道。但从循环经济资源化利用角度出发，人们希望利用膜分离的方法对排泥水进行泥水分离，将分离后干净的液相进行水质分析，考察其循环利用的基础数据，并将分离后的固相泥样进行理化分析，考察其资源化利用的基础理化数据。通过综合分析这些基础数据，笔者探索了排泥水资源化利用新方法的可行性技术基础路径，旨在为排泥水资源化利用奠定试验基础。

1 试验方法

将沉淀池或反冲池排泥水加入排泥水膜分离系统的膜池中，使排泥水浸没中空纤维膜，用压缩空气在排泥水中曝气，防止中空纤维膜堵塞。在抽吸水泵的作用下，对排泥水进行过滤浓缩，达到排泥水的固液分离目的。按照《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750—2006）方法对排泥水膜分离系统进水和出水的浊度、色度、臭和味、肉眼可见物、耗氧量、氨氮7项水质指标进行分析对比。浓缩排泥水在150℃下烘干5 h，形成泥样，对固相成分进行差热分析、热重分析、扫描电镜能谱分析，探索排泥水泥样的理化信息。

1.1 试验仪器

排泥水膜分离系统（定制）；哈希浊度仪，型号2100N；可见分光光度计，型号7230G；pH计；德国耐驰热重分析仪NETZSGH STA 449F3；牛津扫描电子显微镜能谱仪；X射线衍射仪；磁力搅拌器；真空抽滤泵。

1.2 中空纤维膜材料技术参数

膜材料为PVDF，形状为中空纤维，内径为250～300 μm；外径为350～400 μm；微孔尺寸为0.1～0.2 μm，壁厚为40～50 μm，孔隙率为40%～50%；拉伸强度为120 MPa，pH值范围为0～14，透气率大于700 cm3/（cm2·s·cm Hg）。

1.3 膜片技术参数

膜面积大于2 m2；纤维膜数量为4 000×0.4 m， 工作压力为0.02～0.05 MPa；悬浮液的固含量小于0.5 mg/L；微生物的去除率大于99%；适应温度保持在4～45℃；纯水透过量为20 L/h（25℃）；膜片连接材料ABS采用密封材料聚氨酯或环氧树脂；配件材料UPVC的膜片尺寸为300 mm×450 mm。

1.4 膜分离试验原理

排泥水膜分离系统由中空纤维膜片、膜池、清水池、抽吸水泵、反冲洗水泵、空气压缩机、出水负压表、反冲洗压力表、空气流量计、电路控制系统等部件组成。在膜分离系统冲洗水泵的作用下，排泥水中小于0.2 μm水分子和气体分子透过中空纤维膜，沿着4 000根中空纤维250～300 μm的内壁汇集到抽吸管道，流入清水池；排泥水中粒径大于0.2 μm的固体悬浮颗粒、细菌、有机高分子等被截留在膜池，不断进行生化反应、降解，从而实现排泥水的泥水分离。与传统方法相比，膜分离系统具有出水水质稳定、占地面积小、生化效率高等特点。

试验用排泥水膜分离原理如图1所示，排泥水膜分离试验设备如图2所示。

图1 排泥水膜分离原理

1.5 试验步骤

拧开水泵注水螺丝，给抽吸水泵和反冲洗水泵泵壳注水。将10.0 L排泥水注入膜池，打开压缩机开关，曝气量大于20∶1，空气流量调至6 L/min，对膜池中排泥水曝气30 min。打开膜分离系统开关至手动，打开抽吸泵旋钮，排出系统残留液体。出水清澈后，关闭抽吸泵旋钮和系统开关。停机3 min后，将系统开关旋转至自动，系统自动运行。执行出水时间8 min，停止出水2 min的自动运行程序。系统运行平稳后，取排泥水水样500 mL，出水水样500 mL，测试两个水样的浊度、色度、pH值、耗氧量和氨氮等指标。取排泥水水样500 mL，用0.2 μm滤膜进行真空抽滤，获取排泥水中固相成分，对固相成分进行差热分析、热重分析、扫描电镜能谱分析，探索泥样的理化信息。

图2 排泥水膜分离试验设备

2 数据分析

2.1 膜分离试验运行技术要求

过滤形式为错流过滤；透过方式为外压式；工作压力（负压）小于0.05 MPa；曝气量（气水比）大于20∶1；曝气形式为微孔曝气；COD去除率达到95%；短时间耐氯极限为100 mg/L；短时间耐过氧水极限为200 mg/L；中空纤维膜清洗方式为水冲洗或气水冲洗；化学清洗采用2%氢氧化钠溶液。

2.2 液相水质检测

在沉淀池排泥时间段，取15 L排泥水在膜分离系统中进行试验。按照《生活饮用水标准检验方法》（GB/T 5750—2006）方法对排泥水膜分离系统进水和出水的浊度、色度、臭和味、肉眼可见物、耗氧量、氨氮7项水质指标进行分析，具体数据如表1所示。通过对排泥水膜分离前后初步常规水质分析可以看出，膜分离后，水质明显改善，浊度色度大幅减小，具备将排泥水资源化利用并转化为原水的水质指标可行性条件[2]。

2.3 固相理化检测

2.3.1 X射线衍射分析

X射线管照射铜靶，电压为40.0 kV，电流为30.0 mA，试样切片为9.0 mm。连续扫描范围为10.0～80.0，扫描速度为8°/min。XRD结果显示，排泥水固相成分主要含有伊利石-蒙脱石、钾长石和石英等矿物，如图3所示。

表1 排泥水膜分离前后液相常规指标

图3 排泥水固相成分X衍射图谱

2.3.2 热重分析

取少量真空抽滤的排泥水泥样，在耐驰热重分析仪中测试，保护气体为氮气，流速为30 mL/min；冲扫气体1为氮气，流速为60 mL/min；吹扫气体2为氧气，流速为20 mL/min；升温速度为-253.15℃/min；升温范围为30～900℃。开展热重分析试验，得到排泥水固相成分热重分析曲线、排泥水固相成分差热分析曲线，如图4、图5所示。

由图4可以看出，温度升高至170℃左右，泥样失重率达到65%。由图5可以看出，150℃时出现吸热峰，说明泥样中的水分以结合水为主，普通离心分离较难完全去除泥样水分。

2.3.3 扫描电镜能谱分析

将含水分的排泥水泥样放在300℃烘箱中干燥1 h，冷却后，用研钵研成粉体，用导电胶带制成两个试样，然后利用牛津电子显微镜进行扫描和能谱分析，得到图5排泥水固相成分扫描电镜能谱分析结果。

由图6可以看出，排泥水泥样中主要成分为Al、Si、O等元素，这与XRD的结果相吻合。对干燥后的排泥水固相成分进行形貌扫描，结果发现，试样中含有尺度在10 μm以上的晶体硬团聚颗粒，也含有一些片状团聚颗粒。

图4 排泥水固相成分热重分析曲线

图5 排泥水固相成分差热分析曲线

图6 排泥水固相成分扫描电镜能谱分析

3 结论

通过中空纤维膜对排泥水进行泥水分离，试验初步证明，利用膜分离法对排泥水进行资源化利用在技术上是可行的。要想进一步使排泥水处理效果、效率、效益达到平衡和最优化，人们可以尝试开展其他种类膜片处理系统的试验研究。膜分离作为排泥水资源化利用的新技术，可以有效净化液相水质，试验数据表明，膜处理排泥水可以使出水常规水质指标大幅提高，为排泥水液相资源化回用提供可能。膜分离排泥水后，对泥样进行差热分析、X射线衍射分析和扫描电子显微镜能谱分析，结果表明，排泥水固相成分主要含有伊利石-蒙脱石、钾长石和石英等矿物，泥样中的水分子以结合水的状态存在，较难处理，根据这些信息，人们可以探索排泥水浓缩成分在涂料开发领域的应用。从现在的研究来看，中空纤维膜分离系统虽然具有很多优点，但是在之前的研究中排泥水上清液出现重金属汞元素和细菌的浓缩现象，膜分离系统可能还需要进一步细化研究。