反渗透系统微生物污染控制的运行效果评估

反渗透系统微生物污染控制的运行效果评估

随着水资源的匮乏和水污染的加剧，反渗透膜不仅保持了海水淡化和苦盐开采的优势，而且近年来在钢铁、石油、化工、市政和其他废水回用领域的应用也有所增加。这是废水回用的中心步骤之一。由于工业和市政废水中较高的COD以及难降解有机物的存在，且地表水水质普遍变差的缘故，使得在废水回用或者高污染地表水处理系统中的反渗透膜元件始终受到来自污染的威胁，因此压差升高或者产水量降低对反渗透膜系统的正常运行产生了严重的影响在反渗透系统的各类污染中，微生物污染出现的频率最高。尽管可以采用非氧化杀菌剂进行连续或间歇的投加，但微生物繁殖迅速、以及生物膜难以控制和彻底清除等特点，导致微生物污染一旦出现便较为棘手除了采用非氧化杀菌剂控制微生物生长之外，笔者亦注意到可以采用超低压差膜组件和定期冲洗等措施来延缓微生物的生长过程。前者通过改进膜组件设计，直接降低系统的初始压差；而后者则是通过频繁的脉冲式冲洗，令一部分粘附力较弱的生物粘泥从进水隔网上剥离。本研究以钢铁工业废水作为水源，考察了这2个因素下微生物污染对反渗透系统的影响，并从实际运行的角度分析微生物污染的工程控制方法，以期为大型废水回用和高污染地表水的反渗透系统运行提供有益的参考。1实验部分1.1反渗透系统设计实验用废水，包括冶炼、轧钢、循环冷却排污水、厂区冲洗水等废水综合后汇入均质池，并经高密度澄清池、V型滤池、多介质过滤器、超滤后进入反渗透系统。经过完善的预处理后，反渗透进水水质较为稳定，其总溶解固体（TDS）的质量浓度为600～900mg/L,COD为40～60mg/L，受到季节影响水温在19～32℃。1.2实验材料反渗透膜元件，I型为超低压差抗污染膜元件，II型为标准抗污染膜元件；流量计、电导率仪、压力传感器，等。1.3实验运行及清洗条件在平行对比的2个反渗透系统（7芯装膜壳）中，分别安装标准抗污染膜元件和超低压差抗污染膜元件，在相同的进水条件下，以相同的系统回收率和通量连续运行。实际运行时，每天至少用反渗透产水进行一次脉冲式冲洗，冲洗时长5min。为了考察微生物污染的效果，该实验的进水只投加还原剂和阻垢剂，不以连续或脉冲的形式投加非氧化杀菌剂。当一段反渗透的标准化压差达到0.30MPa时，即关闭该系统，并随后进行强烈化学清洗以清除生物粘泥，清洗条件如表1所示。系统每隔20min记录1次数据。2结果与讨论2.1超低压差膜元件调节系统的浓水阀门，在不同的进水-浓水流量下测试不同膜元件的一段压差，结果见图1。由图1可知，超低压差膜元件在7芯装膜壳中的一段压差比常规抗污染元件低50%左右，而且随着进水-浓水平均流量的增大，这种优势表现越为明显。较低的初始压差意味着较均匀的系统水力学分布，同时微生物污染的压差起始点更低，也意味着需要更长的时间才能到达化学清洗的压差阈值，因而在理论上具备更长的化学清洗周期。2.2初始的运行通量长期运行时反渗透元件的通量J、回收率R和标准化脱盐率D分别见图2～图4。由图2和图3可知，运行通量和回收率始终在平行对比实验中维持相同，以保证对比结果的公平性。初始的运行通量与反渗透在废水回用系统中的设计导则类似，为15L/（m由图4可知，2种膜组件的初始脱盐率均在98.5%左右。但随着运行时间的推移，膜组件的标准化脱盐率均在投运50～60d后达到99%，并始终稳定维持。值得注意的是，12个月的运行中共进行了6次强烈化学清洗。尤其是经历pH为13.5、温度35℃下的剧烈碱洗之后，在生物粘泥被剥离的同时，并未损伤膜组件的脱盐性能。2.3清洗频率的确定系统的标准化压差直接反映了微生物污染的严重程度，如图5所示。由图5可知，2套系统在安装新膜元件30d后，微生物污染即开始显著出现，表现为标准化压差的迅速增长。在标准化压差达到0.3MPa的清洗阈值之后，该系统停机隔离，并维持另1套系统继续运行至清洗阈值，随后开始进行在线化学清洗。在12个月内的6次化学清洗周期内，超低压差膜元件均可以有效延长化学清洗的时间。表2总结了6次化学清洗的运行周期和对应的年清洗次数，由此即可计算出化学清洗频率以及每个化学清洗周期内超低压差膜元件对化学清洗频率的降低率。由表2可知，尽管进水水温的季节性变化和废水水质的不稳定性，2个系统的化学清洗周期在10～50d波动，而且低压差膜元件对化学清洗周期延长的贡献也不尽相同，但6个化学清洗周期的统计平均结果仍然表明，超低压差膜元件比常规膜元件的化学清洗频率降低了35.6%，平均运行周期由18.9d提升到31.0d。2.4化学冲洗效果笔者注意到，在废水回用系统的实际运行过程中，若是反渗透系统连续运行，而且微生物污染较为严重，则系统的压差也会不间断的持续增长。然而，如果用反渗透产水以一定频率对系统进行脉冲冲洗，冲洗结束恢复运行之后的系统压差往往会有一定程度的下降。压差下降的原因可以归结为一部分与进水流道粘附不牢固的生物膜组织被冲洗水所带走，并在恢复正常运行之后，进水流道的阻塞情况得到了部分改善。图6和图7分别为冲洗和不冲洗的压差对比情况，囿于篇幅，以化学清洗周期1和周期3的压差细节变化为例。由图6和图7可知，在连续运行而且不冲洗的理想条件下，标准化压差所指示的微生物生长没有任何扰动，因而其压差应为理想的指数规律增长。而在定期冲洗的过程中，微生物群落受到冲洗水的脉冲式冲刷，其生长状态每隔一段时间即被扰动，因而其压差表现为多个交叉起落的指数增长曲线。表3为定期6次化学清洗的统计平均结果。由表3可知，无论是定期冲洗还是应用超低压差膜元件，都可以有效延长反渗透系统的化学清洗周期。对于标准和超低压差抗污染膜元件，进行定期冲洗可将清洗周期分别延长11%和32%。在不冲洗和定期冲洗的条件下，应用超低压差膜元件可以分别将清洗周期增加36.6%和增加62.5%。3微生物污染治理在高污染地表水处理和废水回用系统中，反渗透的微生物污染始终是较为常见且棘手的问题。研究从工程实验角度，尝试应用超低压差膜元件和定期冲洗等措施来减缓微生物污