美国是如何解决市政废水处理中的反渗透膜污染的？

来源：膜分离技术交流

当越来越多的组织、市政和公司开始将再用水作为减少使用水量、降低能源足迹以及控制经费的手段时，常用的技术是低高压膜过滤系统。膜过滤中最常见的挑战是生物污染，由细菌增值所引起，会降低膜的性能。生物污染特别涉及到城市污水处理厂的回收过程，必须考虑具有成本优势且具有其它优点的技术来控制生物污染，如高级氧化。

宾夕法尼亚中部地区的大学联合管理局(UAJA)用高级氧化过程(advanced oxidation process，AOP)来控制反渗透过程中的生物污染。附加的系统同时提高了管理局清除污染物的能力。

大学联合管理局(UAJA)

大学联合管理局为周边的宾夕法尼亚州立大学和州立学院超过80000名居民提供废水收集、处理和水的再用。在不向大学整个校园提供污水处理服务的同时，管理局面临着日益增长的社区，以及长期可持续性和流域保护的需求。附近是一条高品质的冷水渔业的Spring Creek河的源头，因为被定义为“高品质”，排放废水中的热量可能会潜在对其影响，所以宾夕法尼亚州环境保护局(PADEP)对处理后的污水排放的质量和数量进行了严格的限制。

跟RO相关的化学品费用

UAJA的设施符合三级污水排放标准，其中包括州内最严格的排放限制，和0.13 mg/L 的总溶解磷标准。建造于1969年的设备水力涉及容量为3.84 MGD(百万加仑)，管理局在1992年和2002年分别升级了设施。目前，设备最大的月流量为10.56 MGD和5万磅/天的有机物负载。

为了达到PADEP的严格监管，管理局在2002年实施了一项屡获殊荣的水回用计划，并于2005年在其新工厂开始运营。现在将部分处理过的废水排放到Spring Creek中，水质超过州和联邦的饮用水标准。

管理局还为社区提供了包括游泳池、自助洗衣店、洗车、草皮灌溉等过程的回用水。这不仅降低了排向Spring Creek的水总量，还抵消了社区内部分的饮用水需求。

UAJA有益再利用水处理大楼包含一系列的过程，将二次澄清池污水转化为满足联邦和州饮用水要求的供水。最初，该过程由微滤、RO、pH稳定剂、紫外消毒和用于分配残余物的氯化过程组成。在最近的系统升级运行后，管理局发现计划中的间歇性水处理杀虫剂优先进入了RO而不能有效地控制生物污染。为了稳定压力，当局在RO之前安装了氯化和脱氯的组合步骤，每隔几周补充杀虫剂。

在2013年的定期性能检查期间，管理局注意到其回用水中盐通过量和氮浓度升高了。虽然最后的排放废水仍满足标准，但是RO膜已经超过了其使用寿命。管理局选择在2015年更换这些膜组件，将新膜作为过程中的一部分，决定审查与膜操作相关的所有成本，发现其生物污染成本多年来急剧上升。此外，管理局发现其用于现场产生次氯酸钠的设备已磨损，可能需要大量的资金来升级。

高级氧化过程

控制生物污染的一种方法是高级氧化过程(AOP)，其通过羟基自由基的反应来氧化破坏污染物。这些基团是可以在水中使用的最强氧化剂之一，其氧化效率比次氯酸钠高200%。羟基可以氧化水中存在的大多数化合物，包括有机化合物、三氯乙烯(TCE)、内分泌干扰物(EDCs)、N-亚硝基二甲基胺(NDMA)、杀虫剂和药物等。

可能选项的费用

羟基自由基通常由具有能量的氧化剂产生，如臭氧或过氧化氢与紫外光的组合能够制备出高活性的羟基自由基。然而研究表面对二次污水流出物进行单独的臭氧AOP处理。臭氧与次级流出物中的有机物质反应，产生羟基自由基。该反应不需要紫外的额外能量。

AOP替代评估

作为生物污染控制技术审查的一部分，UAJA和RETTEW联系了各种提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或过氧化氢的生产商。RETTEW从微滤流出物中提取样品，并提供给各个供应商，以测试各制造商系统的有效性并确定决定操作经济性的关键性能指标。由于主要目的是为RO提供预处理，所以过氧化氢的有限应用没有足够的经验值得进一步考虑，并不包括在实验室测试规模中。该过程用异养菌平板计数法(heterotrophic plate s)去除作为生物污染控制的关键指标。实验室测试表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同于管理局现有的生物污染控制，并能够将板数降低到最低。

RETTEW随后审查了每个替代方案的实施和经济影响(表2)。所有的选项是为了将现有的处理系统更加经济。

管理局和RETTEW同样考虑了可以被修改为AOP技术的潜在好处。虽然PADEP目前没有规定间接饮用再利用水需要采用AOP，但是国家的趋势表明未来可能会需要用到，因此该方法迅速成为类似管理局的再利用系统的水再利用的必需技术。此外美国环保署水资源利用指南手册建议在间接饮用再利用中实施AOP，管理局最终在其项目的后期阶段实施了此方法。由于AOP可以提供符合国家监管标准和指南的这一附属益处，故优先考虑了该技术。在所测试的替代品中，臭氧可以根据EPA水再利用指南提供给AOP消毒额外的优势。虽然紫外消毒为管理局提供了最大的经济节省，但是臭氧氧化的AOP的潜在长期的优势让管理局选择其作为首选的方法。

UAJA的AOP系统

AOP过程由臭氧生成系统和将臭氧注入RO料液以及二级安全设备组成。系统需求包括：

1.液氧供应

2.臭氧发生器

3.气体冷却和冷却器

4.测流气体注入系统

5.臭氧接触器

6.臭氧淬火喷射系统

7.废气收集和销毁系统

第三方供应商提供氧气，氧气储存在专为此制造的外部冷却塔中。当需要使用时，蒸发器将液氧转化为高纯度气态氧，并在压力作用下将该物质输送到AOP系统中。为提高操作性能，管理局将其氧气冷却至最低零下60华氏度(零下51℃)的露点温度(dew point)。

臭氧发生器将冷冻的气态氧转化为臭氧气体，最大产能为每天53磅(24kg)浓度为5%的臭氧。未来增加气体中的臭氧浓度，能够获得额外的产能。臭氧气体先通过文丘里管注射器(venturi injector)施加到侧流水进料中，然后与RO进料和臭氧接触器混合。

臭氧接触器是一个4200加仑的不锈钢挡板箱，设计是用于提供最小的反应接触时间。基于进行的可处理性研究，在4.0 mg/L臭氧的剂量下，设计的接触时间为5分钟，通过臭氧接触器中的臭氧破坏滑块来去除顶部空间气体控制除气。然后将气体排放到建筑物外部的大气中。管理局监控废气的臭氧浓度，确保无臭氧排放。

作为能够损坏复合RO膜的薄膜部分的侵蚀性氧化剂，管理局必须在水中淬灭残余的臭氧。RETTEW调整了现有化学计量系统的一部分，在RO进料前将液体亚硫酸氢钠进料到水中，可以提供充分的去除和保护。

建设

于2014年夏季开始建设，2015年初开始运作。设备成本低于AOP评估的预期，节省了约10万美元的成本，与AOP部分相关的总项目成本约为80万美元。

截至目前，功率和氧气消耗已经低于预期。操作系统监测总有机碳和相关污染物的减少。目前来说操作系统非常稳定，与使用之前的氯化/脱氯方案相比，使用臭氧对AOP没有任何性能下降。

结论

适当的生物污染控制对于RO系统的成本控制是重要的。然而，任何生物污染控制的经济优势需要定期的评估和修改。虽然AOP技术对于UAJA来说不是特别必要的，但其应用已经被证明是控制膜生物污染成本的有效手段。除去相关的污染物，AOP证明是对传统生物污染控制策略的有效替代方法。

作者：Michele Braas和Jason Wert