正滲透膜處理城市生活污水實驗研究

吳益鋒 顧菁華 陳峰 劉衛勇

（1.紹興市嵊新首創污水處理有限公司，浙江 紹興 312000；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司，陜西 延安 716099；3.嵊州市君集污水深度處理有限公司，浙江 紹興 312000）

地球水資源豐富，水域覆蓋面積達70.8%，但對于人類生存需要的淡水資源卻十分有限，僅僅占到不足0.3%，且具有區域分布的特征，東南地區淡水資源豐富，西北地區淡水資源匱乏。隨著人口的逐漸增多以及工業的迅速發展，淡水資源狀況不斷惡化，水資源的浪費和污染日趨嚴重。國家在水資源保護方面制定了大量的政策，給淡水資源的保護提供了有利的支持。我國城市化發展加劇，城市生活用水及污水排放量逐漸加大，排放出的生活污水量增大，給污水處理帶來了較大的壓力。目前城市污水處理方法較多，包括活性污泥法、生物膜過濾等，部分城市污水處理管網設備老舊，基本配套設施完善不足，污水處理效果不達標，脫氮除磷效果不理想。因此，需要在傳統污水處理工藝及實施上有新的推進。膜分離技術作為當前新興水處理技術，具有諸多的優點，被得到了廣泛的推廣和應用。

張高旗等（2013）利用海水作為驅動液，分析了正滲透技術對生活污水的處理效果[1]；崔迎等（2010）分析了正滲透膜分離技術的原理及特征，探討了制備提取液的相關工藝[2]；李潔等（2017）分析了O-MD 集成工藝在海岸城市污水處理的性能指標，證實了該工藝具有高效的FO汲取劑回收率，能較好的除去城市生活污水中污染物[3]；劉曉靜等（2016）介紹了FO 工藝技術原理及方法，探討了在城市污水處理中的應用，展望了FO技術的未來發展[4]。就目前研究及應用情況來看，膜分離技術具有污染低、能源消耗低、處理效果好的優勢，且驅動液可以循環使用，降低了工藝成本。文章通過美國HTI公司生產的TFC-ES正滲透膜設備，以海水作為驅動液，通過分析對城市生活污水的處理，為正滲透膜在城市污水處理的應用提供借鑒。

1 實驗設備及分析流程

實驗設備包括設備支架、正滲透膜組件、塑料桶、電子天平、壓力計、溫度計、離心泵等，在膜組件中原料液和驅動液在膜兩邊進行錯流運行。膜材料為美國HTI公司生產的TFC-ES正滲透膜設備，孔徑0.04μm，利益電子顯微鏡觀察膜表面類似于篩網較為粗糙，結構致密并具有多孔。

實驗原料液來源于城市生活污水排污口調節水池，產生于城市居民樓、地下排污系統、餐館及酒店等城市常見生活設施。一般生活污水在在排出口首先進行沉降，然后通過機械格柵過濾，去除掉大型固體顆粒雜質，然后泵送入調節水池中。對調節水池中污水進行水質化驗，結果見表1所示。

表1 污水調節池水質化驗分析

驅動液來源于海水，使用前需要進行過濾，去除掉里面的雜質，對過濾后的驅動液進行水質分析。實驗過程參考《水與廢水檢測分析方法》，氨氮測定利用納式試劑法，亞硝酸鹽和硝酸鹽的測定利用分光光度法。并利用水通量、截留率、驅動溶液逆向滲透率來評價正滲透膜性能。

2 TFC-ES正滲透膜性能

對于正滲透膜而言在實施過程不同的朝向會給處理帶來不同的效果，由于污水中帶有大量污染物質，因此需要分析不同膜朝向對污水處理系統效果的影響。首選將正滲透膜活性層向原料液，支撐層向驅動液，各自體積皆為50L，實驗溫度為室溫28℃，流量控制為1L/min，實驗設計運行2h，分析過程每隔10分鐘記錄一次驅動液下方電子天平讀數，并計算出水通量大小。并每隔10分鐘在驅動液內進行取樣化驗測定氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽含量，并計算透過量大小得到截留率（FO模式）。然后再將正滲透膜活性層向驅動液，支撐層向原料液，重復進行實驗上述過程（PRO模式）。

實驗結果見圖1所示，觀察發現PRO模式下初始水通量值相對較大，產生了外部濃度差極化和內部濃度差縮小的過程。而FO 模式下活性層位于原料液一側，產生的是外部濃度差縮小和內部濃度差極化的過程。其中PRO 模式下水通量下降幅度較大，由于原料液中含有大量的污染物，污染物極易進入支撐層中，但被正滲透膜致密層所阻隔，在膜孔中形成堵塞，造成正滲透膜孔隙通過性越來越差，內部濃度差逐漸加劇，產生了水通量急劇降低的過程。FO模式下水通量降低較為平緩，這是由于活性層處于原料液一側，污染物被吸附于活性層表面，并被致密層阻隔，無法進入膜內部結構中，因此，在FO 模式下正滲透膜污染程度較低，水通量下降過程較為緩慢。

圖1 膜朝向對水通量的影響

對于污染液中的氮的截留效果實驗分析結果，反應出PRO模式下的透過量大于FO模式，FO模式下正滲透致密層在污水一側，透過膜對氨氮透過性影響較大，造成實驗結束后水通量PRO模式大于FO模式。

3 結語

實驗過程得到的水通量大小以及正滲透膜內外流體濃度差極化效果，與流體動力學和污染溶液本身性質相關，本實驗僅僅是以固定流速來進行分析。整體實驗結果來看兩種模式下截留率都超過了90%，反應出具有較好的污水處理效果。