反滲透系統(tǒng)微生物污染控制的運(yùn)行效果評估

反滲透系統(tǒng)微生物污染控制的運(yùn)行效果評估

隨著水資源的匱乏和水污染的加劇，反滲透膜不僅保持了海水淡化和苦鹽開采的優(yōu)勢，而且近年來在鋼鐵、石油、化工、市政和其他廢水回用領(lǐng)域的應(yīng)用也有所增加。這是廢水回用的中心步驟之一。由于工業(yè)和市政廢水中較高的COD以及難降解有機(jī)物的存在，且地表水水質(zhì)普遍變差的緣故，使得在廢水回用或者高污染地表水處理系統(tǒng)中的反滲透膜元件始終受到來自污染的威脅，因此壓差升高或者產(chǎn)水量降低對反滲透膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響在反滲透系統(tǒng)的各類污染中，微生物污染出現(xiàn)的頻率最高。盡管可以采用非氧化殺菌劑進(jìn)行連續(xù)或間歇的投加，但微生物繁殖迅速、以及生物膜難以控制和徹底清除等特點(diǎn)，導(dǎo)致微生物污染一旦出現(xiàn)便較為棘手除了采用非氧化殺菌劑控制微生物生長之外，筆者亦注意到可以采用超低壓差膜組件和定期沖洗等措施來延緩微生物的生長過程。前者通過改進(jìn)膜組件設(shè)計，直接降低系統(tǒng)的初始壓差；而后者則是通過頻繁的脈沖式?jīng)_洗，令一部分粘附力較弱的生物粘泥從進(jìn)水隔網(wǎng)上剝離。本研究以鋼鐵工業(yè)廢水作為水源，考察了這2個因素下微生物污染對反滲透系統(tǒng)的影響，并從實際運(yùn)行的角度分析微生物污染的工程控制方法，以期為大型廢水回用和高污染地表水的反滲透系統(tǒng)運(yùn)行提供有益的參考。1實驗部分1.1反滲透系統(tǒng)設(shè)計實驗用廢水，包括冶煉、軋鋼、循環(huán)冷卻排污水、廠區(qū)沖洗水等廢水綜合后匯入均質(zhì)池，并經(jīng)高密度澄清池、V型濾池、多介質(zhì)過濾器、超濾后進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。經(jīng)過完善的預(yù)處理后，反滲透進(jìn)水水質(zhì)較為穩(wěn)定，其總?cè)芙夤腆w（TDS）的質(zhì)量濃度為600～900mg/L,COD為40～60mg/L，受到季節(jié)影響水溫在19～32℃。1.2實驗材料反滲透膜元件，I型為超低壓差抗污染膜元件，II型為標(biāo)準(zhǔn)抗污染膜元件；流量計、電導(dǎo)率儀、壓力傳感器，等。1.3實驗運(yùn)行及清洗條件在平行對比的2個反滲透系統(tǒng)（7芯裝膜殼）中，分別安裝標(biāo)準(zhǔn)抗污染膜元件和超低壓差抗污染膜元件，在相同的進(jìn)水條件下，以相同的系統(tǒng)回收率和通量連續(xù)運(yùn)行。實際運(yùn)行時，每天至少用反滲透產(chǎn)水進(jìn)行一次脈沖式?jīng)_洗，沖洗時長5min。為了考察微生物污染的效果，該實驗的進(jìn)水只投加還原劑和阻垢劑，不以連續(xù)或脈沖的形式投加非氧化殺菌劑。當(dāng)一段反滲透的標(biāo)準(zhǔn)化壓差達(dá)到0.30MPa時，即關(guān)閉該系統(tǒng)，并隨后進(jìn)行強(qiáng)烈化學(xué)清洗以清除生物粘泥，清洗條件如表1所示。系統(tǒng)每隔20min記錄1次數(shù)據(jù)。2結(jié)果與討論2.1超低壓差膜元件調(diào)節(jié)系統(tǒng)的濃水閥門，在不同的進(jìn)水-濃水流量下測試不同膜元件的一段壓差，結(jié)果見圖1。由圖1可知，超低壓差膜元件在7芯裝膜殼中的一段壓差比常規(guī)抗污染元件低50%左右，而且隨著進(jìn)水-濃水平均流量的增大，這種優(yōu)勢表現(xiàn)越為明顯。較低的初始壓差意味著較均勻的系統(tǒng)水力學(xué)分布，同時微生物污染的壓差起始點(diǎn)更低，也意味著需要更長的時間才能到達(dá)化學(xué)清洗的壓差閾值，因而在理論上具備更長的化學(xué)清洗周期。2.2初始的運(yùn)行通量長期運(yùn)行時反滲透元件的通量J、回收率R和標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率D分別見圖2～圖4。由圖2和圖3可知，運(yùn)行通量和回收率始終在平行對比實驗中維持相同，以保證對比結(jié)果的公平性。初始的運(yùn)行通量與反滲透在廢水回用系統(tǒng)中的設(shè)計導(dǎo)則類似，為15L/（m由圖4可知，2種膜組件的初始脫鹽率均在98.5%左右。但隨著運(yùn)行時間的推移，膜組件的標(biāo)準(zhǔn)化脫鹽率均在投運(yùn)50～60d后達(dá)到99%，并始終穩(wěn)定維持。值得注意的是，12個月的運(yùn)行中共進(jìn)行了6次強(qiáng)烈化學(xué)清洗。尤其是經(jīng)歷pH為13.5、溫度35℃下的劇烈堿洗之后，在生物粘泥被剝離的同時，并未損傷膜組件的脫鹽性能。2.3清洗頻率的確定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化壓差直接反映了微生物污染的嚴(yán)重程度，如圖5所示。由圖5可知，2套系統(tǒng)在安裝新膜元件30d后，微生物污染即開始顯著出現(xiàn)，表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化壓差的迅速增長。在標(biāo)準(zhǔn)化壓差達(dá)到0.3MPa的清洗閾值之后，該系統(tǒng)停機(jī)隔離，并維持另1套系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行至清洗閾值，隨后開始進(jìn)行在線化學(xué)清洗。在12個月內(nèi)的6次化學(xué)清洗周期內(nèi)，超低壓差膜元件均可以有效延長化學(xué)清洗的時間。表2總結(jié)了6次化學(xué)清洗的運(yùn)行周期和對應(yīng)的年清洗次數(shù)，由此即可計算出化學(xué)清洗頻率以及每個化學(xué)清洗周期內(nèi)超低壓差膜元件對化學(xué)清洗頻率的降低率。由表2可知，盡管進(jìn)水水溫的季節(jié)性變化和廢水水質(zhì)的不穩(wěn)定性，2個系統(tǒng)的化學(xué)清洗周期在10～50d波動，而且低壓差膜元件對化學(xué)清洗周期延長的貢獻(xiàn)也不盡相同，但6個化學(xué)清洗周期的統(tǒng)計平均結(jié)果仍然表明，超低壓差膜元件比常規(guī)膜元件的化學(xué)清洗頻率降低了35.6%，平均運(yùn)行周期由18.9d提升到31.0d。2.4化學(xué)沖洗效果筆者注意到，在廢水回用系統(tǒng)的實際運(yùn)行過程中，若是反滲透系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，而且微生物污染較為嚴(yán)重，則系統(tǒng)的壓差也會不間斷的持續(xù)增長。然而，如果用反滲透產(chǎn)水以一定頻率對系統(tǒng)進(jìn)行脈沖沖洗，沖洗結(jié)束恢復(fù)運(yùn)行之后的系統(tǒng)壓差往往會有一定程度的下降。壓差下降的原因可以歸結(jié)為一部分與進(jìn)水流道粘附不牢固的生物膜組織被沖洗水所帶走，并在恢復(fù)正常運(yùn)行之后，進(jìn)水流道的阻塞情況得到了部分改善。圖6和圖7分別為沖洗和不沖洗的壓差對比情況，囿于篇幅，以化學(xué)清洗周期1和周期3的壓差細(xì)節(jié)變化為例。由圖6和圖7可知，在連續(xù)運(yùn)行而且不沖洗的理想條件下，標(biāo)準(zhǔn)化壓差所指示的微生物生長沒有任何擾動，因而其壓差應(yīng)為理想的指數(shù)規(guī)律增長。而在定期沖洗的過程中，微生物群落受到?jīng)_洗水的脈沖式?jīng)_刷，其生長狀態(tài)每隔一段時間即被擾動，因而其壓差表現(xiàn)為多個交叉起落的指數(shù)增長曲線。表3為定期6次化學(xué)清洗的統(tǒng)計平均結(jié)果。由表3可知，無論是定期沖洗還是應(yīng)用超低壓差膜元件，都可以有效延長反滲透系統(tǒng)的化學(xué)清洗周期。對于標(biāo)準(zhǔn)和超低壓差抗污染膜元件，進(jìn)行定期沖洗可將清洗周期分別延長11%和32%。在不沖洗和定期沖洗的條件下，應(yīng)用超低壓差膜元件可以分別將清洗周期增加36.6%和增加62.5%。3微生物污染治理在高污染地表水處理和廢水回用系統(tǒng)中，反滲透的微生物污染始終是較為常見且棘手的問題。研究從工程實驗角度，嘗試應(yīng)用超低壓差膜元件和定期沖洗等措施來減緩微生物污