美國是如何解決市政廢水處理中的反滲透膜汙染的？

當越來越多的組織、市政和公司開始將再用水作為(wei) 減少使用水量、降低能源足跡以及控製經費的手段時，常用的技術是低高壓膜過濾係統。膜過濾中常見的挑戰是生物汙染，由細菌增值所引起，會(hui) 降低膜的性能。生物汙染特別涉及到城市汙水處理廠的回收過程，必須考慮具有成本優(you) 勢且具有其它優(you) 點的技術來控製生物汙染，如氧化。

    賓夕法尼亞(ya) 中部地區的大學聯合管理局(UAJA)用氧化過程(advancedoxidationprocess，AOP)來控製反滲透過程中的生物汙染。附加的係統同時提高了管理局清除汙染物的能力。

    大學聯合管理局(UAJA)

    大學聯合管理局為(wei) 周邊的賓夕法尼亞(ya) 州立大學和州立學院超過80000名居民提供廢水收集、處理和水的再用。在不向大學整個(ge) 校園提供汙水處理服務的同時，管理局麵臨(lin) 著日益增長的社區，以及長期可持續性和流域保護的需求。附近是一條高品質的冷水漁業(ye) 的SpringCreek河的源頭，因為(wei) 被定義(yi) 為(wei) “高品質”，排放廢水中的熱量可能會(hui) 潛在對其影響，所以賓夕法尼亞(ya) 州環境保護局(PADEP)對處理後的汙水排放的質量和數量進行了嚴(yan) 格的限製。

跟RO相關(guan) 的化學品費用

    跟RO相關(guan) 的化學品費用

    UAJA的設施符合三級汙水排放標準，其中包括州內(nei) 嚴(yan) 格的排放限製，和0.13mg/L的總溶解磷標準。建造於(yu) 1969年的設備水力涉及容量為(wei) 3.84MGD(百萬(wan) 加侖(lun) )，管理局在1992年和2002年分別升級了設施。目前，設備大的月流量為(wei) 10.56MGD和5萬(wan) 磅/天的有機物負載。

    為(wei) 了達到PADEP的嚴(yan) 格監管，管理局在2002年實施了一項屢獲殊榮的水回用計劃，並於(yu) 2005年在其新工廠開始運營。現在將部分處理過的廢水排放到SpringCreek中，水質超過州和聯邦的飲用水標準。

    管理局還為(wei) 社區提供了包括遊泳池、自助洗衣店、洗車、草皮灌溉等過程的回用水。這不僅(jin) 降低了排向SpringCreek的水總量，還抵消了社區內(nei) 部分的飲用水需求。

    UAJA有益再利用水處理大樓包含一係列的過程，將二次澄清池汙水轉化為(wei) 滿足聯邦和州飲用水要求的供水。初，該過程由微濾、RO、pH穩定劑、紫外消毒和用於(yu) 分配殘餘(yu) 物的氯化過程組成。在近的係統升級運行後，管理局發現計劃中的間歇性水處理殺蟲劑優(you) 先進入了RO而不能有效地控製生物汙染。為(wei) 了穩定壓力，當局在RO之前安裝了氯化和脫氯的組合步驟，每隔幾周補充殺蟲劑。

    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量和氮濃度升高了。雖然後的排放廢水仍滿足標準，但是RO膜已經超過了其使用壽命。管理局選擇在2015年更換這些膜組件，將新膜作為(wei) 過程中的一部分，決(jue) 定審查與(yu) 膜操作相關(guan) 的所有成本，發現其生物汙染成本多年來急劇上升。此外，管理局發現其用於(yu) 現場產(chan) 生次氯酸鈉的設備已磨損，可能需要大量的資金來升級。

    氧化過程

    控製生物汙染的一種方法是氧化過程(AOP)，其通過羥基自由基的反應來氧化破壞汙染物。這些基團是可以在水中使用的強氧化劑之一，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化合物，包括有機化合物、三氯乙烯(TCE)、內(nei) 分泌幹擾物(EDCs)、N-亞(ya) 硝基二甲基胺(NDMA)、殺蟲劑和藥物等。

可能選項的費用

    可能選項的費用

    羥基自由基通常由具有能量的氧化劑產(chan) 生，如臭氧或過氧化氫與(yu) 紫外光的組合能夠製備出高活性的羥基自由基。然而研究表麵對二次汙水流出物進行單獨的臭氧AOP處理。臭氧與(yu) 次級流出物中的有機物質反應，產(chan) 生羥基自由基。該反應不需要紫外的額外能量。

    AOP替代評估

    作為(wei) 生物汙染控製技術審查的一部分，UAJA和RETTEW了各種提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或過氧化氫的生產(chan) 商。RETTEW從(cong) 微濾流出物中提取樣品，並提供給各個(ge) 供應商，以測試各製造商係統的有效性並確定決(jue) 定操作經濟性的關(guan) 鍵性能指標。由於(yu) 主要目的是為(wei) RO提供預處理，所以過氧化氫的有限應用沒有足夠的經驗值得進一步考慮，並不包括在實驗室測試規模中。該過程用異養(yang) 菌平板計數法(heterotrophicplates)去除作為(wei) 生物汙染控製的關(guan) 鍵指標。實驗室測試表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同於(yu) 管理局現有的生物汙染控製，並能夠將板數降低到低。

    RETTEW隨後審查了每個(ge) 替代方案的實施和經濟影響(表2)。所有的選項是為(wei) 了將現有的處理係統更加經濟。

    管理局和RETTEW同樣考慮了可以被修改為(wei) AOP技術的潛在好處。雖然PADEP目前沒有規定間接飲用再利用水需要采用AOP，但是國家的趨勢表明未來可能會(hui) 需要用到，因此該方法迅速成為(wei) 類似管理局的再利用係統的水再利用的必需技術。此外美國環保署水資源利用指南手冊(ce) 建議在間接飲用再利用中實施AOP，管理局終在其項目的後期階段實施了此方法。由於(yu) AOP可以提供符合國家監管標準和指南的這一附屬益處，故優(you) 先考慮了該技術。在所測試的替代品中，臭氧可以根據EPA水再利用指南提供給AOP消毒額外的優(you) 勢。雖然紫外消毒為(wei) 管理局提供了大的經濟節省，但是臭氧氧化的AOP的潛在長期的優(you) 勢讓管理局選擇其作為(wei) 的方法。

    UAJA的AOP係統

    AOP過程由臭氧生成係統和將臭氧注入RO料液以及二級安全設備組成。係統需求包括：

    1.液氧供應

    2.臭氧發生器

    3.氣體(ti) 冷卻和冷卻器

    4.測流氣體(ti) 注入係統

    5.臭氧接觸器

    6.臭氧淬火噴射係統

    7.廢氣收集和銷毀係統

    第三方供應商提供氧氣，氧氣儲(chu) 存在專(zhuan) 為(wei) 此製造的外部冷卻塔中。當需要使用時，蒸發器將液氧轉化為(wei) 高純度氣態氧，並在壓力作用下將該物質輸送到AOP係統中。為(wei) 提高操作性能，管理局將其氧氣冷卻至低零下60華氏度(零下51℃)的露點溫度(dewpoint)。

    臭氧發生器將冷凍的氣態氧轉化為(wei) 臭氧氣體(ti) ，大產(chan) 能為(wei) 每天53磅(24kg)濃度為(wei) 5%的臭氧。未來增加氣體(ti) 中的臭氧濃度，能夠獲得額外的產(chan) 能。臭氧氣體(ti) 先通過文丘裏管注射器(venturiinjector)施加到側(ce) 流水進料中，然後與(yu) RO進料和臭氧接觸器混合。

    臭氧接觸器是一個(ge) 4200加侖(lun) 的不鏽鋼擋板箱，設計是用於(yu) 提供小的反應接觸時間。基於(yu) 進行的可處理性研究，在4.0mg/L臭氧的劑量下，設計的接觸時間為(wei) 5分鍾，通過臭氧接觸器中的臭氧破壞滑塊來去除頂部空間氣體(ti) 控製除氣。然後將氣體(ti) 排放到建築物外部的大氣中。管理局監控廢氣的臭氧濃度，確保無臭氧排放。

    作為(wei) 能夠損壞複合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餘(yu) 的臭氧。RETTEW調整了現有化學計量係統的一部分，在RO進料前將液體(ti) 亞(ya) 硫酸氫鈉進料到水中，可以提供充分的去除和保護。

    建設

    於(yu) 2014年夏季開始建設，2015年初開始運作。設備成本低於(yu) AOP評估的預期，節省了約10萬(wan) 美元的成本，與(yu) AOP部分相關(guan) 的總項目成本約為(wei) 80萬(wan) 美元。

    截至目前，功率和氧氣消耗已經低於(yu) 預期。操作係統監測總有機碳和相關(guan) 汙染物的減少。目前來說操作係統非常穩定，與(yu) 使用之前的氯化/脫氯方案相比，使用臭氧對AOP沒有任何性能下降。

    結論

    適當的生物汙染控製對於(yu) RO係統的成本控製是重要的。然而，任何生物汙染控製的經濟優(you) 勢需要定期的評估和修改。雖然AOP技術對於(yu) UAJA來說不是特別必要的，但其應用已經被證明是控製膜生物汙染成本的有效手段。除去相關(guan) 的汙染物，AOP證明是對傳(chuan) 統生物汙染控製策略的有效替代方法。