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美國是如何解決市政廢水處理中的反滲透膜污染的?

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美國是如何解決市政廢水處理中的反滲透膜污染的?

發布日期:2017-03-17 00:00 來源:http://www.q2pz.com 點擊:

當越來越多的組織、市政和公司開始將再用水作為減少使用水量、降低能源足跡以及控制經費的手段時,常用的技術是低高壓膜過濾系統。膜過濾中最常見的挑戰是生物污染,由細菌增值所引起,會降低膜的性能。生物污染特別涉及到城市污水處理廠的回收過程,必須考慮具有成本優勢且具有其它優點的技術來控制生物污染,如高級氧化。

賓夕法尼亞中部地區的大學聯合管理局(UAJA)用高級氧化過程(advanced oxidation process,AOP)來控制反滲透過程中的生物污染。附加的系統同時提高了管理局清除污染物的能力。

大學聯合管理局(UAJA)

大學聯合管理局為周邊的賓夕法尼亞州立大學和州立學院超過80000名居民提供廢水收集、處理和水的再用。在不向大學整個校園提供污水處理服務的同時,管理局面臨著日益增長的社區,以及長期可持續性和流域保護的需求。附近是一條高品質的冷水漁業的Spring Creek河的源頭,因為被定義為“高品質”,排放廢水中的熱量可能會潛在對其影響,所以賓夕法尼亞州環境保護局(PADEP)對處理后的污水排放的質量和數量進行了嚴格的限制。

跟RO相關的化學品費用

UAJA的設施符合三級污水排放標準,其中包括州內最嚴格的排放限制,和0.13 mg/L 的總溶解磷標準。建造于1969年的設備水力涉及容量為3.84 MGD(百萬加侖),管理局在1992年和2002年分別升級了設施。目前,設備最大的月流量為10.56 MGD和5萬磅/天的有機物負載。

為了達到PADEP的嚴格監管,管理局在2002年實施了一項屢獲殊榮的水回用計劃,并于2005年在其新工廠開始運營。現在將部分處理過的廢水排放到Spring Creek中,水質超過州和聯邦的飲用水標準。

管理局還為社區提供了包括游泳池、自助洗衣店、洗車、草皮灌溉等過程的回用水。這不僅降低了排向Spring Creek的水總量,還抵消了社區內部分的飲用水需求。

UAJA有益再利用水處理大樓包含一系列的過程,將二次澄清池污水轉化為滿足聯邦和州飲用水要求的供水。最初,該過程由微濾、RO、pH穩定劑、紫外消毒和用于分配殘余物的氯化過程組成。在最近的系統升級運行后,管理局發現計劃中的間歇性水處理殺蟲劑優先進入了RO而不能有效地控制生物污染。為了穩定壓力,當局在RO之前安裝了氯化和脫氯的組合步驟,每隔幾周補充殺蟲劑。

在2013年的定期性能檢查期間,管理局注意到其回用水中鹽通過量和氮濃度升高了。雖然最后的排放廢水仍滿足標準,但是RO膜已經超過了其使用壽命。管理局選擇在2015年更換這些膜組件,將新膜作為過程中的一部分,決定審查與膜操作相關的所有成本,發現其生物污染成本多年來急劇上升。此外,管理局發現其用于現場產生次氯酸鈉的設備已磨損,可能需要大量的資金來升級。

高級氧化過程

控制生物污染的一種方法是高級氧化過程(AOP),其通過羥基自由基的反應來氧化破壞污染物。這些基團是可以在水中使用的最強氧化劑之一,其氧化效率比次氯酸鈉高200%。羥基可以氧化水中存在的大多數化合物,包括有機化合物、三氯乙烯(TCE)、內分泌干擾物(EDCs)、N-亞硝基二甲基胺(NDMA)、殺蟲劑和藥物等。

可能選項的費用

羥基自由基通常由具有能量的氧化劑產生,如臭氧或過氧化氫與紫外光的組合能夠制備出高活性的羥基自由基。然而研究表面對二次污水流出物進行單獨的臭氧AOP處理。臭氧與次級流出物中的有機物質反應,產生羥基自由基。該反應不需要紫外的額外能量。

AOP替代評估

作為生物污染控制技術審查的一部分,UAJA和RETTEW聯系了各種提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或過氧化氫的生產商。RETTEW從微濾流出物中提取樣品,并提供給各個供應商,以測試各制造商系統的有效性并確定決定操作經濟性的關鍵性能指標。由于主要目的是為RO提供預處理,所以過氧化氫的有限應用沒有足夠的經驗值得進一步考慮,并不包括在實驗室測試規模中。該過程用異養菌平板計數法(heterotrophic plate s)去除作為生物污染控制的關鍵指標。實驗室測試表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同于管理局現有的生物污染控制,并能夠將板數降低到最低。

RETTEW隨后審查了每個替代方案的實施和經濟影響(表2)。所有的選項是為了將現有的處理系統更加經濟。

管理局和RETTEW同樣考慮了可以被修改為AOP技術的潛在好處。雖然PADEP目前沒有規定間接飲用再利用水需要采用AOP,但是國家的趨勢表明未來可能會需要用到,因此該方法迅速成為類似管理局的再利用系統的水再利用的必需技術。此外美國環保署水資源利用指南手冊建議在間接飲用再利用中實施AOP,管理局最終在其項目的后期階段實施了此方法。由于AOP可以提供符合國家監管標準和指南的這一附屬益處,故優先考慮了該技術。在所測試的替代品中,臭氧可以根據EPA水再利用指南提供給AOP消毒額外的優勢。雖然紫外消毒為管理局提供了最大的經濟節省,但是臭氧氧化的AOP的潛在長期的優勢讓管理局選擇其作為首選的方法。

UAJA的AOP系統

AOP過程由臭氧生成系統和將臭氧注入RO料液以及二級安全設備組成。系統需求包括:

1.液氧供應

2.臭氧發生器

3.氣體冷卻和冷卻器

4.測流氣體注入系統

5.臭氧接觸器

6.臭氧淬火噴射系統

7.廢氣收集和銷毀系統

第三方供應商提供氧氣,氧氣儲存在專為此制造的外部冷卻塔中。當需要使用時,蒸發器將液氧轉化為高純度氣態氧,并在壓力作用下將該物質輸送到AOP系統中。為提高操作性能,管理局將其氧氣冷卻至最低零下60華氏度(零下51℃)的露點溫度(dew point)。

臭氧發生器將冷凍的氣態氧轉化為臭氧氣體,最大產能為每天53磅(24kg)濃度為5%的臭氧。未來增加氣體中的臭氧濃度,能夠獲得額外的產能。臭氧氣體先通過文丘里管注射器(venturi injector)施加到側流水進料中,然后與RO進料和臭氧接觸器混合。

臭氧接觸器是一個4200加侖的不銹鋼擋板箱,設計是用于提供最小的反應接觸時間。基于進行的可處理性研究,在4.0 mg/L臭氧的劑量下,設計的接觸時間為5分鐘,通過臭氧接觸器中的臭氧破壞滑塊來去除頂部空間氣體控制除氣。然后將氣體排放到建筑物外部的大氣中。管理局監控廢氣的臭氧濃度,確保無臭氧排放。

作為能夠損壞復合RO膜的薄膜部分的侵蝕性氧化劑,管理局必須在水中淬滅殘余的臭氧。RETTEW調整了現有化學計量系統的一部分,在RO進料前將液體亞硫酸氫鈉進料到水中,可以提供充分的去除和保護。

建設

于2014年夏季開始建設,2015年初開始運作。設備成本低于AOP評估的預期,節省了約10萬美元的成本,與AOP部分相關的總項目成本約為80萬美元。

截至目前,功率和氧氣消耗已經低于預期。操作系統監測總有機碳和相關污染物的減少。目前來說操作系統非常穩定,與使用之前的氯化/脫氯方案相比,使用臭氧對AOP沒有任何性能下降。

結論

適當的生物污染控制對于RO系統的成本控制是重要的。然而,任何生物污染控制的經濟優勢需要定期的評估和修改。雖然AOP技術對于UAJA來說不是特別必要的,但其應用已經被證明是控制膜生物污染成本的有效手段。除去相關的污染物,AOP證明是對傳統生物污染控制策略的有效替代方法。

作者:Michele Braas和Jason Wert


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