左莉¹ 侯立安¹　羅敏²　郭珍珍³
（1.第二炮兵工程設(shè)計(jì)研究院 2.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 3.中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)研究院）

1 概述

　　淋浴水是各類排水中水質(zhì)最穩(wěn)定，匯集容易，便于凈化，可就近回用的水資源。它約占生活污水量的30%，屬于良質(zhì)污水。表1歸納淋浴水的一些水質(zhì)特征。

表1 淋浴污水的水質(zhì) pH 臭 濁度NTU LASmg/L COD_Crmg/L TOCmg/l 電導(dǎo)率μs/cm 硬度mg/L(以CaCO₃計(jì)) 細(xì)菌總數(shù)個(gè)/mL 大腸菌群個(gè)/L 7.71 芳香 60.3 4.89 191 58.6 521 360 無(wú)法計(jì)數(shù) 20

　　國(guó)外有關(guān)淋浴水回用的研究主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面^[1-3]：美國(guó)宇航局關(guān)于太空站需要可行且能耗低的淋浴水回用設(shè)備。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了一些淋浴水作為中水回用的研究^[4，5]。他們的水處理工藝基本表現(xiàn)為微濾、超濾、反滲透及常規(guī)處理工藝。

2 工藝簡(jiǎn)介

　　淋浴水回用的工藝流程簡(jiǎn)介如下：

2.1 預(yù)處理工藝
2.1.1 加藥
　　采用中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心制聚合鋁，借鑒KunioEbie等^[6]的修正燒杯試驗(yàn)方法確定聚合鋁的最佳投藥量為12mg/L，從泵前投藥至進(jìn)入絮凝過(guò)濾器約2min。
2.1.2 微絮凝過(guò)濾器
　　根據(jù)燒杯試驗(yàn)結(jié)果，我們采用直徑10cm的陶粒柱（裝填高度70cm）進(jìn)行試驗(yàn)，濾速控制在10m/h。在試驗(yàn)條件下，整個(gè)預(yù)處理工藝（陶粒過(guò)濾-5微米濾芯過(guò)濾）對(duì)有機(jī)物的去除率不高，約30%左右，對(duì)濁度的去除達(dá)83.1%，但從污染指數(shù)SDI來(lái)看預(yù)處理效果能夠滿足膜進(jìn)水的SDI（≤5）要求。
2.1.3 5微米過(guò)濾器
　　作為納濾膜的保安過(guò)濾器，保證納濾膜的安全正常使用。
2.2 納濾膜組合工藝
　　納濾膜是一種介于超濾與反滲透之間的分離膜，本試驗(yàn)選用美國(guó)Trisep公司TS80-4040膜（其截留分子量280-300，為聚酰胺復(fù)合膜），并聯(lián)方式運(yùn)行，試驗(yàn)以0.7MPa作為最佳的操作壓力，回收率在75%左右（采用濃水回流系統(tǒng)）。淋浴水溫一般為37～40℃，這有利于提高膜的產(chǎn)水量。假設(shè)由于補(bǔ)充新鮮水，使混合膜進(jìn)水水溫為30℃（在冬季會(huì)低些），此時(shí)膜產(chǎn)水量較25℃增加17%，這將節(jié)省設(shè)備投資。

3 納濾膜設(shè)備對(duì)淋浴水處理效果評(píng)價(jià)

3.1 常規(guī)水質(zhì)分析
　　操作壓力為0.7MPa下膜進(jìn)出水的水質(zhì)特征見(jiàn)表2。

表2 TS80膜的進(jìn)出水水質(zhì) 測(cè)定項(xiàng)目 TS80膜 進(jìn)水 產(chǎn)水 去除率% 電導(dǎo)率　　 μs/cm 566 33 94.2 TOC　　　　 mg/L 11.6～75.7 0～7.4 80.5～100 耗氧量　　　 mg/L 57.55 4.38 92.4 濁度　　　　 NTU 10.2 0.46 95.5 LAS　　　　 mg/L 3.21 0.26 91.9 氨氮　　　　 mg/L 0.14 0.11 21.4 堿度　　　　 mg/L 246.81 18.94 92.3 pH 7.75～8.61 6.40～7.35 - 水溫　　　　 ℃ 14～30 硬度（CaCO₃計(jì)）mg/L 330 16 95.2 Ca²⁺　　　　 mg/L 66.68 0.5998 99.1 Mg²⁺　　　　 mg/L 32.43 0.2592 99.2 Al³⁺ mg/L 0.1950 0.0154 92.1 Na⁺　　　　　 mg/L 9.970 1.564 84.3 K⁺ mg/L 3.637 0.6254 82.8 Fe²⁺　　　　mg/L 0.5758 0.1685 70.7 Cu²⁺　　　　 　　　　mg/L 0.0180 0.0000 ＞99.5 Pb³⁺　　　　 mg/L 0.0331 0.0296 10.6 Cl^-　　　　　 mg/L 18.64 4.73 74.4 HCO₃^-*　　　 mg/L 246.81 18.94 92.3 SO₄^2-　　　　 mg/L 52.1 0.53 99.0

3.1.1 對(duì)離子的去除
　　從表1可看出，TS80膜對(duì)鈣、鎂離子的去除率很高，達(dá)99%以上，這一點(diǎn)也可從硬度的去除效果得出（95.2%）。對(duì)單價(jià)離子的去除較二價(jià)或多價(jià)離子稍低，在80%左右。除Al³⁺以外，陽(yáng)離子的去除率隨離子有效半徑的增加而增加，陰離子也表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。
3.1.2 pH值的變化
　　TS80膜產(chǎn)水的pH值較進(jìn)水pH值下降1.3個(gè)單位。這是由于CO₃^2-,HCO₃^-,CO₂,OH^-和H⁺透過(guò)膜的能力不同，原先進(jìn)水的平衡被破壞而造成的，故產(chǎn)水pH值為6.40～7.35。
3.1.3 對(duì)陰離子洗滌劑（LAS）的去除
　　在試驗(yàn)條件下，TS80膜對(duì)LAS的去除率在91.9%，這是因?yàn)椋篢S80膜雖然屬于傳統(tǒng)軟化膜，但是表面活性劑容易吸附在膜面上，并顯著的影響膜表面電荷，其中陰離子洗滌劑能使膜面上負(fù)電荷增強(qiáng)，等電點(diǎn)降低^[7]，從而使TS80膜表面呈一定的電負(fù)性，因此對(duì)陰離子洗滌劑的去除率高。同時(shí)，陰離子洗滌劑的分子量也決定了它的高去除率。
3.2 微生物分析
　　由于人的口腔、鼻子及喉嚨中常含有白假絲酵母、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌^[1]，所以本研究中除常規(guī)微生物分析外，還采用這三種微生物作為受試生物，結(jié)果見(jiàn)表3。 表3 微生物的分析結(jié)果 水樣 細(xì)菌總數(shù)(個(gè)/mL) 大腸菌群(個(gè)/L) 金黃色葡萄球菌(個(gè)/L) 綠銅假單胞菌(個(gè)/L) 白假絲單胞菌(個(gè)/L) 污水 無(wú)法計(jì)數(shù) 20 未檢出 未檢出 4 預(yù)處理出水 無(wú)法計(jì)數(shù) 20 未檢出 未檢出 1 納濾膜出水 85 ＜3 未檢出 未檢出 未檢出

　　從表3可以看出，納濾膜對(duì)細(xì)菌有很好的去除率，其出水滿足GB5749-85的微生物學(xué)指標(biāo)。這說(shuō)明利用納濾膜作為物理消毒方法以取代常規(guī)的化學(xué)消毒是可行的。

4 納濾膜設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　對(duì)于反滲透膜，通常采用金字塔排列、單個(gè)壓力容器內(nèi)裝6根卷式膜組件、無(wú)濃水循環(huán)結(jié)構(gòu)以獲得較高的回收率。但是，由于進(jìn)水鹽濃度低和一價(jià)離子去除率低，使納濾膜系統(tǒng)的進(jìn)水壓力和滲透壓比反滲透要低得多。因此納濾系統(tǒng)的水頭損失不能象反滲透系統(tǒng)那樣被忽略，傳統(tǒng)的反滲透設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適于納濾系統(tǒng)，這意味著對(duì)于納濾系統(tǒng)不同的組件排列或級(jí)、段設(shè)計(jì)或不同的膜組件設(shè)計(jì)將會(huì)有更好的效果。
　　Eriksson^[9]認(rèn)為納濾系統(tǒng)可采用滲透回壓、增設(shè)中間加壓泵和濃水回流等三種方法來(lái)提高回收率。通過(guò)比較，我們?cè)诹茉∷{濾膜處理中采用一段濃水回流系統(tǒng)（回流至中間水箱），以獲得最大的水利用率（回收率），運(yùn)行情況見(jiàn)表4。

表4 TS80膜的運(yùn)行情況 時(shí)間min 水樣 pH 電導(dǎo)率μs/cm 壓力MPa 中間水箱水的體積L 流量L/h 濁度NTU TOC 溫度℃ 0 進(jìn)水 7.75 512 99.3 318 16 產(chǎn)水 6.40 23 0.7 24.1 30 進(jìn)水 7.80 587 84.7 17 產(chǎn)水 6.48 24 0.7 23.7 60 進(jìn)水 7.93 677 74.2 17 產(chǎn)水 6.65 27 0.7 23.4 90 進(jìn)水 8.10 777 63.5 18.9 17 產(chǎn)水 6.78 33 0.71 23.1 0.2 120 進(jìn)水 8.22 921 52.1 18 產(chǎn)水 6.95 42 0.70 22.8 180 進(jìn)水 8.48 1350 29.3 43.5 19 產(chǎn)水 7.20 78 0.71 21.3 1.3 210 進(jìn)水 8.61 1840 17.9 59.1 75.7 20 產(chǎn)水 7.35 121 0.71 19.8 0.27 2.5

　　由表4可以計(jì)算出TS80膜的最大回收率Y為：（99.3-17.9）/99.3=82.0%，此時(shí)，膜的產(chǎn)水量下降了28.4%（經(jīng)溫度修正），這說(shuō)明膜已受到污染，需要清洗。而在運(yùn)行了180min后，膜的產(chǎn)水量就已經(jīng)下降了20.5%，此時(shí)回收率為70.5%。因此，建議在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，納濾膜的回收率控制在75%，這可相對(duì)減緩膜的污染。
　　隨著回流運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增大，由于濃水污染物濃度不斷增加，同時(shí)pH值亦升高，使得膜進(jìn)水中的溶質(zhì)濃度及pH值增加，而溶質(zhì)透過(guò)膜是與進(jìn)水中溶質(zhì)濃度直接相關(guān)的，所以產(chǎn)水中的電導(dǎo)率和pH值也逐漸增高。產(chǎn)水中TOC升高的原因可以認(rèn)為是：①隨著回流次數(shù)的增加，膜面上產(chǎn)生了較高的濃差極化；②高濃度的TOC和電導(dǎo)率會(huì)壓縮膜面上的電荷密度，使得膜對(duì)某些有機(jī)物的排斥力減小。此外，某些有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)在高TOC和含鹽量（TDS）環(huán)境下會(huì)發(fā)生變化，使得這些有機(jī)物難以被膜去除^[10]。回流試驗(yàn)表明：循環(huán)系統(tǒng)的膜污染問(wèn)題值得注意。

5 結(jié)論

　　1.直接過(guò)濾—納濾組合工藝用于淋浴水回用在技術(shù)上是可行的。納濾膜出水水質(zhì)達(dá)到現(xiàn)行的生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-85），能夠滿足淋浴水回用的要求。
　　2.建議納濾系統(tǒng)的操作壓力為0.7MPa，回收率75%（采用濃水回流系統(tǒng)）。
　　3.納濾膜對(duì)無(wú)機(jī)鹽去除是靠離子的電荷密度，有效半徑和膜間的靜電作用，對(duì)中性物質(zhì)的去除是靠尺寸大小，對(duì)有機(jī)物的去除決定于有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特征（如分子量、極性）與有機(jī)物同膜間的相互作用關(guān)系。
　　4.納濾膜對(duì)病原菌等微生物有很高的去除率，膜出水沒(méi)有檢出白假絲酵母、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌。這說(shuō)明利用納濾膜作為物理消毒方法，以取代常規(guī)的化學(xué)消毒方法是可行的。

參考文獻(xiàn)

　　1.W.D.Burrows et al.. Nonpotable reuse: development of health criteria and technologies forshower water recycle. Wat. Sci. Tech.,1991,23(9):81-88
　　2.Doug Snowdon. Shower water recovery by UF/RO. SAE paper No. 911455,21th Intersociety Conference on Enviromental Systems, SanFrancisco, July 1991
　　3.E. Verostko et al.. Test results on reuse of reclaimed shower water-a summary. SAE paper No.891443, 19th IntersocietyConference on Environmental Systeems, San Diego, July 1989
　　4.崔召女等.洗浴水凈化和回用研究.見(jiàn)：資源、發(fā)展與環(huán)境保護(hù)—第三屆海峽兩岸環(huán)境保護(hù)學(xué)術(shù)研討會(huì)。北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1995：90-94
　　5.劉靜偉等。超濾法處理賓館洗浴廢水及超濾裝置的研制開(kāi)發(fā).膜科學(xué)與技術(shù)，1998，18（5）：35-37
　　6.Kunio Ebie等.直接過(guò)濾法處理寒冷地區(qū)高色度地表水.見(jiàn)：給水與廢水處理國(guó)際會(huì)議論文集.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994：32-43
　　7.E.Childress et al.. Effect of sollution chemistry on the surface charge of polymericreverse osmosis and nanofiltration membranes. J. Of Membrane Science, 1996,19(2):253-268
　　8.Eisenberg, Talbert N. Reverses osmosis treatment of drinking water. Stoneham: Butterworth Publishers, 1986:27
　　9.Peter Eriksson. Nanofiltration extends the range of membrane filtration. Environmental Progress, 1988,7(1):58-62
　　10.Paul Fu et al.. Selecting membranes for removing NOM and DBP precusors. J. AWWA, 1994,84(11):55-72