微滤+反渗透：新加坡樟宜2新生水厂双膜系统运行实践
【谷腾环保网讯】新加坡樟宜2新生水项目产水能力22.8万m³/d，设计总回收率＞70%。该项目利用城镇污水处理厂二级出水为原水，经过微滤系统与反渗透系统双膜法两级处理，生产出的新生水用于工业用水及补充饮用水水源。微滤系统对浊度的去除率能够达到93.4%。反渗透系统出水浊度稳定在（0.04±0.01） NTU；总有机碳能够降至（74.42±4.38） μg/L，去除率达99.4%，脱盐率＞99%，出水NH3.N能够达到（0.27±0.03） mg/L。新生水水质不仅满足新加坡新生水水质要求，且优于新加坡及世界卫生组织(WHO)的饮用水标准。通过对反渗透重点位置膜组件的污堵情况分析确认，已使用3年的反渗透膜组件污染物主要为无机组分。
0 引言
新加坡是一个人口稠密、经济发达，但淡水资源严重缺乏的国家。当地政府提出开发“四大水源”战略，即通过淡化海水、新生水、蓄存雨水与进口水四方面，提升淡水自主供给率。新生水作为四大水源之一，正日渐成为新加坡重要的淡水来源。新生水技术利用城市污水处理厂二级处理后的出水，经处理后得到再生水，用于工业用水与补充饮用水水源，这是淡水循环利用领域的重要探索。新加坡自1970年代开始研究新生水技术，并从2002年开始在全国范围内推广应用。如今，新加坡已成为全球领先的新生水技术中心，5家新生水厂年生产新生水量可满足全国近40％的用水需求，且该比例会继续上升，预计到2060年达到55％。
樟宜2新生水厂是目前新加坡5座新生水厂中实际产量最大的，项目自2016年12月1日正式商运起，已稳定运行4年有余。本项目的成功运行在新加坡的水资源循环利用方面发挥了重要作用，也为其他水资源缺乏、分布不均衡的国家与地区提供了很好的借鉴思路。基于樟宜2新生水项目的成功案例，国内也已经开发出了AQUENTTM新生水综合解决方案。樟宜2新生水厂主要通过微滤、反渗透、紫外消毒等技术将城市污水处理厂的二级出水转化为“新水”。其中，微滤膜与反渗透膜双膜系统运行性能值得关注，为了评估双膜系统的运行效果和效率，本文重点研究反渗透膜污堵特性。
1 基本参数与方法
1.1 项目基本信息
新加坡樟宜2新生水项目厂址位于樟宜污水处理厂内，采用污水处理厂二级处理后的出水作为原水。樟宜污水厂进水主要为生活污水，设计处理量为112万m³/d，主体工艺为分段式活性污泥工艺(SFAS)，是世界首座实现稳定运行的主流厌氧氨氧化的污水处理厂。
樟宜2新生水项目，设计产水能力22.8万m³/d，设计总回收率＞70%。项目分为三个区域，分别为进水及均质区（1区）、膜处理车间（2区）、新生水储存及提升泵站（3区）。项目生产的新生水直接用于提供工业用水，并可补入蓄水池作为饮用水水源。新生水项目工艺流程如图1所示，主要通过双膜系统制备新生水。污水处理厂二沉池出水通过进水泵提升，进入自清洗过滤器与微滤系统(MF)，去除水中悬浮物及部分微生物，之后通过反渗透高压泵加压，经过保安过滤器与一级两段反渗透系统(RO)，去除污水中的有机物、可溶性盐类、胶体成分和微生物。RO产水经过紫外消毒系统后，进入新生水储罐，之后泵送至新生水管网。
图1 樟宜2新生水厂新生水制备工艺流程
1.2 双膜系统参数
本项目的新生水制备工艺流程主要依靠微滤与反渗透联合使用的双膜法进行新生水制备，双膜法工艺在国内电子废水和钢铁废水等领域也有广泛应用。双膜系统的参数对新生水制备系统的稳定、有效运行起着至关重要的作用。
1.2.1 微滤系统
工艺中设置自清洗过滤系统（Amiad，Israel）11套，过滤精度为0.5 mm，可根据进水水质变化实现全自动在线清洗。微滤系统包括进水泵、微滤膜设备、压缩空气系统和化学强化反洗单元、就地清洗单元（MF Clean-in-Place，MF CIP）等。微滤进水泵共有4套（3用1备），流量4316 m³/h，扬程25.4m。微滤系统膜组件设计参数见表1。
表1 微滤系统与反渗透系统设计参数
1.2.2 反渗透系统
工艺中设置保安过滤器12台（11用1备），过滤精度5 μm，单台流量1190 m³/h。反渗透系统包括进水池、进水泵、反渗透膜设备、清洗单元以及能量回收装置等。反渗透进水池4座，每座有效容积220 m³，停留时间5.5 min；高压进水泵4台（3用1备）（KSB，Germany），单台流量4400 m³/h，扬程86.5 m；RO系统设计参数见表2。配套RO清洗系统设置酸洗泵、碱洗泵等。每套反渗透装置段间设置1套能量回收系统（FEDCO，America），单台流量570 m³/h。反渗透系统设计参数见表1。
1.2.3 消毒系统和新生水储存系统
管式紫外消毒系统共有8套（7用1备）（Wedeco，Germany），每套处理能力1429 m³/h，额定紫外剂量50 mJ/cm²。设新生水储罐5座，每座容积18000 m³，总容积占设计水量的39%，材质为碳钢内衬环氧树脂，可满足水厂间歇运行或新加坡国家税务局（PUB）临时调配时的水量需求。系统共有新生水提升泵5台（3用2备），流量3167 m³/h，扬程65.5m。
1.3 反渗透膜污堵检测方法
当所有的自动无损检测程序和评估都不能揭示RO系统性能下降的原因时，需要进行元件解剖，用以分析反渗透膜污堵特性，为新生水系统的正常运行提供重要数据参数支持。图2位反渗透膜污堵检测流程。选取樟宜2新生水厂现场，反渗透系统二段的一个膜元件（ESPA2 MAX, Hydranautics, 美国），用于膜解剖，该膜已使用3年。
图2 反渗透膜污堵检测流程
2 结果与讨论
2.1 进出水水量水质
樟宜2新生水厂进出水水质检测分为微生物指标、物理指标、化学指标三大类。微生物指标主要有大肠埃希氏菌和异养细菌；物理指标有色度、电导率、浊度等；化学指标包括氨氮（NH3-N）、铝、氟化物等，各项指标都要求较高。项目设计出水指标要求总计30余项，定期监测产水检测指标达189项，实际处理的新生水水质不但满足新生水水质要求，且优于新加坡的饮用水标准。
项目设计进水水质、2019年上半年实际进、出水水质（部分）及新加坡出水标准见表2。樟宜2新生水厂虽对BOD5(≤30mg/L)等指标要求较新加坡污水排放标准(≤20mg/L)宽松，但实际进水水质良好，为膜系统稳定高效运行提供了有利条件。
表2 樟宜2新生水厂设计与实际进、出水水质及其与相关标准的对比
2.2 双膜系统处理效果
统计2019全年运行双膜系统进水及双膜系统净化，经紫外消毒后的出水指标，如图3所示。微滤系统主要对浊度有明显的去除效果，浊度从微滤系统进水的（2.58±1.02） NTU降至出水平均值（0.17±0.03） NTU，去除率达到93.4%。微滤系统对总有机碳（TOC）无明显去除作用。NH3-N通过微滤系统后有一定程度降低，从微滤系统进水的（3.38±0.84） mg/L降至（2.33±0.77） mg/L。
反渗透系统对浊度、电导率、TOC和NH3-N的去除效果都较为明显，且出水各指标数据离散度小、稳定性高。新加坡地处热带，全年温度较高且恒定，气候条件为膜的稳定高效运行营造了良好环境。反渗透系统出水浊度稳定在（0.04±0.01） NTU；TOC从进水的（12.96±0.23） mg/L降至（74.42±4.38） μg/L，去除率达99.4%。反渗透系统进水电导率数值为617.48~1073.42 μS/cm，出水电导率稳定在（65.31±4.43） μS/cm。NH3-N由（2.33±0.77） mg/L降至（0.27±0.03） mg/L。可见，反渗透系统对TOC及盐分脱除效果极好，产水的该两项指标完全优于饮用水水质标准。
图3 樟宜2新生水厂双膜系统进、出水水质在线监测结果
2.3 双膜系统运行及清洗
2.3.1 微滤系统的运行及清洗
2019年6至9月微滤系统跨膜压差和通量情况如图4所示。在每个过滤周期内，瞬时过膜通量由大于150 L/(m²·h)逐渐降低至50 L/(m²·h)左右，与此同时，跨膜压差同步从小于0.5 bar逐渐升高至1.5 bar甚至以上。微滤在线强化通量维护清洗频率约为2天1次，但就地清洗周期时长并不固定。这是因为目前运行程序设定为：当跨膜压差高于1.5 bar或通量低于40 L/(m²·h)或在线强化通量维护清洗达到60次时，进行微滤系统的恢复性就地清洗。因此，微滤的就地清洗周期在1至2个月之间浮动。
图4 微滤系统跨膜压差及通量变化
2.3.2 反渗透系统的运行及清洗
反渗透系统连续运行时，可根据不同的原水水质，通过调节二段反渗透进水阻力以限制输送至二段反渗透系统的流量，提升一段回收率，调整系统总体运行状态。反渗透进水高压泵维持在6.5 bar左右运行，统计2019年6至9月反渗透系统一段、二段相对压差值(即进水与浓水之间压差)随运行时间的变化情况，如图5所示。
图5 一段及二段反渗透系统的压差变化
每个运行周期中，一段压差自初始1.0 bar快速上升，二段压差初始为1.3 bar左右，但上升较缓慢，说明两段反渗透膜污染均加重，且由于进水水质和产水量的原因，一段膜污染速率更快。每日启停机时对反渗透系统进行冲洗，并根据压差及通量情况采用酸液、碱液进行不同程度化学清洗，低浓度化学清洗周期约10天，就地化学清洗周期约为1~3个月。
2.4 反渗透膜污堵情况
反渗透膜的污堵会导致膜通量下降、产水水质下降等问题，这也是限制污水再生处理 RO 工艺稳定运行的主要问题。解剖反渗透系统二段的膜组件，分别进行物理评价和化学分析测试的膜评价。反渗透系统膜的污堵情况分析，有利于对双膜系统的运行效果和效率进行评估，并为新生水制备工艺的高效运行提供技术支撑。
2.4.1 物理评价
对膜组件进行外部检查发现，盐水密封缺失，玻璃钢外壳存在大量污染物，但渗透管状况良好。
将膜组件打开进行内部检查发现：胶线有明显污染。膜上有浓密的深褐色污垢，粘在表面，很难被刮掉。污垢严重的地方将两片膜叶和间隔层粘在一起，使膜在展开时受到损坏。进水垫片位置也能观察到明显污垢，出水垫片处较为正常，详见图6。
图6 膜组件内部整体状况
（a打开视图， b进水垫片， c膜污染，不易刮掉， d胶线入口， e胶线出口， f、g 膜展开时观察到的膜损伤）
2.4.2 膜评价
2.4.2.1 卤代烃测试
卤代烃测试能够指示膜的卤素损伤情况。从膜表面不同部分切下的3个样品，每份样品的±1 cm×1cm的区域切割后与氢氧化钠和吡啶反应。假如有粉红色形成表明存在卤化有机物，即可确定卤化有机物（如氯或其他卤素）损坏了聚酰胺膜。但对于分析的膜组件，测试结果表现为阴性。这说明膜未受卤素损伤，证明反渗透膜系统在运行中的游离氯控制较好。
2.4.2.2 单元测试
取膜切片，测定“A”和“B”值。“A”值为水通道常数，是渗透流量的函数，A值越高，通过膜的流量就越好。“B”值为盐通道常数，是抗盐性的函数，B指数越高，渗透液中的盐分越多。低A值和中高B值可能表示膜有污染，低A和高B（>10）可能表示已经水垢形成，非常高的A（>50%的制造商出厂值）或B（>500）可能表明膜降解或膜破损。测试所得的A和B的值见表3，分析冲洗前数据，A和通量都小于出厂值，说明膜有污堵；B值和脱盐率均明显劣于出厂值，膜可能存在破损现象；冲洗后，通量增大，B值剧增，脱盐能力几乎丧失，证明膜确实存在破损。
表3 单元测试结果
2.4.2.3 染色试验
在单元测试之后，对膜样片进行龙胆紫染色试验。被机械损坏的薄膜会吸收这种染料，严重损坏区域，甚至会使染-料渗入到背面。如图7所示，膜的染料染色试验阳性，表明膜具有明显损伤。
图7 膜片染色结果
2.4.3 杂质分析
2.4.3.1 烧失量（LOI）
从膜上收集污物，干燥、称重、点燃并重新称重。定义计算如式（1）所示：
LOI可用作样品有机物/水含量的粗略估计，LOI大于约35%时，说明样品中存在明显的有机物。经测定，膜元件膜表面沉积污垢的LOI为15%，说明污垢的主要成分并非有机组分。由于LOI<20%，未进一步进行红外光谱分析和有机化合物定量分析。
2.4.3.2 X射线荧光（XRF）
用X射线束照射从膜表面获得的污物，这些元素被主光束吸收激发，并发射出自己的荧光X射线，从而为氟和铀之间的元素提供了元素分析。未报告的元素即为低于检测限值。从膜组件表面去除污垢的结果分析如表4所示，结果说明污染物主要为无机组分，用氧化物形式表征膜污染物成分，包括CaO、P2O5、SO3和硫酸盐、CaCO3、MgO、Fe2O3。
表4 无机物分析结果
注：硫酸盐定性点检结果为阳性。
2.4.3.3 沉积物重量密度（DWD）
膜元件上切下的膜片分成两部分，一半不经处理作为对照，另一半用去离子水冲洗水，烘干后冷却称重，并测量膜片的宽度和长度。DWD计算如式（2）所示：
结果表明膜表面污垢的沉积重量密度（DWD）约为3.50 mg/cm²。轻污染的典型DWD值为0.05~0.3 mg/cm²；严重污染元素的DWD值>1 mg/cm²，结果表明反渗透膜处于严重污染状态。
2.4.4 避免污堵注意事项及建议
为避免双膜系统出现严重污堵影响出水效率与质量，保证反渗透系统的高效稳定运行，建议可采取如下措施：① 需要定期根据产水电导率情况，评估微滤系统处理效果，对重点位置膜元件进行检测分析，检测方法如1.3中所述。② 为保证双膜系统进水水质达到要求，降低污堵频率，需要定期更换保安过滤器滤芯。③ 及时进行系统清洗，确保系统稳定运行。对于反渗透系统，建议每日启停机时对反渗透系统进行冲洗，并根据压差及通量情况采用酸液、碱液进行不同程度化学清洗。对于微滤系统，在新加坡等温度较高的地区，为了有效避免微生物和部分有机物污染，也要保证足够频率的在线强化通量维护清洗频和就地清洗周期。
3 结论
樟宜2新生水项目采用MF+RO膜法处理城镇污水厂二级处理出水，出水不但满足新生水标准还优于新加坡饮用水标准。MF作为RO的预处理，可有效降低进水浊度，保障RO系统的稳定运行。新生水经双膜系统处理，浊度、电导率、TOC和NH3-N指标都有明显下降，且出水各指标数据离散度小，稳定性高。双膜系统通过规律的周期性清洗，可以保证其运行状态的稳定。通过对已使用3年的重点部位反渗透膜组件的污堵情况分析，部分反渗透膜存在污染和破损状态，污染物主要为无机组分。为保证反渗透系统的高效稳定运行，需要根据产水电导率情况对重点位置膜元件进行检测分析，并重点关注微滤系统处理效果，定期更换保安过滤器滤芯，及时对双膜系统进行系统清洗，确保系统稳定运行。樟宜2新生水项目后续研究将以双膜法的设计与运行两方面为基础，在其降低能耗、减少药耗、优化浓水处理与排放等方面进一步开展研究。
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