纳滤膜技术用于淋浴水回用的实验研究

左莉¹ 侯立安¹　罗敏²　郭珍珍³
（1.第二炮兵工程设计研究院 2.清华大学环境科学与工程系 3.中国电子工程设计研究院）

1 概述

　　淋浴水是各类排水中水质最稳定，汇集容易，便于净化，可就近回用的水资源。它约占生活污水量的30%，属于良质污水。表1归纳淋浴水的一些水质特征。

表1 淋浴污水的水质 pH 臭 浊度NTU LASmg/L COD_Crmg/L TOCmg/l 电导率μs/cm 硬度mg/L(以CaCO₃计) 细菌总数个/mL 大肠菌群个/L 7.71 芳香 60.3 4.89 191 58.6 521 360 无法计数 20

　　国外有关淋浴水回用的研究主要表现在两个方面^[1-3]：美国宇航局关于太空站需要可行且能耗低的淋浴水回用设备。国内也进行了一些淋浴水作为中水回用的研究^[4，5]。他们的水处理工艺基本表现为微滤、超滤、反渗透及常规处理工艺。

2 工艺简介

　　淋浴水回用的工艺流程简介如下：

2.1 预处理工艺
2.1.1 加药
　　采用中国科学院生态环境中心制聚合铝，借鉴KunioEbie等^[6]的修正烧杯试验方法确定聚合铝的最佳投药量为12mg/L，从泵前投药至进入絮凝过滤器约2min。
2.1.2 微絮凝过滤器
　　根据烧杯试验结果，我们采用直径10cm的陶粒柱（装填高度70cm）进行试验，滤速控制在10m/h。在试验条件下，整个预处理工艺（陶粒过滤-5微米滤芯过滤）对有机物的去除率不高，约30%左右，对浊度的去除达83.1%，但从污染指数SDI来看预处理效果能够满足膜进水的SDI（≤5）要求。
2.1.3 5微米过滤器
　　作为纳滤膜的保安过滤器，保证纳滤膜的安全正常使用。
2.2 纳滤膜组合工艺
　　纳滤膜是一种介于超滤与反渗透之间的分离膜，本试验选用美国Trisep公司TS80-4040膜（其截留分子量280-300，为聚酰胺复合膜），并联方式运行，试验以0.7MPa作为最佳的操作压力，回收率在75%左右（采用浓水回流系统）。淋浴水温一般为37～40℃，这有利于提高膜的产水量。假设由于补充新鲜水，使混合膜进水水温为30℃（在冬季会低些），此时膜产水量较25℃增加17%，这将节省设备投资。

3 纳滤膜设备对淋浴水处理效果评价

3.1 常规水质分析
　　操作压力为0.7MPa下膜进出水的水质特征见表2。

表2 TS80膜的进出水水质 测定项目 TS80膜 进水 产水 去除率% 电导率　　 μs/cm 566 33 94.2 TOC　　　　 mg/L 11.6～75.7 0～7.4 80.5～100 耗氧量　　　 mg/L 57.55 4.38 92.4 浊度　　　　 NTU 10.2 0.46 95.5 LAS　　　　 mg/L 3.21 0.26 91.9 氨氮　　　　 mg/L 0.14 0.11 21.4 碱度　　　　 mg/L 246.81 18.94 92.3 pH 7.75～8.61 6.40～7.35 - 水温　　　　 ℃ 14～30 硬度（CaCO₃计）mg/L 330 16 95.2 Ca²⁺　　　　 mg/L 66.68 0.5998 99.1 Mg²⁺　　　　 mg/L 32.43 0.2592 99.2 Al³⁺ mg/L 0.1950 0.0154 92.1 Na⁺　　　　　 mg/L 9.970 1.564 84.3 K⁺ mg/L 3.637 0.6254 82.8 Fe²⁺　　　　mg/L 0.5758 0.1685 70.7 Cu²⁺　　　　 　　　　mg/L 0.0180 0.0000 ＞99.5 Pb³⁺　　　　 mg/L 0.0331 0.0296 10.6 Cl^-　　　　　 mg/L 18.64 4.73 74.4 HCO₃^-*　　　 mg/L 246.81 18.94 92.3 SO₄^2-　　　　 mg/L 52.1 0.53 99.0

3.1.1 对离子的去除
　　从表1可看出，TS80膜对钙、镁离子的去除率很高，达99%以上，这一点也可从硬度的去除效果得出（95.2%）。对单价离子的去除较二价或多价离子稍低，在80%左右。除Al³⁺以外，阳离子的去除率随离子有效半径的增加而增加，阴离子也表现出同样的趋势。
3.1.2 pH值的变化
　　TS80膜产水的pH值较进水pH值下降1.3个单位。这是由于CO₃^2-,HCO₃^-,CO₂,OH^-和H⁺透过膜的能力不同，原先进水的平衡被破坏而造成的，故产水pH值为6.40～7.35。
3.1.3 对阴离子洗涤剂（LAS）的去除
　　在试验条件下，TS80膜对LAS的去除率在91.9%，这是因为：TS80膜虽然属于传统软化膜，但是表面活性剂容易吸附在膜面上，并显著的影响膜表面电荷，其中阴离子洗涤剂能使膜面上负电荷增强，等电点降低^[7]，从而使TS80膜表面呈一定的电负性，因此对阴离子洗涤剂的去除率高。同时，阴离子洗涤剂的分子量也决定了它的高去除率。
3.2 微生物分析
　　由于人的口腔、鼻子及喉咙中常含有白假丝酵母、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌^[1]，所以本研究中除常规微生物分析外，还采用这三种微生物作为受试生物，结果见表3。 表3 微生物的分析结果 水样 细菌总数(个/mL) 大肠菌群(个/L) 金黄色葡萄球菌(个/L) 绿铜假单胞菌(个/L) 白假丝单胞菌(个/L) 污水 无法计数 20 未检出 未检出 4 预处理出水 无法计数 20 未检出 未检出 1 纳滤膜出水 85 ＜3 未检出 未检出 未检出

　　从表3可以看出，纳滤膜对细菌有很好的去除率，其出水满足GB5749-85的微生物学指标。这说明利用纳滤膜作为物理消毒方法以取代常规的化学消毒是可行的。

4 纳滤膜设备的系统设计

　　对于反渗透膜，通常采用金字塔排列、单个压力容器内装6根卷式膜组件、无浓水循环结构以获得较高的回收率。但是，由于进水盐浓度低和一价离子去除率低，使纳滤膜系统的进水压力和渗透压比反渗透要低得多。因此纳滤系统的水头损失不能象反渗透系统那样被忽略，传统的反渗透设计结构已经不适于纳滤系统，这意味着对于纳滤系统不同的组件排列或级、段设计或不同的膜组件设计将会有更好的效果。
　　Eriksson^[9]认为纳滤系统可采用渗透回压、增设中间加压泵和浓水回流等三种方法来提高回收率。通过比较，我们在淋浴水纳滤膜处理中采用一段浓水回流系统（回流至中间水箱），以获得最大的水利用率（回收率），运行情况见表4。

表4 TS80膜的运行情况 时间min 水样 pH 电导率μs/cm 压力MPa 中间水箱水的体积L 流量L/h 浊度NTU TOC 温度℃ 0 进水 7.75 512 99.3 318 16 产水 6.40 23 0.7 24.1 30 进水 7.80 587 84.7 17 产水 6.48 24 0.7 23.7 60 进水 7.93 677 74.2 17 产水 6.65 27 0.7 23.4 90 进水 8.10 777 63.5 18.9 17 产水 6.78 33 0.71 23.1 0.2 120 进水 8.22 921 52.1 18 产水 6.95 42 0.70 22.8 180 进水 8.48 1350 29.3 43.5 19 产水 7.20 78 0.71 21.3 1.3 210 进水 8.61 1840 17.9 59.1 75.7 20 产水 7.35 121 0.71 19.8 0.27 2.5

　　由表4可以计算出TS80膜的最大回收率Y为：（99.3-17.9）/99.3=82.0%，此时，膜的产水量下降了28.4%（经温度修正），这说明膜已受到污染，需要清洗。而在运行了180min后，膜的产水量就已经下降了20.5%，此时回收率为70.5%。因此，建议在实际运行时，纳滤膜的回收率控制在75%，这可相对减缓膜的污染。
　　随着回流运转时间的增大，由于浓水污染物浓度不断增加，同时pH值亦升高，使得膜进水中的溶质浓度及pH值增加，而溶质透过膜是与进水中溶质浓度直接相关的，所以产水中的电导率和pH值也逐渐增高。产水中TOC升高的原因可以认为是：①随着回流次数的增加，膜面上产生了较高的浓差极化；②高浓度的TOC和电导率会压缩膜面上的电荷密度，使得膜对某些有机物的排斥力减小。此外，某些有机物的分子结构在高TOC和含盐量（TDS）环境下会发生变化，使得这些有机物难以被膜去除^[10]。回流试验表明：循环系统的膜污染问题值得注意。

5 结论

　　1.直接过滤—纳滤组合工艺用于淋浴水回用在技术上是可行的。纳滤膜出水水质达到现行的生活饮用水标准（GB5749-85），能够满足淋浴水回用的要求。
　　2.建议纳滤系统的操作压力为0.7MPa，回收率75%（采用浓水回流系统）。
　　3.纳滤膜对无机盐去除是靠离子的电荷密度，有效半径和膜间的静电作用，对中性物质的去除是靠尺寸大小，对有机物的去除决定于有机物的结构特征（如分子量、极性）与有机物同膜间的相互作用关系。
　　4.纳滤膜对病原菌等微生物有很高的去除率，膜出水没有检出白假丝酵母、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌。这说明利用纳滤膜作为物理消毒方法，以取代常规的化学消毒方法是可行的。

参考文献

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