北京市目前人均水资源占有量约为300m³,人均拥有水资源量远远低于世界水平,北京作为全国水资源最为缺乏的城市之一^[1],近几年随着开发区社会经济的不断快速发展,水资源短缺的问题已经成为制约区域快速发展的突出性问题。

　　 为缓解水资源缺乏与开发区社会经济发展的矛盾,结合全国水资源综合利用示范区建设的要求,开发区针对区内用水企业的特点,大力发展以双膜法工艺为主的污水再生回用项目,目前开发区已建成两座以双膜法工艺为主的大型再生水厂为区内企业供水。在实际生产中需要添加杀菌剂、阻垢剂、还原剂等多种药剂^[2],用以保证双膜系统的稳定运行。本文通过统计再生水厂3年实际生产中的药剂使用情况,与设计药剂使用量进行对比分析,找出两者间的差异,以期为今后的生产工艺调整和设计工作提供参考。

　　 东区再生水厂工程于2011年2月建成投产,设计产水能力为20 000m³/d,生产工艺采用微滤MF(Microfiltration)与反渗透RO(Reverse Osmosis)组合工艺,处理流程如图1所示,微滤膜与反渗透膜参数如表1所示。再生水厂源水为小红门污水处理厂的二级出水,满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准的水质指标,再生水产水满足《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923-2005)的水质标准,主要设计进水水质与出水水质如表2所示。

　　 通常膜法水处理工艺在实际生产运行中需要使用多种药剂,其中包括杀菌剂、阻垢剂、还原剂、pH调节剂、清洗剂等,同时为保证膜系统的稳定运行工况,需要根据进水水质和膜的污染情况对其进行定期的清洗和保养,通常根据设计要求微滤膜系统每1~7d需要进行一次杀菌清洗,当跨膜压差达到0.15~0.2MPa时需要进行化学清洗;当反渗透系统跨膜压差达到0.15~0.2MPa时需要进行化学清洗。

　　 东区再生水厂主要生产药剂投加情况如表3所示,清洗维护频次及药品投加量如表4所示,清洗频次和药剂使用量根据膜系统实际运行情况决定。

　　 杀菌剂通常使用在系统的进、出水端及微滤系统当中,进水添加作用为抑制水中微生物的生长和繁殖,减轻微生物对膜系统的污染;出水添加作用为抑制产品水中细菌的繁殖,同时作为微滤系统的清洗杀菌剂能有效杀灭系统中的微生物。目前代表药剂有次氯酸钠、二氧化氯等,从经济和安全角度出发选择了有效浓度为8%~10%的次氯酸钠溶液作为系统进、出水端的杀菌药剂。氯作为市政污水的杀菌剂由来已久,它能使许多致病微生物快速灭活,氯的消毒效率取决于氯的浓度、接触时间和水的pH。

　　 污水处理厂二级出水含有一定量的盐分,在实际生产中如不采取措施反渗透系统会出现结垢现象,主要表现为系统压差逐渐升高,影响系统的稳定运行。添加阻垢剂可以用于控制碳酸盐垢、硫酸盐垢以及氟化钙垢的生成^[3],通常使用的阻垢剂有:六偏磷酸钠、有机磷酸盐等。六偏磷酸钠价格便宜但不稳定,使用中易发生水解,一旦水解不仅会降低阻垢效果,而且会产生磷酸钙沉淀危害膜系统,因此目前极少使用。有机磷酸盐阻垢剂是以磷系分子为主的阻垢剂,通过破坏无机晶体的结垢从而阻止晶体的成长以达到阻止无机盐结垢的效果,有机磷酸盐阻垢剂效果好,在实际使用中效果稳定,且能够防止不溶性铝和铁的结垢,故使用较广^[6]。

　　 由于源水采用加氯的方式进行微生物控制,因此反渗透系统进水中存在氧化性的余氯,虽然反渗透膜具有一定的抗氧化性,但如果长期受到余氯的作用将造成膜元件不可逆的伤害,脱盐率将会大幅下降,因此必须在反渗透前投加还原性药剂进行脱氯处理,通常在生产过程中选用食品级的亚硫酸氢钠配制的溶液对水中氧化性物质进行还原,以保证反渗透膜的安全运行。

　　 为达到供水规定的pH水质指标,需对反渗透产水进行pH调节,通常反渗透产水呈酸性,pH在5.3~6.2波动,弱酸性水不但不能满足企业用水水质指标,而且会在输送过程中对管道产生腐蚀,缩短管道的使用寿命,为此高品质再生水出厂前需对其pH进行调节,通过添加氢氧化钠溶液对其进行中和,使pH控制在6~8满足出水标准。

　　 微滤膜系统的清洗分为酸洗和碱洗,当微滤膜系统跨膜压差达到0.15~0.2 MPa时就需进行化学清洗,如果跨膜压差一直没有达到0.15 MPa,运行半年后也需进行一次维护性清洗。碱洗主要针对有机污染物和微生物污染,在清洗水箱中配制1%~4% NaOH的清洗剂,并将清洗水用电加热器加热至30~35 ℃,pH控制在11~12,为达到较好的清洗效果可添加杀菌剂,并延长膜系统浸泡和清洗的时间,碱洗时间持续约5~6h;碱洗完成后用清水漂洗10min之后进行酸洗,酸洗主要针对无机盐结垢污染,酸洗配制药液为浓度2% HCl,pH控制在1~2,酸洗时间持续1~2h,酸洗完成后对系统进行清水冲洗,完成整个化学清洗后进入正常过滤状态^[4]。

　　 反渗透膜系统的清洗分为两种方式:正常运行中的定时冲洗和化学清洗。多数情况下,反渗透系统运行一段时间后会在膜表面上积累一些污染物,当污染物与膜结合不紧密时,采用定时冲洗能够达到较好的恢复效果,通常系统设定每工作24h进行一次强制冲洗,但污染物累积较多时,则冲洗效果降低,分析原因后应考虑进行药剂清洗。

　　 系统长期运行后膜片会受到无机盐垢、微生物、胶体颗粒和不溶性有机物的污染,反渗透系统化学清洗的条件为:产水量降低10%以上、进水和浓水之间的压差上升15% 以上和透盐率增加5% 以上^[3],通常化学清洗分为碱洗和酸洗,使用的主要药剂有氢氧化钠、盐酸,在清洗前应先判断反渗透污染的种类选择不同药剂的搭配,以达到最好的清洗效果。针对生物污染的碱清洗液可添加0.1% NaOH和适量的表面活性剂,将清洗液加热至30 ℃,pH控制在11~12,碱洗时间持续约10~15h;针对无机盐污染的酸清洗液可添加0.2% HCl,pH控制在1~2,酸洗时间持续约2~4h。

　　 氯杀菌是一种常规和大家熟知的杀灭微生物的方法,即采用氯及次氯酸盐、二氧化氯消毒,当加药量合适,接触时间足够时,采用氯及次氯酸盐、二氧化氯消毒能比较有效的控制反渗透进水的微生物量。 出于安全考虑,东区再生水厂选用次氯酸钠作为双膜系统的进水、出水和微滤系统清洗时的杀菌剂,在实际应用中取得了较好的效果。次氯酸钠能够有效的杀灭和抑制源水中的微生物,对于反渗透产水,添加次氯酸钠能够有效抑制产水中微生物的滋生,并保证管网末端余氯量,满足设计出水水质要求,同时次氯酸钠作为微滤系统清洗用杀菌剂时,能够有效去除微滤膜丝上的污染物并杀灭系统内的微生物。

　　 杀菌剂的使用与季节有着密切的关系,春季和夏季时随着气温的升高,源水中微生物的生长也逐渐旺盛起来,繁殖速度加快,且东区再生水厂源水经过20km左右的长距离管道输送,到达厂内时通过实测源水中余氯在大多数情况下都已消耗殆尽,如按照设计量投加,基本起不到杀灭和抑制微生物的目的,反渗透前滤芯污染的状况能够直观地表征进水受到污染的严重情况,当进水污染严重或投加杀菌剂不足时,滤芯表面会出现红色线虫等生物^[5],为保证杀菌效果,在实际生产中通常提高进水杀菌剂加药量来降低微生物对后端处理系统的污染危害;当作为出水杀菌剂时,在春季和夏季时为保证管网末端一定的余氯量,也需提高杀菌剂投加浓度。微滤系统的用药量和清洗频次也与季节和温度有着直接的关系,当气温较高时微生物繁殖旺盛,膜污染速度加快,清洗频次及用药量也随之增加。

　　 双膜工艺杀菌剂设计使用量为71.23g/m³,通过对3 年实际生产中的杀菌剂使用量进行统计,2011 年、2012 年、2013 年杀菌剂使用量分别为80.15g/m³、84.09g/m³、97.69g/m³,分别比设计使用量增加了12.5%、18.05%、37.15%。其主要原因在于为保证整个系统的运行稳定,减少微生物的污染,在夏季对进、出水增加了杀菌剂的使用量,同时随着微滤系统使用时间的增加,膜抗污染性能的降低也导致了清洗频次和杀菌剂用量的增加。从使用成本来看设计使用成本为0.085 元/m³,2011年、2012年、2013年实际使用成本分别为0.096元/m³、0.101元/m³、0.12元/m³,分别比设计使用成本增加了12.9%、18.8%、41.2%。杀菌剂的使用与来水水质有着密切的关系,尤其在夏季,如上游污水处理厂出水到再生水厂进水端能够保证有足够的余氯,再生水厂进水就可以减少杀菌剂的投加,从而降低杀菌剂的使用量和成本的支出。杀菌剂虽然单价便宜,但其用量最大,故在总成本中排名第一,应在实际生产中予以重点关注。

　　 为防止反渗透系统结垢,再生水厂采用了化学性质较为稳定的有机磷酸盐类为主要成分的阻垢剂,在3年的实际生产中效果明显,没有产生严重的无机盐结垢污染,同时较好地保护了反渗透系统。有机磷酸盐类的阻垢剂化学性质稳定,在复杂的污水环境中受温度和水质影响较小,能稳定地发挥阻止晶体成长的作用,但阻垢剂价格昂贵,单价在所有药品中排名最高,应作为药剂成本控制的重点。

　　 再生水厂阻垢剂设计使用量为3.28g/m³,通过对3 年实际生产中的阻垢剂使用量进行统计,2011 年、2012 年、2013 年阻垢剂使用量分别为3.04g/m³、3.32g/m³、3.19g/m³,分别比设计使用量降低7.3%、上升1.2%、降低2.7%。从使用成本来看,设计使用成本分别为0.098元/m³,2011年、2012年、2013年实际使用成本分别为0.091元/m³、0.099元/m³、0.095元/m³,分别比设计使用成本降低7.1%、上升1%、降低3.1%。2011年再生水厂处于调试阶段,故药剂用量有所波动,其他两年药剂实际使用量和成本与设计值相比变化不大,其原因在于上游来水中影响结垢的离子种类和含量较为稳定,进水含盐量变化不大^[6],3 年TDS平均进水浓度为640~700 mg/L,故在实际生产中阻垢剂投加量较为稳定,与实际设计值较为接近。根据3年的实际生产情况,可以考虑降低阻垢剂的投加量,以节约其使用成本,原因如下:首先设计时为降低反渗透系统受无机盐结垢污染的风险,阻垢剂投加量偏于保守,通常为3mg/L;其次,基于多年来实际运行情况,进水TDS较为稳定,反渗透系统受无机盐结垢污染并不明显,主要体现在酸洗后压差变化不大。因此可以考虑在保证系统安全运行的前提下将阻垢剂投加量降低,由于阻垢剂单价昂贵,降低用量能够直接实现药剂成本的大幅度下降,当投加量由3mg/L降至2mg/L时,年阻垢剂成本将减少24万元。

　　 目前绝大部分反渗透膜元件采用聚酸胺材料制造,而聚酸胺材料不能抵抗氯的氧化性,为了防止膜被氧化,反渗透进水前必须进行脱氯处理。通常采用亚硫酸氢钠作为还原剂进行脱氯,为保证反渗透膜元件的安全,亚硫酸氢钠必须是食品级的,以防止可能的杂质进入膜元件破坏脱盐层。还原剂的用量取决于反渗透前端进水余氯的含量,因此控制好进水余氯有助于还原剂成本的控制。

　　 还原剂设计使用量为3.69g/m³,2011年、2012年、2013 年还原剂实际使用量分别为2.98g/m³、3.61g/m³、3.29g/m³,分别比设计使用量下降了19.2%、2.2%、10.8%。设计使用成本为0.013元/m³,2011、2012、2013 年实际使用成本分别为0.011元/m³、0.013 元/m³、0.012 元/m³,分别比设计使用成本下降了15.3%、0、7.7%。还原剂的投加量主要受反渗透系统前端进水余氯值的影响,在满足脱除水中余氯的前提下,还要有一些安全储备量。由于2011年按照设计投加量投加进水杀菌剂,导致反渗透前端进水余氯值偏低,还原剂投加量也相应降低,但生物污染也较为严重;之后调高进水杀菌剂的投加量,余氯量也随之上升,随着余氯量的增高,2012年、2013年还原剂投加量基本与设计值相当。对于还原剂的成本控制应做到在控制好进水微生物污染的前提下,尽量减少杀菌剂的投加,保持余氯量在一个稳定的区间,这有助于控制还原剂的投加量,降低药剂使用成本。

　　 工业级的NaOH由于其价格低廉和便于取得的特征,通常作为pH调节剂在再生水生产中使用。再生水厂反渗透出水端设计添加NaOH,反渗透产水多为弱酸性,pH在5.3~6.2 波动,为达到满足供水设计指标和保护管网的目的,通常根据产水实际pH投加NaOH予以调节。在实际生产中反渗透产水pH基本稳定,因此3年的NaOH投加量基本保持在4g/m³,药剂投加成本约为0.006 8元/m³,由于pH调节剂投加稳定、用量少,因此可以不作为成本关注的重点。

　　 通常HCl、NaOH作为微滤和反渗透系统的清洗剂。HCl能够有效的去除附着在微滤膜丝表面和反渗透膜表面的无机盐结垢,使之迅速恢复膜通量;采用NaOH的水溶液能够去除附着在微滤膜和反渗透膜表面的有机污染物,通过碱洗和酸洗能够很好的恢复膜的使用性能。清洗的频次和清洗药剂使用量主要取决于微滤系统进水水质和反渗透系统进水水质。

　　 系统的HCl设计使用量为10.95g/m³,2011年、2012年、2013 年HCl实际使用量分别为2.09g/m³、5.31g/m³、2.62g/m³,分别比设计使用量下降了80.9%、51.5%、76.1%。系统的设计使用成本为0.025元/m³,2011年、2012年、2013年实际使用成本分别为0.005 元/m³、0.012 元/m³、0.006元/m³,分别比设计使用成本下降了80%、52%、76%。HCl的实际使用量之所以比设计使用量有大幅度的降低,在于本系统源水为市政生活污水处理后二级出水,其含盐量较低,离子成分较为稳定,微滤和反渗透系统受无机盐污染较轻,因此酸洗频次及药剂使用量远低于设计酸洗频次和使用量,基于上述原因,HCl的使用成本也远低于设计使用成本。

　　 NaOH的设计使用量为14.1g/m³,2011 年、2012年、2013 年NaOH实际使用量分别为15.42g/m³、16.15g/m³、22.8g/m³,分别比设计使用量增加了9.4%、14.5%、61.7%。系统的设计使用成本为0.024元/m³,2011年、2012年、2013年实际使用成本分别为0.026 元/m³、0.027 元/m³、0.039元/m³,分别比设计使用成本增加了8.3%、12.5%、62.5%。NaOH的实际使用量和投加成本都远高于设计值,其原因主要有以下两点。

　　 (1)以市政生活污水处理后的二级出水为源水的双膜工艺,受微生物、细菌和有机物的影响较大,系统的有机物污染程度远远高于无机盐污染。源水有机物含量直接影响到双膜系统的清洗频率和用药量,当进水水质极为恶劣时(通常来水含泥量和COD较高时)微滤系统每8~12h就需要进行清洗,远高于设计的30d清洗时间;反渗透系统也是如此,当前端有机污染不能得到很好的控制或前端过滤部件出现问题时(如使用滤芯不当,滤芯过滤性能和截污性能不佳时),都会引起系统受到有机物的快速污染,使系统清洗频次和用药量大幅提高,污染严重时每15~30d就需清洗一次,远高于设计90d清洗一次的要求。

　　 (2)从3年的统计数据可以看出NaOH的使用量逐年呈上升趋势,这间接反应了膜系统抗污染性能的下降,同时也说明了膜的经济使用寿命在逐步降低,一般条件下微滤膜厂家给出的使用期限为5年,反渗透膜的使用期限为3年,随着膜的使用时间不断增加、膜污染的不断累积和膜材料的老化,其自然使用寿命和经济使用寿命都在缩短,同时膜系统的维护成本将大大提高,当膜的维护成本高于其价值时,应考虑予以更换。

　　 基于实际生产情况,对于HCl的成本控制,可根据膜系统无机盐污染的情况决定清洗频次和用药量即可。对于NaOH的成本控制,应重点关注进水水质,控制好微生物及有机物的污染,做好预处理设施的维护,保证其发挥应有的截污效果。同时应做好日常膜系统的维护保养工作,使其在良好的状态下运行,这样不但有助于延长膜的使用寿命,也可以大幅度降低清洗药剂的使用。

　　 东区再生水厂采用双膜法工艺对城市污水处理厂二级出水进行深度处理后回用,生产过程中使用了杀菌剂、阻垢剂、还原剂、pH调节剂、清洗剂。再生水厂设计吨水总药耗量为103.25g/m³,2011~2013年实际使用量分别为103.68g/m³、112.48g/m³、129.59g/m³,分别比设计使用量增加了0.42%、8.9%、25.5%。系统的设计使用成本为0.245元/m³,2011~2013年实际使用成本分别为0.229元/m³、0.252元/m³、0.272 元/m³,由于2011 年阻垢剂用量较设计值低,因此影响总成本下降了6.5%、其他两年分别比设计使用成本增加了2.9%、11%。

　　 从设计值可以看出阻垢剂在总吨水成本中占比第一,次氯酸钠占比第二。但从3年实际运行数据统计和分析中可以看出,在双膜法工艺中次氯酸钠用量最大,虽然药品单价不高,但因其使用量占比最大,故药剂的使用成本占比第一,应作为重点成本控制对象。同时还应对阻垢剂予以特别关注,虽然其投加量不大,但其单价在所有药品中最高,达到30 000 元/吨,因此其在吨水费用占比位居第二,阻垢剂用量的变化能够引起药剂总成本较大幅度的变化,以2011年为例,药剂实际总使用量高于设计使用量,但实际使用成本却略低于设计使用成本,其原因在于阻垢剂使用成本有所降低,因此根据进水水质合理投加阻垢剂能够有效的控制药剂成本的支出。其他药剂由于用量少、单价低,在满足工艺控制的前提下可以不作为重点控制对象。

　　 通过设计值与实际值的对比,可以看出两者略有不同,在今后市政污水回用的设计中应充分考虑有机物和微生物对系统的污染,同时在以后的生产过程中应重点对杀菌剂和阻垢剂予以关注,并结合进水水质做进一步的深入研究,以期为合理的优化生产工艺和完善设计工作提供参考。