美國(guó)是如何解決市政廢水處理中的反滲透膜污染的？

　　當(dāng)越來(lái)越多的組織、市政和公司開(kāi)始將再用水作為減少使用水量、降低能源足跡以及控制經(jīng)費(fèi)的手段時(shí)，常用的技術(shù)是低高壓膜過(guò)濾系統(tǒng)。膜過(guò)濾中最常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是生物污染，由細(xì)菌增值所引起，會(huì)降低膜的性能。生物污染特別涉及到城市污水處理廠的回收過(guò)程，必須考慮具有成本優(yōu)勢(shì)且具有其它優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)來(lái)控制生物污染，如高級(jí)氧化。

　　賓夕法尼亞中部地區(qū)的大學(xué)聯(lián)合管理局(UAJA)用高級(jí)氧化過(guò)程(advanced oxidation process，AOP)來(lái)控制反滲透過(guò)程中的生物污染。附加的系統(tǒng)同時(shí)提高了管理局清除污染物的能力。

　　大學(xué)聯(lián)合管理局(UAJA)

　　大學(xué)聯(lián)合管理局為周邊的賓夕法尼亞州立大學(xué)和州立學(xué)院超過(guò)80000名居民提供廢水收集、處理和水的再用。在不向大學(xué)整個(gè)校園提供污水處理服務(wù)的同時(shí)，管理局面臨著日益增長(zhǎng)的社區(qū)，以及長(zhǎng)期可持續(xù)性和流域保護(hù)的需求。附近是一條高品質(zhì)的冷水漁業(yè)的Spring Creek河的源頭，因?yàn)楸欢x為“高品質(zhì)”，排放廢水中的熱量可能會(huì)潛在對(duì)其影響，所以賓夕法尼亞州環(huán)境保護(hù)局(PADEP)對(duì)處理后的污水排放的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。

　　跟RO相關(guān)的化學(xué)品費(fèi)用

　　UAJA的設(shè)施符合三級(jí)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，其中包括州內(nèi)最嚴(yán)格的排放限制，和0.13 mg/L 的總?cè)芙饬讟?biāo)準(zhǔn)。建造于1969年的設(shè)備水力涉及容量為3.84 MGD(百萬(wàn)加侖)，管理局在1992年和2002年分別升級(jí)了設(shè)施。目前，設(shè)備最大的月流量為10.56 MGD和5萬(wàn)磅/天的有機(jī)物負(fù)載。

　　為了達(dá)到PADEP的嚴(yán)格監(jiān)管，管理局在2002年實(shí)施了一項(xiàng)屢獲殊榮的水回用計(jì)劃，并于2005年在其新工廠開(kāi)始運(yùn)營(yíng)?，F(xiàn)在將部分處理過(guò)的廢水排放到Spring Creek中，水質(zhì)超過(guò)州和聯(lián)邦的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

　　管理局還為社區(qū)提供了包括游泳池、自助洗衣店、洗車(chē)、草皮灌溉等過(guò)程的回用水。這不僅降低了排向Spring Creek的水總量，還抵消了社區(qū)內(nèi)部分的飲用水需求。

　　UAJA有益再利用水處理大樓包含一系列的過(guò)程，將二次澄清池污水轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足聯(lián)邦和州飲用水要求的供水。最初，該過(guò)程由微濾、RO、pH穩(wěn)定劑、紫外消毒和用于分配殘余物的氯化過(guò)程組成。在最近的系統(tǒng)升級(jí)運(yùn)行后，管理局發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中的間歇性水處理殺蟲(chóng)劑優(yōu)先進(jìn)入了RO而不能有效地控制生物污染。為了穩(wěn)定壓力，當(dāng)局在RO之前安裝了氯化和脫氯的組合步驟，每隔幾周補(bǔ)充殺蟲(chóng)劑。

　　在2013年的定期性能檢查期間，管理局注意到其回用水中鹽通過(guò)量和氮濃度升高了。雖然最后的排放廢水仍滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，但是RO膜已經(jīng)超過(guò)了其使用壽命。管理局選擇在2015年更換這些膜組件，將新膜作為過(guò)程中的一部分，決定審查與膜操作相關(guān)的所有成本，發(fā)現(xiàn)其生物污染成本多年來(lái)急劇上升。此外，管理局發(fā)現(xiàn)其用于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生次氯酸鈉的設(shè)備已磨損，可能需要大量的資金來(lái)升級(jí)。

　　高級(jí)氧化過(guò)程

　　控制生物污染的一種方法是高級(jí)氧化過(guò)程(AOP)，其通過(guò)羥基自由基的反應(yīng)來(lái)氧化破壞污染物。這些基團(tuán)是可以在水中使用的最強(qiáng)氧化劑之一，其氧化效率比次氯酸鈉高200%。羥基可以氧化水中存在的大多數(shù)化合物，包括有機(jī)化合物、三氯乙烯(TCE)、內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、N-亞硝基二甲基胺(NDMA)、殺蟲(chóng)劑和藥物等。

　　可能選項(xiàng)的費(fèi)用

　　羥基自由基通常由具有能量的氧化劑產(chǎn)生，如臭氧或過(guò)氧化氫與紫外光的組合能夠制備出高活性的羥基自由基。然而研究表面對(duì)二次污水流出物進(jìn)行單獨(dú)的臭氧AOP處理。臭氧與次級(jí)流出物中的有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基。該反應(yīng)不需要紫外的額外能量。

　　AOP替代評(píng)估

　　作為生物污染控制技術(shù)審查的一部分，UAJA和RETTEW聯(lián)系了各種提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或過(guò)氧化氫的生產(chǎn)商。RETTEW從微濾流出物中提取樣品，并提供給各個(gè)供應(yīng)商，以測(cè)試各制造商系統(tǒng)的有效性并確定決定操作經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于主要目的是為RO提供預(yù)處理，所以過(guò)氧化氫的有限應(yīng)用沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)值得進(jìn)一步考慮，并不包括在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試規(guī)模中。該過(guò)程用異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)法(heterotrophic plate s)去除作為生物污染控制的關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同于管理局現(xiàn)有的生物污染控制，并能夠?qū)鍞?shù)降低到最低。

　　RETTEW隨后審查了每個(gè)替代方案的實(shí)施和經(jīng)濟(jì)影響(表2)。所有的選項(xiàng)是為了將現(xiàn)有的處理系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

　　管理局和RETTEW同樣考慮了可以被修改為AOP技術(shù)的潛在好處。雖然PADEP目前沒(méi)有規(guī)定間接飲用再利用水需要采用AOP，但是國(guó)家的趨勢(shì)表明未來(lái)可能會(huì)需要用到，因此該方法迅速成為類(lèi)似管理局的再利用系統(tǒng)的水再利用的必需技術(shù)。此外美國(guó)環(huán)保署水資源利用指南手冊(cè)建議在間接飲用再利用中實(shí)施AOP，管理局最終在其項(xiàng)目的后期階段實(shí)施了此方法。由于AOP可以提供符合國(guó)家監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和指南的這一附屬益處，故優(yōu)先考慮了該技術(shù)。在所測(cè)試的替代品中，臭氧可以根據(jù)EPA水再利用指南提供給AOP消毒額外的優(yōu)勢(shì)。雖然紫外消毒為管理局提供了最大的經(jīng)濟(jì)節(jié)省，但是臭氧氧化的AOP的潛在長(zhǎng)期的優(yōu)勢(shì)讓管理局選擇其作為首選的方法。

　　UAJA的AOP系統(tǒng)

　　AOP過(guò)程由臭氧生成系統(tǒng)和將臭氧注入RO料液以及二級(jí)安全設(shè)備組成。系統(tǒng)需求包括：

　　1.液氧供應(yīng)

　　2.臭氧發(fā)生器

　　3.氣體冷卻和冷卻器

　　4.測(cè)流氣體注入系統(tǒng)

　　5.臭氧接觸器

　　6.臭氧淬火噴射系統(tǒng)

　　7.廢氣收集和銷(xiāo)毀系統(tǒng)

　　第三方供應(yīng)商提供氧氣，氧氣儲(chǔ)存在專(zhuān)為此制造的外部冷卻塔中。當(dāng)需要使用時(shí)，蒸發(fā)器將液氧轉(zhuǎn)化為高純度氣態(tài)氧，并在壓力作用下將該物質(zhì)輸送到AOP系統(tǒng)中。為提高操作性能，管理局將其氧氣冷卻至最低零下60華氏度(零下51℃)的露點(diǎn)溫度(dew point)。

　　臭氧發(fā)生器將冷凍的氣態(tài)氧轉(zhuǎn)化為臭氧氣體，最大產(chǎn)能為每天53磅(24kg)濃度為5%的臭氧。未來(lái)增加氣體中的臭氧濃度，能夠獲得額外的產(chǎn)能。臭氧氣體先通過(guò)文丘里管注射器(venturi injector)施加到側(cè)流水進(jìn)料中，然后與RO進(jìn)料和臭氧接觸器混合。

　　臭氧接觸器是一個(gè)4200加侖的不銹鋼擋板箱，設(shè)計(jì)是用于提供最小的反應(yīng)接觸時(shí)間?；谶M(jìn)行的可處理性研究，在4.0 mg/L臭氧的劑量下，設(shè)計(jì)的接觸時(shí)間為5分鐘，通過(guò)臭氧接觸器中的臭氧破壞滑塊來(lái)去除頂部空間氣體控制除氣。然后將氣體排放到建筑物外部的大氣中。管理局監(jiān)控廢氣的臭氧濃度，確保無(wú)臭氧排放。

　　作為能夠損壞復(fù)合RO膜的薄膜部分的侵蝕性氧化劑，管理局必須在水中淬滅殘余的臭氧。RETTEW調(diào)整了現(xiàn)有化學(xué)計(jì)量系統(tǒng)的一部分，在RO進(jìn)料前將液體亞硫酸氫鈉進(jìn)料到水中，可以提供充分的去除和保護(hù)。

　　建設(shè)

　　于2014年夏季開(kāi)始建設(shè)，2015年初開(kāi)始運(yùn)作。設(shè)備成本低于AOP評(píng)估的預(yù)期，節(jié)省了約10萬(wàn)美元的成本，與AOP部分相關(guān)的總項(xiàng)目成本約為80萬(wàn)美元。

　　截至目前，功率和氧氣消耗已經(jīng)低于預(yù)期。操作系統(tǒng)監(jiān)測(cè)總有機(jī)碳和相關(guān)污染物的減少。目前來(lái)說(shuō)操作系統(tǒng)非常穩(wěn)定，與使用之前的氯化/脫氯方案相比，使用臭氧對(duì)AOP沒(méi)有任何性能下降。

　　結(jié)論

　　適當(dāng)?shù)纳镂廴究刂茖?duì)于RO系統(tǒng)的成本控制是重要的。然而，任何生物污染控制的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)需要定期的評(píng)估和修改。雖然AOP技術(shù)對(duì)于UAJA來(lái)說(shuō)不是特別必要的，但其應(yīng)用已經(jīng)被證明是控制膜生物污染成本的有效手段。除去相關(guān)的污染物，AOP證明是對(duì)傳統(tǒng)生物污染控制策略的有效替代方法。

　　作者：Michele Braas和Jason Wert

　　翻譯：陶振