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美国是如何解决市政废水处理中的反渗透膜污染

  当越来越多的组织、市政和公司开始将再用水作为减少使用水量、降低能源足迹以及控制经费的手段时,常用的技术是低高压膜过滤系统。膜过滤中最常见的挑战是生物污染,由细菌增值所引起,会降低膜的性能。生物污染特别涉及到城市污水处理厂的回收过程,必须考虑具有成本优势且具有其它优点的技术来控制生物污染,如高级氧化。

  宾夕法尼亚中部地区的大学联合管理局(UAJA)用高级氧化过程(advanced oxidation process,AOP)来控制反渗透过程中的生物污染。附加的系统同时提高了管理局清除污染物的能力。

  大学联合管理局为周边的宾夕法尼亚州立大学和州立学院超过80000名居民提供废水收集、处理和水的再用。在不向大学整个校园提供污水处理服务的同时,管理局面临着日益增长的社区,以及长期可持续性和流域保护的需求。附近是一条高品质的冷水渔业的Spring Creek河的源头,因为被定义为“高品质”,排放废水中的热量可能会潜在对其影响,所以宾夕法尼亚州环境保护局(PADEP)对处理后的污水排放的质量和数量进行了严格的限制。

  UAJA的设施符合三级污水排放标准,其中包括州内最严格的排放限制,和0.13 mg/L 的总溶解磷标准。建造于1969年的设备水力涉及容量为3.84 MGD(百万加仑),管理局在1992年和2002年分别升级了设施。目前,设备最大的月流量为10.56 MGD和5万磅/天的有机物负载。

  为了达到PADEP的严格监管,管理局在2002年实施了一项屡获殊荣的水回用计划,并于2005年在其新工厂开始运营。现在将部分处理过的废水排放到Spring Creek中,水质超过州和联邦的饮用水标准。

  管理局还为社区提供了包括游泳池、自助洗衣店、洗车、草皮灌溉等过程的回用水。这不仅降低了排向Spring Creek的水总量,还抵消了社区内部分的饮用水需求。

  UAJA有益再利用水处理大楼包含一系列的过程,将二次澄清池污水转化为满足联邦和州饮用水要求的供水。最初,该过程由微滤、RO、pH稳定剂、紫外消毒和用于分配残余物的氯化过程组成。在最近的系统升级运行后,管理局发现计划中的间歇性水处理杀虫剂优先进入了RO而不能有效地控制生物污染。为了稳定压力,当局在RO之前安装了氯化和脱氯的组合步骤,每隔几周补充杀虫剂。

  在2013年的定期性能检查期间,管理局注意到其回用水中盐通过量和氮浓度升高了。虽然最后的排放废水仍满足标准,但是RO膜已经超过了其使用寿命。管理局选择在2015年更换这些膜组件,将新膜作为过程中的一部分,决定审查与膜操作相关的所有成本,发现其生物污染成本多年来急剧上升。此外,管理局发现其用于现场产生次氯酸钠的设备已磨损,可能需要大量的资金来升级。

  控制生物污染的一种方法是高级氧化过程(AOP),其通过羟基自由基的反应来氧化破坏污染物。这些基团是可以在水中使用的最强氧化剂之一,其氧化效率比次氯酸钠高200%。羟基可以氧化水中存在的大多数化合物,包括有机化合物、三氯乙烯(TCE)、内分泌干扰物(EDCs)、N-亚硝基二甲基胺(NDMA)、杀虫剂和药物等。

  羟基自由基通常由具有能量的氧化剂产生,如臭氧或过氧化氢与紫外光的组合能够制备出高活性的羟基自由基。然而研究表面对二次污水流出物进行单独的臭氧AOP处理。臭氧与次级流出物中的有机物质反应,产生羟基自由基。该反应不需要紫外的额外能量。

  作为生物污染控制技术审查的一部分,UAJA和RETTEW联系了各种提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或过氧化氢的生产商。RETTEW从微滤流出物中提取样品,并提供给各个供应商,以测试各制造商系统的有效性并确定决定操作经济性的关键性能指标。由于主要目的是为RO提供预处理,所以过氧化氢的有限应用没有足够的经验值得进一步考虑,并不包括在实验室测试规模中。该过程用异养菌平板计数法(heterotrophic plate s)去除作为生物污染控制的关键指标。实验室测试表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同于管理局现有的生物污染控制,并能够将板数降低到最低。

  RETTEW随后审查了每个替代方案的实施和经济影响(表2)。所有的选项是为了将现有的处理系统更加经济。

  管理局和RETTEW同样考虑了可以被修改为AOP技术的潜在好处。虽然PADEP目前没有规定间接饮用再利用水需要采用AOP,但是国家的趋势表明未来可能会需要用到,因此该方法迅速成为类似管理局的再利用系统的水再利用的必需技术。此外美国环保署水资源利用指南手册建议在间接饮用再利用中实施AOP,管理局最终在其项目的后期阶段实施了此方法。由于AOP可以提供符合国家监管标准和指南的这一附属益处,故优先考虑了该技术。在所测试的替代品中,臭氧可以根据EPA水再利用指南提供给AOP消毒额外的优势。虽然紫外消毒为管理局提供了最大的经济节省,但是臭氧氧化的AOP的潜在长期的优势让管理局选择其作为首选的方法。

  AOP过程由臭氧生成系统和将臭氧注入RO料液以及二级安全设备组成。系统需求包括:

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