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简述城镇污水再生回用工程中双膜法技术的应用优势

2020-06-01 340 上传者：管理员

摘要：结合城镇污水处理厂再生水回用工程案例，本文对双膜法技术工艺设计、运行状况等进行介绍和分析。工程实际运行情况表明，双膜法技术可以作为城镇污水处理厂出水的后续处理单元，以实现水质的进一步提升，满足氧化铝生产企业高品质再生水需求。在水资源匮乏地区，双膜法技术用于再生水回用工程，具有显著的综合效益，给城镇污水处理厂再生水回用业务拓展提供了解决方案。

关键词：
再生水
反渗透
城镇污水
污水治理
环境科学
超滤
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截至2016年底，全国建成运行污水处理厂3552座，总污水处理能力为1.76亿m3/d，年累计排放污水573.02亿m3。全国再生水生产能力为3142.3万m3/d，年利用量为50.4亿m3[1]。全国污水再生利用率仅为9.51%，污水再生利用率很低。可见，污水再生水利用还有极大的发展空间。

天津市作为我国水资源较为匮乏的地区，水资源短缺问题越来越制约着城市经济的发展，再生水回用则给解决城市水资源短缺问题提供了可靠的第二水源。面对工业企业的大量用水需求，地表水水资源的使用成本高筑，寻求新的成本相对较低的替代水源成为企业用户的一种必然选择。近年来，超滤（UF）、反渗透（RO）技术的应用日趋成熟、制水成本下降，以膜处理技术手段将城市污水处理厂出水进一步处理，生产可用于工业生产过程的高品质再生水，已越来越受到工业企业用户的重视。

1、工程背景

天津市某污水处理厂设计处理规模为30 000 m3/d，主体采用CASS-混凝沉淀-砂滤工艺。设计处理水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中规定的一级A类标准。为解决水资源短缺问题，当地政府以TOT模式引进合作方，并投资建设污水处理厂再生水回用项目。项目采用超滤-反渗透工艺，将污水处理厂出水处理成为满足氧化铝生产企业需求的高品质再生水，并回用于企业生产过程。

2、设计规模、水质和工艺流程

2.1 设计规模、水质

本工程设计再生水回用规模为18000 m3/d。根据企业当前使用的地表水源水质及企业生产用水水质要求，综合确定再生水供水水质指标。再生水回用项目设计进水水质指标对应一级A排放标准，设计出水水质指标为供水水质标准。回用工程设计进出水指标与地表水源水质指标对比如表1所示。

表1 设计进出水与地表水水质指标对比

2.2 工艺流程

结合水质指标要求和工艺比选分析，确定采用超滤-反渗透-再生水配制工艺作为本项目优选工艺，工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

3、工艺说明及特点

3.1 再生水项目进水情况

污水经CASS-混凝沉淀-砂滤工艺处理后进入再生水处理车间。进水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A类标准，进水水温维持在12～28℃。由于进水水量波动及CASS工艺序批式的运行特点，水量存在较大波动，故在再生水车间前端设置原水缓冲池，起到水量调节的作用，超过再生水车间用水量的污水通过原水缓冲池溢流堰外排。

3.2 超滤系统

超滤系统主要包括UF加压泵、自清洗过滤器、UF过滤模块、反洗及化洗设施等。进水经UF加压泵、自清洗过滤器进入UF过滤模块。超滤系统作为反渗透系统的预处理单元，能有效去除原水中的微生物、大分子有机物及胶体物质等，使处理出水浊度≤0.2NTU、污染指数（SDI）≤3，提高反渗透系统进水水质，增加其运行的安全可靠性和经济性；超滤系统的部分产水还用于与反渗透系统产水混合配水。

3.3 反渗透系统

反渗透系统是本工艺的核心处理单元，其主要包括RO进水泵、保安过滤器、RO加压泵、RO过滤模块、加药及化洗设施等。超滤系统部分产水经RO进水泵、保安过滤器、加压泵送入RO过滤模块，通过反渗透膜实现脱盐，可分离去除大多数盐分及其他污染物质，大幅降低产水中的电导率、CODCr、氨氮等指标。

3.4 配水系统

反渗透产水各项指标均远优于再生水用户用水需求，其生产成本也相对较高。超滤产水水质稳定，但尚达不到用户水质需求。为了实现用水水质和产水成本间的平衡，通过部分超滤产水与反渗透产水混合配水，在满足用水水质标准前提下，尽可能多配入超滤产水，以降低生产成本。配水系统具有实时监测超滤、反渗透产水水质指标、流量指标及流量控制的功能，通过自控程序实时调节超滤产水和反渗透产水的配水比例，使配制后的再生水稳定达到设计出水指标。

3.5 水量平衡

根据污水处理厂出水水质及用户需求水质分析，电导率是再生水回用项目的关键控制指标。污水处理厂一级A出水电导率按2000μS/cm计算，经双膜法处理后的电导率按照10μS/cm计算，以送至用户所需的出水指标（电导率<600μS/cm）作为配水的标准。本回用水项目总进水量为25000 m3/d，超滤产水率为90%，则超滤产水为22500 m3/d。反渗透进水量为17100 m3/d，反渗透系统按75%回收率计算，反渗透产水为12825 m3/d。12825 m3/d反渗透产水与5400 m3/d超滤产水混合配制18225 m3/d再生水用户供水，混合后供水电导率为599.6μS/cm，综合考虑确定本次设计再生水生产规模为18000 m3/d。水量平衡情况如图2所示。

图2 水量平衡图

3.6 工艺特点

本再生水处理项目工艺流程顺畅，布局紧凑。采用外压式中空纤维膜作为超滤系统组件，卷式芳香聚酰胺复合膜作为反渗透系统组件，两者均采用模块化设计，各处理模块均可独立启停，工艺运行灵活，有效提高了系统运行的可靠性和对用户水量需求的适应性。

采用超滤系统作为反渗透系统的预处理单元，极大地提升了反渗透进水水质，减少反渗透膜清洗周期和药剂消耗，降低反渗透系统运行成本，有效延长反渗透膜的使用寿命。

采用实时的配水工艺，通过在线设备实时监测超滤、反渗透出水水质情况，自动实时控制配水比例。在确保供水水质要求情况下，尽可能增加超滤产水配水比例，以降低制水成本。

采用自动化控制设计，利用在线监测仪表实现压力、流量、电导率、浊度等参数的实时监测，采用指示PLC系统对工艺设备进行程序控制。可通过人机界面对系统运行参数进行设置，实现无人值守运行。

4、主要构筑物及设计参数

4.1 再生水处理车间建筑

车间总占地面积为984m2，采用双层布置。地上部分为30.0m×24.5m×6.0m门式刚架轻钢结构，设置超滤模块、反渗透模块、配电室以及控制室等设施。地下部分为32.0m×30.0m×4.7m地下式钢筋砼池体结构，设置原水池、中间水池、泵房、加药及化学清洗等设施。

4.2 原水池

原水池设置1座，尺寸为29.0m×9.9m×4.3m，有效水深为4.0m，有效池容为1 148.4m3，水力停留时间为1.1h，原水池顶部设置溢流堰。

4.3 超滤系统

设计5组UF过滤模块，每组包含95支膜。单支膜有效面积为52m2，设计净通量为44 L/（m2·h）。每组UF过滤模块设计进水量为210m3/h，设计净产水量为196m3/h。设置超滤进水泵3台（2用1备），功率为75 kW，每台进水量为520m3/h。采用200μm自清洗过滤器3台（2用1备），清洗方式为转刷式，单台水量为530m3/h。超滤膜组维护性化学清洗周期为3～7 d，恢复性化学清洗时间间隔为1～3月。

4.4 中间产水池

中间产水池设置1座，尺寸为21.0m×9.0m×4.3m，有效水深为3.9m，有效池容为737.1m3。

4.5 反渗透系统

设计4组RO过滤模块，采用一级两段式设计，每组含33支压力容器，按22∶11分两段排布，每支压力容器内装6支膜元件。每组RO过滤模块设计进水量178 m3/h、净产水量134m3/h、浓水量44m3/h，回收率约为75%。每套RO过滤模块对应1台RO进水泵和1台RO加压泵，进水量均为178m3/h,RO进水泵功率为37kW,RO加压泵功率为110kW。反渗透RO进水泵与RO加压泵之间设置过滤精度为5μm的保安过滤器，每台保安过滤器设计处理水量为210m3/h。运行中根据产水量、压差、透盐率变化判断化学清洗时间，通常在标准化产水量降低10%、进水和浓水之间的标准化压差上升15%或标准化透盐率增加5%以上三个条件之一满足时进行化学清洗。

4.6 配水系统

从超滤系统产水总管引出DN300配水支管，并在配水支管上安装电磁流量计和流量调节阀。超滤产水与反渗透产水混合，配水比例根据两者产水电导率、氨氮等指标进行自动调节。配制完成后的再生水通过送水泵供给企业回用。

5、运行情况

5.1 处理效果

再生水处理项目建成后，经过3个月的调试和试运行，再生水车间处理水质稳定。主要指标处理效果如表2所示。

表2 主要水质指标处理结果

从表2可以看出，超滤系统对浊度有较好的处理效果，超滤系统产水浊度为0.04～0.09 NTU，其能对进水中的悬浮物、微生物、大分子有机物及胶体等物质进行有效去除，对电导率、CODCr、NH4+-N的去除效果则不显著。反渗透系统对各类污染物质均有良好的去除效果，对电导率的去除率达到99%左右，其产水其余污染物质含量极低。混合配制再生水各项指标均达到设计出水标准，满足用户用水水质需求。

5.2 运行问题及改进措施

5.2.1 生物污染问题

再生水项目设计时在超滤系统进水中投加次氯酸钠进行消毒，并在保安过滤器前投加还原剂，去除残留氧化性物质。在实际运行中，该消毒方式无法实现反渗透系统的有效杀菌，致使反渗透系统出现微生物爆发性增长，导致反渗透跨膜压差急剧上升，严重影响系统的稳定运行。为了解决反渗透系统微生物增长的问题，对加药系统进行了改造，在保安过滤器前端新增非氧化性杀菌剂投加设施，从而保证对反渗透系统微生物的杀灭效果。实际运行结果表明，改造后，系统内的微生物污染能实现较好的控制。

5.2.2 系统管路振动破损问题

由于再生水项目可用建设用地紧缺，项目建设时采用了双层布置，地上为UF过滤模块及RO过滤模块等，地下空间为各类设备及进、出水管路。在运行过程中，多条管道出现明显的振动，导致流量、流量等仪表检测数据大幅波动或错误，严重时甚至导致管道频繁破损。经分析，其主要原因是在运行过程中，管道内出现空气集聚或虹吸效应。通过工艺改造，部分管路设置自动排气阀、呼吸阀，有效避免了管道内空气集聚及虹吸效应出现。另外，进行局部设备加固，隔振效果较好，管道破损明显减少。

6、运行成本

通过实际运行，本项目产水量为18 000m3/d，耗电量为16200kW·h/d，以当地综合电价为0.8元/(kW·h)计，则电费为0.72元/m3；药剂耗材费用折合0.161元/m3；按照人员编制4人，工资为5 000元/（月·人）计，人工费为0.037元/m3；设备检修保养等费用为0.06元/m3，直接运行费用为0.978元/m3。

7、结论

经本工艺处理后的再生水水质稳定，能满足企业回用水要求。但将污水处理厂出水用双膜法进一步处理时，须特别注重杀菌系统的设计及杀菌药剂的选择，以有效控制微生物污染。再生水项目直接运行费用为0.978元/m3，企业综合用水成本相较于地表水源，具有明显的经济优势；再生水项目通过双膜法对污水处理厂出水进行进一步处理，使其满足用户高品质再生水需求。该项目可以为城镇污水处理厂再生水回用提供有益借鉴，该类项目的发展具有很好的前景，能带来明显的经济效益、环境效益和社会效益。

参考文献：

[1]中国城镇供水排水协会.城镇排水统计年鉴2016[M].北京:中国统计出版社,2016.

李和林.双膜法技术在城镇污水再生回用工程中的应用[J].中国资源综合利用,2020,38(05):174-177.