微濾+反滲透：新加坡樟宜2新生水廠雙膜系統(tǒng)運行實踐
導 讀
新加坡樟宜2新生水項目產(chǎn)水能力22.8萬m³/d，設計總回收率＞70%。該項目利用城鎮(zhèn)污水處理廠二級出水為原水，經(jīng)過微濾系統(tǒng)與反滲透系統(tǒng)雙膜法兩級處理，生產(chǎn)出的新生水用于工業(yè)用水及補充飲用水水源。微濾系統(tǒng)對濁度的去除率能夠達到93.4%。反滲透系統(tǒng)出水濁度穩(wěn)定在（0.04±0.01） NTU；總有機碳能夠降至（74.42±4.38） μg/L，去除率達99.4%，脫鹽率＞99%，出水NH3.N能夠達到（0.27±0.03） mg/L。新生水水質(zhì)不僅滿足新加坡新生水水質(zhì)要求，且優(yōu)于新加坡及世界衛(wèi)生組織(WHO)的飲用水標準。通過對反滲透重點位置膜組件的污堵情況分析確認，已使用3年的反滲透膜組件污染物主要為無機組分。
0 引言
新加坡是一個人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達，但淡水資源嚴重缺乏的國家。當?shù)卣岢鲩_發(fā)“四大水源”戰(zhàn)略，即通過淡化海水、新生水、蓄存雨水與進口水四方面，提升淡水自主供給率。新生水作為四大水源之一，正日漸成為新加坡重要的淡水來源。新生水技術利用城市污水處理廠二級處理后的出水，經(jīng)處理后得到再生水，用于工業(yè)用水與補充飲用水水源，這是淡水循環(huán)利用領域的重要探索。新加坡自1970年代開始研究新生水技術，并從2002年開始在全國范圍內(nèi)推廣應用。如今，新加坡已成為全球領先的新生水技術中心，5家新生水廠年生產(chǎn)新生水量可滿足全國近40％的用水需求，且該比例會繼續(xù)上升，預計到2060年達到55％。
樟宜2新生水廠是目前新加坡5座新生水廠中實際產(chǎn)量最大的，項目自2016年12月1日正式商運起，已穩(wěn)定運行4年有余。本項目的成功運行在新加坡的水資源循環(huán)利用方面發(fā)揮了重要作用，也為其他水資源缺乏、分布不均衡的國家與地區(qū)提供了很好的借鑒思路�；谡烈�2新生水項目的成功案例，國內(nèi)也已經(jīng)開發(fā)出了AQUENTTM新生水綜合解決方案。樟宜2新生水廠主要通過微濾、反滲透、紫外消毒等技術將城市污水處理廠的二級出水轉化為“新水”。其中，微濾膜與反滲透膜雙膜系統(tǒng)運行性能值得關注，為了評估雙膜系統(tǒng)的運行效果和效率，本文重點研究反滲透膜污堵特性。
1 基本參數(shù)與方法
1.1 項目基本信息
新加坡樟宜2新生水項目廠址位于樟宜污水處理廠內(nèi)，采用污水處理廠二級處理后的出水作為原水。樟宜污水廠進水主要為生活污水，設計處理量為112萬m³/d，主體工藝為分段式活性污泥工藝(SFAS)，是世界首座實現(xiàn)穩(wěn)定運行的主流厭氧氨氧化的污水處理廠。
樟宜2新生水項目，設計產(chǎn)水能力22.8萬m³/d，設計總回收率＞70%。項目分為三個區(qū)域，分別為進水及均質(zhì)區(qū)（1區(qū)）、膜處理車間（2區(qū)）、新生水儲存及提升泵站（3區(qū)）。項目生產(chǎn)的新生水直接用于提供工業(yè)用水，并可補入蓄水池作為飲用水水源。新生水項目工藝流程如圖1所示，主要通過雙膜系統(tǒng)制備新生水。污水處理廠二沉池出水通過進水泵提升，進入自清洗過濾器與微濾系統(tǒng)(MF)，去除水中懸浮物及部分微生物，之后通過反滲透高壓泵加壓，經(jīng)過保安過濾器與一級兩段反滲透系統(tǒng)(RO)，去除污水中的有機物、可溶性鹽類、膠體成分和微生物。RO產(chǎn)水經(jīng)過紫外消毒系統(tǒng)后，進入新生水儲罐，之后泵送至新生水管網(wǎng)。
圖1 樟宜2新生水廠新生水制備工藝流程
1.2 雙膜系統(tǒng)參數(shù)
本項目的新生水制備工藝流程主要依靠微濾與反滲透聯(lián)合使用的雙膜法進行新生水制備，雙膜法工藝在國內(nèi)電子廢水和鋼鐵廢水等領域也有廣泛應用。雙膜系統(tǒng)的參數(shù)對新生水制備系統(tǒng)的穩(wěn)定、有效運行起著至關重要的作用。
1.2.1 微濾系統(tǒng)
工藝中設置自清洗過濾系統(tǒng)（Amiad，Israel）11套，過濾精度為0.5 mm，可根據(jù)進水水質(zhì)變化實現(xiàn)全自動在線清洗。微濾系統(tǒng)包括進水泵、微濾膜設備、壓縮空氣系統(tǒng)和化學強化反洗單元、就地清洗單元（MF Clean-in-Place，MF CIP）等。微濾進水泵共有4套（3用1備），流量4316 m³/h，揚程25.4m。微濾系統(tǒng)膜組件設計參數(shù)見表1。
表1 微濾系統(tǒng)與反滲透系統(tǒng)設計參數(shù)
1.2.2 反滲透系統(tǒng)
工藝中設置保安過濾器12臺（11用1備），過濾精度5 μm，單臺流量1190 m³/h。反滲透系統(tǒng)包括進水池、進水泵、反滲透膜設備、清洗單元以及能量回收裝置等。反滲透進水池4座，每座有效容積220 m³，停留時間5.5 min；高壓進水泵4臺（3用1備）（KSB，Germany），單臺流量4400 m³/h，揚程86.5 m；RO系統(tǒng)設計參數(shù)見表2。配套RO清洗系統(tǒng)設置酸洗泵、堿洗泵等。每套反滲透裝置段間設置1套能量回收系統(tǒng)（FEDCO，America），單臺流量570 m³/h。反滲透系統(tǒng)設計參數(shù)見表1。
1.2.3 消毒系統(tǒng)和新生水儲存系統(tǒng)
管式紫外消毒系統(tǒng)共有8套（7用1備）（Wedeco，Germany），每套處理能力1429 m³/h，額定紫外劑量50 mJ/cm²。設新生水儲罐5座，每座容積18000 m³，總容積占設計水量的39%，材質(zhì)為碳鋼內(nèi)襯環(huán)氧樹脂，可滿足水廠間歇運行或新加坡國家稅務局（PUB）臨時調(diào)配時的水量需求。系統(tǒng)共有新生水提升泵5臺（3用2備），流量3167 m³/h，揚程65.5m。
1.3 反滲透膜污堵檢測方法
當所有的自動無損檢測程序和評估都不能揭示RO系統(tǒng)性能下降的原因時，需要進行元件解剖，用以分析反滲透膜污堵特性，為新生水系統(tǒng)的正常運行提供重要數(shù)據(jù)參數(shù)支持。圖2位反滲透膜污堵檢測流程。選取樟宜2新生水廠現(xiàn)場，反滲透系統(tǒng)二段的一個膜元件（ESPA2 MAX, Hydranautics, 美國），用于膜解剖，該膜已使用3年。
圖2 反滲透膜污堵檢測流程
2 結果與討論
2.1 進出水水量水質(zhì)
樟宜2新生水廠進出水水質(zhì)檢測分為微生物指標、物理指標、化學指標三大類。微生物指標主要有大腸埃希氏菌和異養(yǎng)細菌；物理指標有色度、電導率、濁度等；化學指標包括氨氮（NH3-N）、鋁、氟化物等，各項指標都要求較高。項目設計出水指標要求總計30余項，定期監(jiān)測產(chǎn)水檢測指標達189項，實際處理的新生水水質(zhì)不但滿足新生水水質(zhì)要求，且優(yōu)于新加坡的飲用水標準。
項目設計進水水質(zhì)、2019年上半年實際進、出水水質(zhì)（部分）及新加坡出水標準見表2。樟宜2新生水廠雖對BOD5(≤30mg/L)等指標要求較新加坡污水排放標準(≤20mg/L)寬松，但實際進水水質(zhì)良好，為膜系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行提供了有利條件。
表2 樟宜2新生水廠設計與實際進、出水水質(zhì)及其與相關標準的對比
2.2 雙膜系統(tǒng)處理效果
統(tǒng)計2019全年運行雙膜系統(tǒng)進水及雙膜系統(tǒng)凈化，經(jīng)紫外消毒后的出水指標，如圖3所示。微濾系統(tǒng)主要對濁度有明顯的去除效果，濁度從微濾系統(tǒng)進水的（2.58±1.02） NTU降至出水平均值（0.17±0.03） NTU，去除率達到93.4%。微濾系統(tǒng)對總有機碳（TOC）無明顯去除作用。NH3-N通過微濾系統(tǒng)后有一定程度降低，從微濾系統(tǒng)進水的（3.38±0.84） mg/L降至（2.33±0.77） mg/L。
反滲透系統(tǒng)對濁度、電導率、TOC和NH3-N的去除效果都較為明顯，且出水各指標數(shù)據(jù)離散度小、穩(wěn)定性高。新加坡地處熱帶，全年溫度較高且恒定，氣候條件為膜的穩(wěn)定高效運行營造了良好環(huán)境。反滲透系統(tǒng)出水濁度穩(wěn)定在（0.04±0.01） NTU；TOC從進水的（12.96±0.23） mg/L降至（74.42±4.38） μg/L，去除率達99.4%。反滲透系統(tǒng)進水電導率數(shù)值為617.48~1073.42 μS/cm，出水電導率穩(wěn)定在（65.31±4.43） μS/cm。NH3-N由（2.33±0.77） mg/L降至（0.27±0.03） mg/L。可見，反滲透系統(tǒng)對TOC及鹽分脫除效果極好，產(chǎn)水的該兩項指標完全優(yōu)于飲用水水質(zhì)標準。
圖3 樟宜2新生水廠雙膜系統(tǒng)進、出水水質(zhì)在線監(jiān)測結果
2.3 雙膜系統(tǒng)運行及清洗
2.3.1 微濾系統(tǒng)的運行及清洗
2019年6至9月微濾系統(tǒng)跨膜壓差和通量情況如圖4所示。在每個過濾周期內(nèi)，瞬時過膜通量由大于150 L/(m²·h)逐漸降低至50 L/(m²·h)左右，與此同時，跨膜壓差同步從小于0.5 bar逐漸升高至1.5 bar甚至以上。微濾在線強化通量維護清洗頻率約為2天1次，但就地清洗周期時長并不固定。這是因為目前運行程序設定為：當跨膜壓差高于1.5 bar或通量低于40 L/(m²·h)或在線強化通量維護清洗達到60次時，進行微濾系統(tǒng)的恢復性就地清洗。因此，微濾的就地清洗周期在1至2個月之間浮動。
圖4 微濾系統(tǒng)跨膜壓差及通量變化
2.3.2 反滲透系統(tǒng)的運行及清洗
反滲透系統(tǒng)連續(xù)運行時，可根據(jù)不同的原水水質(zhì)，通過調(diào)節(jié)二段反滲透進水阻力以限制輸送至二段反滲透系統(tǒng)的流量，提升一段回收率，調(diào)整系統(tǒng)總體運行狀態(tài)。反滲透進水高壓泵維持在6.5 bar左右運行，統(tǒng)計2019年6至9月反滲透系統(tǒng)一段、二段相對壓差值(即進水與濃水之間壓差)隨運行時間的變化情況，如圖5所示。
圖5 一段及二段反滲透系統(tǒng)的壓差變化
每個運行周期中，一段壓差自初始1.0 bar快速上升，二段壓差初始為1.3 bar左右，但上升較緩慢，說明兩段反滲透膜污染均加重，且由于進水水質(zhì)和產(chǎn)水量的原因，一段膜污染速率更快。每日啟停機時對反滲透系統(tǒng)進行沖洗，并根據(jù)壓差及通量情況采用酸液、堿液進行不同程度化學清洗，低濃度化學清洗周期約10天，就地化學清洗周期約為1~3個月。
2.4 反滲透膜污堵情況
反滲透膜的污堵會導致膜通量下降、產(chǎn)水水質(zhì)下降等問題，這也是限制污水再生處理 RO 工藝穩(wěn)定運行的主要問題。解剖反滲透系統(tǒng)二段的膜組件，分別進行物理評價和化學分析測試的膜評價。反滲透系統(tǒng)膜的污堵情況分析，有利于對雙膜系統(tǒng)的運行效果和效率進行評估，并為新生水制備工藝的高效運行提供技術支撐。
2.4.1 物理評價
對膜組件進行外部檢查發(fā)現(xiàn)，鹽水密封缺失，玻璃鋼外殼存在大量污染物，但滲透管狀況良好。
將膜組件打開進行內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)：膠線有明顯污染。膜上有濃密的深褐色污垢，粘在表面，很難被刮掉。污垢嚴重的地方將兩片膜葉和間隔層粘在一起，使膜在展開時受到損壞。進水墊片位置也能觀察到明顯污垢，出水墊片處較為正常，詳見圖6。
圖6 膜組件內(nèi)部整體狀況
（a打開視圖， b進水墊片， c膜污染，不易刮掉， d膠線入口， e膠線出口， f、g 膜展開時觀察到的膜損傷）
2.4.2 膜評價
2.4.2.1 鹵代烴測試
鹵代烴測試能夠指示膜的鹵素損傷情況。從膜表面不同部分切下的3個樣品，每份樣品的±1 cm×1cm的區(qū)域切割后與氫氧化鈉和吡啶反應。假如有粉紅色形成表明存在鹵化有機物，即可確定鹵化有機物（如氯或其他鹵素）損壞了聚酰胺膜。但對于分析的膜組件，測試結果表現(xiàn)為陰性。這說明膜未受鹵素損傷，證明反滲透膜系統(tǒng)在運行中的游離氯控制較好。
2.4.2.2 單元測試
取膜切片，測定“A”和“B”值。“A”值為水通道常數(shù)，是滲透流量的函數(shù)，A值越高，通過膜的流量就越好。“B”值為鹽通道常數(shù)，是抗鹽性的函數(shù)，B指數(shù)越高，滲透液中的鹽分越多。低A值和中高B值可能表示膜有污染，低A和高B（>10）可能表示已經(jīng)水垢形成，非常高的A（>50%的制造商出廠值）或B（>500）可能表明膜降解或膜破損。測試所得的A和B的值見表3，分析沖洗前數(shù)據(jù)，A和通量都小于出廠值，說明膜有污堵；B值和脫鹽率均明顯劣于出廠值，膜可能存在破損現(xiàn)象；沖洗后，通量增大，B值劇增，脫鹽能力幾乎喪失，證明膜確實存在破損。
表3 單元測試結果
2.4.2.3 染色試驗
在單元測試之后，對膜樣片進行龍膽紫染色試驗。被機械損壞的薄膜會吸收這種染料，嚴重損壞區(qū)域，甚至會使染-料滲入到背面。如圖7所示，膜的染料染色試驗陽性，表明膜具有明顯損傷。
圖7 膜片染色結果
2.4.3 雜質(zhì)分析
2.4.3.1 燒失量（LOI）
從膜上收集污物，干燥、稱重、點燃并重新稱重。定義計算如式（1）所示：
LOI可用作樣品有機物/水含量的粗略估計，LOI大于約35%時，說明樣品中存在明顯的有機物。經(jīng)測定，膜元件膜表面沉積污垢的LOI為15%，說明污垢的主要成分并非有機組分。由于LOI<20%，未進一步進行紅外光譜分析和有機化合物定量分析。
2.4.3.2 X射線熒光（XRF）
用X射線束照射從膜表面獲得的污物，這些元素被主光束吸收激發(fā)，并發(fā)射出自己的熒光X射線，從而為氟和鈾之間的元素提供了元素分析。未報告的元素即為低于檢測限值。從膜組件表面去除污垢的結果分析如表4所示，結果說明污染物主要為無機組分，用氧化物形式表征膜污染物成分，包括CaO、P2O5、SO3和硫酸鹽、CaCO3、MgO、Fe2O3。
表4 無機物分析結果
注：硫酸鹽定性點檢結果為陽性。
2.4.3.3 沉積物重量密度（DWD）
膜元件上切下的膜片分成兩部分，一半不經(jīng)處理作為對照，另一半用去離子水沖洗水，烘干后冷卻稱重，并測量膜片的寬度和長度。DWD計算如式（2）所示：
結果表明膜表面污垢的沉積重量密度（DWD）約為3.50 mg/cm²。輕污染的典型DWD值為0.05~0.3 mg/cm²；嚴重污染元素的DWD值>1 mg/cm²，結果表明反滲透膜處于嚴重污染狀態(tài)。
2.4.4 避免污堵注意事項及建議
為避免雙膜系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重污堵影響出水效率與質(zhì)量，保證反滲透系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，建議可采取如下措施：① 需要定期根據(jù)產(chǎn)水電導率情況，評估微濾系統(tǒng)處理效果，對重點位置膜元件進行檢測分析，檢測方法如1.3中所述。② 為保證雙膜系統(tǒng)進水水質(zhì)達到要求，降低污堵頻率，需要定期更換保安過濾器濾芯。③ 及時進行系統(tǒng)清洗，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對于反滲透系統(tǒng)，建議每日啟停機時對反滲透系統(tǒng)進行沖洗，并根據(jù)壓差及通量情況采用酸液、堿液進行不同程度化學清洗。對于微濾系統(tǒng)，在新加坡等溫度較高的地區(qū)，為了有效避免微生物和部分有機物污染，也要保證足夠頻率的在線強化通量維護清洗頻和就地清洗周期。
3 結論
樟宜2新生水項目采用MF+RO膜法處理城鎮(zhèn)污水廠二級處理出水，出水不但滿足新生水標準還優(yōu)于新加坡飲用水標準。MF作為RO的預處理，可有效降低進水濁度，保障RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。新生水經(jīng)雙膜系統(tǒng)處理，濁度、電導率、TOC和NH3-N指標都有明顯下降，且出水各指標數(shù)據(jù)離散度小，穩(wěn)定性高。雙膜系統(tǒng)通過規(guī)律的周期性清洗，可以保證其運行狀態(tài)的穩(wěn)定。通過對已使用3年的重點部位反滲透膜組件的污堵情況分析，部分反滲透膜存在污染和破損狀態(tài)，污染物主要為無機組分。為保證反滲透系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，需要根據(jù)產(chǎn)水電導率情況對重點位置膜元件進行檢測分析，并重點關注微濾系統(tǒng)處理效果，定期更換保安過濾器濾芯，及時對雙膜系統(tǒng)進行系統(tǒng)清洗，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。樟宜2新生水項目后續(xù)研究將以雙膜法的設計與運行兩方面為基礎，在其降低能耗、減少藥耗、優(yōu)化濃水處理與排放等方面進一步開展研究。
微信對原文有修改。原文標題：新加坡樟宜2新生水廠雙膜系統(tǒng)運行性能及反滲透膜污堵特性；作者：朱曜曜、吳云生、安瑩玉；作者單位：北控水務（中國）投資有限公司產(chǎn)品中心、北京市再生水水質(zhì)安全保障工程技術研究中心�？窃凇督o水排水》2021年第11期。
文章來源：給水排水
