新加坡樟宜2新生水項目產水能力22.8萬m³/d，設計總回收率＞70%。該項目利用城鎮污水處理廠二級出水為原水，經過微濾系統與反滲透系統雙膜法兩級處理，生產出的新生水用于工業用水及補充飲用水水源。微濾系統對濁度的去除率能夠達到93.4%。反滲透系統出水濁度穩定在（0.04±0.01） NTU；總有機碳能夠降至（74.42±4.38） μg/L，去除率達99.4%，脫鹽率＞99%，出水NH3.N能夠達到（0.27±0.03） mg/L。新生水水質不僅滿足新加坡新生水水質要求，且優于新加坡及世界衛生組織(WHO)的飲用水標準。通過對反滲透重點位置膜組件的污堵情況分析確認，已使用3年的反滲透膜組件污染物主要為無機組分。
0 引言
新加坡是一個人口稠密、經濟發達，但淡水資源嚴重缺乏的國家。當地政府提出開發“四大水源”戰略，即通過淡化海水、新生水、蓄存雨水與進口水四方面，提升淡水自主供給率。新生水作為四大水源之一，正日漸成為新加坡重要的淡水來源。新生水技術利用城市污水處理廠二級處理后的出水，經處理后得到再生水，用于工業用水與補充飲用水水源，這是淡水循環利用領域的重要探索。新加坡自1970年代開始研究新生水技術，并從2002年開始在全國范圍內推廣應用。如今，新加坡已成為全球領先的新生水技術中心，5家新生水廠年生產新生水量可滿足全國近40％的用水需求，且該比例會繼續上升，預計到2060年達到55％。
樟宜2新生水廠是目前新加坡5座新生水廠中實際產量最大的，項目自2016年12月1日正式商運起，已穩定運行4年有余。本項目的成功運行在新加坡的水資源循環利用方面發揮了重要作用，也為其他水資源缺乏、分布不均衡的國家與地區提供了很好的借鑒思路。基于樟宜2新生水項目的成功案例，國內也已經開發出了AQUENTTM新生水綜合解決方案。樟宜2新生水廠主要通過微濾、反滲透、紫外消毒等技術將城市污水處理廠的二級出水轉化為“新水”。其中，微濾膜與反滲透膜雙膜系統運行性能值得關注，為了評估雙膜系統的運行效果和效率，本文重點研究反滲透膜污堵特性。
1 基本參數與方法
1.1 項目基本信息
新加坡樟宜2新生水項目廠址位于樟宜污水處理廠內，采用污水處理廠二級處理后的出水作為原水。樟宜污水廠進水主要為生活污水，設計處理量為112萬m³/d，主體工藝為分段式活性污泥工藝(SFAS)，是世界首座實現穩定運行的主流厭氧氨氧化的污水處理廠。
樟宜2新生水項目，設計產水能力22.8萬m³/d，設計總回收率＞70%。項目分為三個區域，分別為進水及均質區（1區）、膜處理車間（2區）、新生水儲存及提升泵站（3區）。項目生產的新生水直接用于提供工業用水，并可補入蓄水池作為飲用水水源。新生水項目工藝流程如圖1所示，主要通過雙膜系統制備新生水。污水處理廠二沉池出水通過進水泵提升，進入自清洗過濾器與微濾系統(MF)，去除水中懸浮物及部分微生物，之后通過反滲透高壓泵加壓，經過保安過濾器與一級兩段反滲透系統(RO)，去除污水中的有機物、可溶性鹽類、膠體成分和微生物。RO產水經過紫外消毒系統后，進入新生水儲罐，之后泵送至新生水管網。
圖1 樟宜2新生水廠新生水制備工藝流程
1.2 雙膜系統參數
本項目的新生水制備工藝流程主要依靠微濾與反滲透聯合使用的雙膜法進行新生水制備，雙膜法工藝在國內電子廢水和鋼鐵廢水等領域也有廣泛應用。雙膜系統的參數對新生水制備系統的穩定、有效運行起著至關重要的作用。
1.2.1 微濾系統
工藝中設置自清洗過濾系統（Amiad，Israel）11套，過濾精度為0.5 mm，可根據進水水質變化實現全自動在線清洗。微濾系統包括進水泵、微濾膜設備、壓縮空氣系統和化學強化反洗單元、就地清洗單元（MF Clean-in-Place，MF CIP）等。微濾進水泵共有4套（3用1備），流量4316 m³/h，揚程25.4m。微濾系統膜組件設計參數見表1。
表1 微濾系統與反滲透系統設計參數
1.2.2 反滲透系統
工藝中設置保安過濾器12臺（11用1備），過濾精度5 μm，單臺流量1190 m³/h。反滲透系統包括進水池、進水泵、反滲透膜設備、清洗單元以及能量回收裝置等。反滲透進水池4座，每座有效容積220 m³，停留時間5.5 min；高壓進水泵4臺（3用1備）（KSB，Germany），單臺流量4400 m³/h，揚程86.5 m；RO系統設計參數見表2。配套RO清洗系統設置酸洗泵、堿洗泵等。每套反滲透裝置段間設置1套能量回收系統（FEDCO，America），單臺流量570 m³/h。反滲透系統設計參數見表1。
1.2.3 消毒系統和新生水儲存系統
管式紫外消毒系統共有8套（7用1備）（Wedeco，Germany），每套處理能力1429 m³/h，額定紫外劑量50 mJ/cm²。設新生水儲罐5座，每座容積18000 m³，總容積占設計水量的39%，材質為碳鋼內襯環氧樹脂，可滿足水廠間歇運行或新加坡國家稅務局（PUB）臨時調配時的水量需求。系統共有新生水提升泵5臺（3用2備），流量3167 m³/h，揚程65.5m。
1.3 反滲透膜污堵檢測方法
當所有的自動無損檢測程序和評估都不能揭示RO系統性能下降的原因時，需要進行元件解剖，用以分析反滲透膜污堵特性，為新生水系統的正常運行提供重要數據參數支持。圖2位反滲透膜污堵檢測流程。選取樟宜2新生水廠現場，反滲透系統二段的一個膜元件（ESPA2 MAX, Hydranautics, 美國），用于膜解剖，該膜已使用3年。
圖2 反滲透膜污堵檢測流程
2 結果與討論
2.1 進出水水量水質
樟宜2新生水廠進出水水質檢測分為微生物指標、物理指標、化學指標三大類。微生物指標主要有大腸埃希氏菌和異養細菌；物理指標有色度、電導率、濁度等；化學指標包括氨氮（NH3-N）、鋁、氟化物等，各項指標都要求較高。項目設計出水指標要求總計30余項，定期監測產水檢測指標達189項，實際處理的新生水水質不但滿足新生水水質要求，且優于新加坡的飲用水標準。
項目設計進水水質、2019年上半年實際進、出水水質（部分）及新加坡出水標準見表2。樟宜2新生水廠雖對BOD5(≤30mg/L)等指標要求較新加坡污水排放標準(≤20mg/L)寬松，但實際進水水質良好，為膜系統穩定高效運行提供了有利條件。
表2 樟宜2新生水廠設計與實際進、出水水質及其與相關標準的對比
2.2 雙膜系統處理效果
統計2019全年運行雙膜系統進水及雙膜系統凈化，經紫外消毒后的出水指標，如圖3所示。微濾系統主要對濁度有明顯的去除效果，濁度從微濾系統進水的（2.58±1.02） NTU降至出水平均值（0.17±0.03） NTU，去除率達到93.4%。微濾系統對總有機碳（TOC）無明顯去除作用。NH3-N通過微濾系統后有一定程度降低，從微濾系統進水的（3.38±0.84） mg/L降至（2.33±0.77） mg/L。
反滲透系統對濁度、電導率、TOC和NH3-N的去除效果都較為明顯，且出水各指標數據離散度小、穩定性高。新加坡地處熱帶，全年溫度較高且恒定，氣候條件為膜的穩定高效運行營造了良好環境。反滲透系統出水濁度穩定在（0.04±0.01） NTU；TOC從進水的（12.96±0.23） mg/L降至（74.42±4.38） μg/L，去除率達99.4%。反滲透系統進水電導率數值為617.48~1073.42 μS/cm，出水電導率穩定在（65.31±4.43） μS/cm。NH3-N由（2.33±0.77） mg/L降至（0.27±0.03） mg/L。可見，反滲透系統對TOC及鹽分脫除效果極好，產水的該兩項指標完全優于飲用水水質標準。
圖3 樟宜2新生水廠雙膜系統進、出水水質在線監測結果
2.3 雙膜系統運行及清洗
2.3.1 微濾系統的運行及清洗
2019年6至9月微濾系統跨膜壓差和通量情況如圖4所示。在每個過濾周期內，瞬時過膜通量由大于150 L/(m²·h)逐漸降低至50 L/(m²·h)左右，與此同時，跨膜壓差同步從小于0.5 bar逐漸升高至1.5 bar甚至以上。微濾在線強化通量維護清洗頻率約為2天1次，但就地清洗周期時長并不固定。這是因為目前運行程序設定為：當跨膜壓差高于1.5 bar或通量低于40 L/(m²·h)或在線強化通量維護清洗達到60次時，進行微濾系統的恢復性就地清洗。因此，微濾的就地清洗周期在1至2個月之間浮動。
圖4 微濾系統跨膜壓差及通量變化
2.3.2 反滲透系統的運行及清洗
反滲透系統連續運行時，可根據不同的原水水質，通過調節二段反滲透進水阻力以限制輸送至二段反滲透系統的流量，提升一段回收率，調整系統總體運行狀態。反滲透進水高壓泵維持在6.5 bar左右運行，統計2019年6至9月反滲透系統一段、二段相對壓差值(即進水與濃水之間壓差)隨運行時間的變化情況，如圖5所示。
圖5 一段及二段反滲透系統的壓差變化
每個運行周期中，一段壓差自初始1.0 bar快速上升，二段壓差初始為1.3 bar左右，但上升較緩慢，說明兩段反滲透膜污染均加重，且由于進水水質和產水量的原因，一段膜污染速率更快。每日啟停機時對反滲透系統進行沖洗，并根據壓差及通量情況采用酸液、堿液進行不同程度化學清洗，低濃度化學清洗周期約10天，就地化學清洗周期約為1~3個月。
2.4 反滲透膜污堵情況
反滲透膜的污堵會導致膜通量下降、產水水質下降等問題，這也是限制污水再生處理 RO 工藝穩定運行的主要問題。解剖反滲透系統二段的膜組件，分別進行物理評價和化學分析測試的膜評價。反滲透系統膜的污堵情況分析，有利于對雙膜系統的運行效果和效率進行評估，并為新生水制備工藝的高效運行提供技術支撐。
2.4.1 物理評價
對膜組件進行外部檢查發現，鹽水密封缺失，玻璃鋼外殼存在大量污染物，但滲透管狀況良好。
將膜組件打開進行內部檢查發現：膠線有明顯污染。膜上有濃密的深褐色污垢，粘在表面，很難被刮掉。污垢嚴重的地方將兩片膜葉和間隔層粘在一起，使膜在展開時受到損壞。進水墊片位置也能觀察到明顯污垢，出水墊片處較為正常，詳見圖6。
圖6 膜組件內部整體狀況
（a打開視圖， b進水墊片， c膜污染，不易刮掉， d膠線入口， e膠線出口， f、g 膜展開時觀察到的膜損傷）
2.4.2 膜評價
2.4.2.1 鹵代烴測試
鹵代烴測試能夠指示膜的鹵素損傷情況。從膜表面不同部分切下的3個樣品，每份樣品的±1 cm×1cm的區域切割后與氫氧化鈉和吡啶反應。假如有粉紅色形成表明存在鹵化有機物，即可確定鹵化有機物（如氯或其他鹵素）損壞了聚酰胺膜。但對于分析的膜組件，測試結果表現為陰性。這說明膜未受鹵素損傷，證明反滲透膜系統在運行中的游離氯控制較好。
2.4.2.2 單元測試
取膜切片，測定“A”和“B”值。“A”值為水通道常數，是滲透流量的函數，A值越高，通過膜的流量就越好。“B”值為鹽通道常數，是抗鹽性的函數，B指數越高，滲透液中的鹽分越多。低A值和中高B值可能表示膜有污染，低A和高B（>10）可能表示已經水垢形成，非常高的A（>50%的制造商出廠值）或B（>500）可能表明膜降解或膜破損。測試所得的A和B的值見表3，分析沖洗前數據，A和通量都小于出廠值，說明膜有污堵；B值和脫鹽率均明顯劣于出廠值，膜可能存在破損現象；沖洗后，通量增大，B值劇增，脫鹽能力幾乎喪失，證明膜確實存在破損。
表3 單元測試結果
2.4.2.3 染色試驗
在單元測試之后，對膜樣片進行龍膽紫染色試驗。被機械損壞的薄膜會吸收這種染料，嚴重損壞區域，甚至會使染-料滲入到背面。如圖7所示，膜的染料染色試驗陽性，表明膜具有明顯損傷。
圖7 膜片染色結果
2.4.3 雜質分析
2.4.3.1 燒失量（LOI）
從膜上收集污物，干燥、稱重、點燃并重新稱重。定義計算如式（1）所示：
LOI可用作樣品有機物/水含量的粗略估計，LOI大于約35%時，說明樣品中存在明顯的有機物。經測定，膜元件膜表面沉積污垢的LOI為15%，說明污垢的主要成分并非有機組分。由于LOI<20%，未進一步進行紅外光譜分析和有機化合物定量分析。
2.4.3.2 X射線熒光（XRF）
用X射線束照射從膜表面獲得的污物，這些元素被主光束吸收激發，并發射出自己的熒光X射線，從而為氟和鈾之間的元素提供了元素分析。未報告的元素即為低于檢測限值。從膜組件表面去除污垢的結果分析如表4所示，結果說明污染物主要為無機組分，用氧化物形式表征膜污染物成分，包括CaO、P2O5、SO3和硫酸鹽、CaCO3、MgO、Fe2O3。
表4 無機物分析結果
注：硫酸鹽定性點檢結果為陽性。
2.4.3.3 沉積物重量密度（DWD）
膜元件上切下的膜片分成兩部分，一半不經處理作為對照，另一半用去離子水沖洗水，烘干后冷卻稱重，并測量膜片的寬度和長度。DWD計算如式（2）所示：
結果表明膜表面污垢的沉積重量密度（DWD）約為3.50 mg/cm²。輕污染的典型DWD值為0.05~0.3 mg/cm²；嚴重污染元素的DWD值>1 mg/cm²，結果表明反滲透膜處于嚴重污染狀態。
2.4.4 避免污堵注意事項及建議
為避免雙膜系統出現嚴重污堵影響出水效率與質量，保證反滲透系統的高效穩定運行，建議可采取如下措施：① 需要定期根據產水電導率情況，評估微濾系統處理效果，對重點位置膜元件進行檢測分析，檢測方法如1.3中所述。② 為保證雙膜系統進水水質達到要求，降低污堵頻率，需要定期更換保安過濾器濾芯。③ 及時進行系統清洗，確保系統穩定運行。對于反滲透系統，建議每日啟停機時對反滲透系統進行沖洗，并根據壓差及通量情況采用酸液、堿液進行不同程度化學清洗。對于微濾系統，在新加坡等溫度較高的地區，為了有效避免微生物和部分有機物污染，也要保證足夠頻率的在線強化通量維護清洗頻和就地清洗周期。
3 結論
樟宜2新生水項目采用MF+RO膜法處理城鎮污水廠二級處理出水，出水不但滿足新生水標準還優于新加坡飲用水標準。MF作為RO的預處理，可有效降低進水濁度，保障RO系統的穩定運行。新生水經雙膜系統處理，濁度、電導率、TOC和NH3-N指標都有明顯下降，且出水各指標數據離散度小，穩定性高。雙膜系統通過規律的周期性清洗，可以保證其運行狀態的穩定。通過對已使用3年的重點部位反滲透膜組件的污堵情況分析，部分反滲透膜存在污染和破損狀態，污染物主要為無機組分。為保證反滲透系統的高效穩定運行，需要根據產水電導率情況對重點位置膜元件進行檢測分析，并重點關注微濾系統處理效果，定期更換保安過濾器濾芯，及時對雙膜系統進行系統清洗，確保系統穩定運行。樟宜2新生水項目后續研究將以雙膜法的設計與運行兩方面為基礎，在其降低能耗、減少藥耗、優化濃水處理與排放等方面進一步開展研究。
微信對原文有修改。原文標題：新加坡樟宜2新生水廠雙膜系統運行性能及反滲透膜污堵特性；作者：朱曜曜、吳云生、安瑩玉；作者單位：北控水務（中國）投資有限公司產品中心、北京市再生水水質安全保障工程技術研究中心。刊登在《給水排水》2021年第11期。
文章來源：給水排水
