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

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) 細菌總數(shù)個/mL 大腸菌群個/L 7.71 芳香 60.3 4.89 191 58.6 521 360 無法計數(shù) 20

　　國外有關(guān)淋浴水回用的研究主要表現(xiàn)在兩個方面^[1-3]：美國宇航局關(guān)于太空站需要可行且能耗低的淋浴水回用設(shè)備。國內(nèi)也進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 工藝簡介

　　淋浴水回用的工藝流程簡介如下：

2.1 預(yù)處理工藝
2.1.1 加藥
　　采用中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心制聚合鋁，借鑒KunioEbie等^[6]的修正燒杯試驗方法確定聚合鋁的最佳投藥量為12mg/L，從泵前投藥至進入絮凝過濾器約2min。
2.1.2 微絮凝過濾器
　　根據(jù)燒杯試驗結(jié)果，我們采用直徑10cm的陶粒柱（裝填高度70cm）進行試驗，濾速控制在10m/h。在試驗條件下，整個預(yù)處理工藝（陶粒過濾-5微米濾芯過濾）對有機物的去除率不高，約30%左右，對濁度的去除達83.1%，但從污染指數(shù)SDI來看預(yù)處理效果能夠滿足膜進水的SDI（≤5）要求。
2.1.3 5微米過濾器
　　作為納濾膜的保安過濾器，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，本試驗選用美國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)方式運行，試驗以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)由于補充新鮮水，使混合膜進水水溫為30℃（在冬季會低些），此時膜產(chǎn)水量較25℃增加17%，這將節(jié)省設(shè)備投資。

3 納濾膜設(shè)備對淋浴水處理效果評價

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

表2 TS80膜的進出水水質(zhì) 測定項目 TS80膜 進水 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）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 對離子的去除
　　從表1可看出，TS80膜對鈣、鎂離子的去除率很高，達99%以上，這一點也可從硬度的去除效果得出（95.2%）。對單價離子的去除較二價或多價離子稍低，在80%左右。除Al³⁺以外，陽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。
3.1.2 pH值的變化
　　TS80膜產(chǎn)水的pH值較進水pH值下降1.3個單位。這是由于CO₃^2-,HCO₃^-,CO₂,OH^-和H⁺透過膜的能力不同，原先進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 對陰離子洗滌劑（LAS）的去除
　　在試驗條件下，TS80膜對LAS的去除率在91.9%，這是因為：TS80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電荷增強，等電點降低^[7]，從而使TS80膜表面呈一定的電負性，因此對陰離子洗滌劑的去除率高。同時，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)果見表3。 表3 微生物的分析結(jié)果 水樣 細菌總數(shù)(個/mL) 大腸菌群(個/L) 金黃色葡萄球菌(個/L) 綠銅假單胞菌(個/L) 白假絲單胞菌(個/L) 污水 無法計數(shù) 20 未檢出 未檢出 4 預(yù)處理出水 無法計數(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，納濾膜對細菌有很好的去除率，其出水滿足GB5749-85的微生物學(xué)指標。這說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

　　對于反滲透膜，通常采用金字塔排列、單個壓力容器內(nèi)裝6根卷式膜組件、無濃水循環(huán)結(jié)構(gòu)以獲得較高的回收率。但是，由于進水鹽濃度低和一價離子去除率低，使納濾膜系統(tǒng)的進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)計結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適于納濾系統(tǒng)，這意味著對于納濾系統(tǒng)不同的組件排列或級、段設(shè)計或不同的膜組件設(shè)計將會有更好的效果。
　　Eriksson^[9]認為納濾系統(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提高回收率。通過比較，我們在淋浴水納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），運行情況見表4。

表4 TS80膜的運行情況 時間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 進水 7.75 512 99.3 318 16 產(chǎn)水 6.40 23 0.7 24.1 30 進水 7.80 587 84.7 17 產(chǎn)水 6.48 24 0.7 23.7 60 進水 7.93 677 74.2 17 產(chǎn)水 6.65 27 0.7 23.4 90 進水 8.10 777 63.5 18.9 17 產(chǎn)水 6.78 33 0.71 23.1 0.2 120 進水 8.22 921 52.1 18 產(chǎn)水 6.95 42 0.70 22.8 180 進水 8.48 1350 29.3 43.5 19 產(chǎn)水 7.20 78 0.71 21.3 1.3 210 進水 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可以計算出TS80膜的最大回收率Y為：（99.3-17.9）/99.3=82.0%，此時，膜的產(chǎn)水量下降了28.4%（經(jīng)溫度修正），這說明膜已受到污染，需要清洗。而在運行了180min后，膜的產(chǎn)水量就已經(jīng)下降了20.5%，此時回收率為70.5%。因此，建議在實際運行時，納濾膜的回收率控制在75%，這可相對減緩膜的污染。
　　隨著回流運轉(zhuǎn)時間的增大，由于濃水污染物濃度不斷增加，同時pH值亦升高，使得膜進水中的溶質(zhì)濃度及pH值增加，而溶質(zhì)透過膜是與進水中溶質(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)率會壓縮膜面上的電荷密度，使得膜對某些有機物的排斥力減小。此外，某些有機物的分子結(jié)構(gòu)在高TOC和含鹽量（TDS）環(huán)境下會發(fā)生變化，使得這些有機物難以被膜去除^[10]。回流試驗表明：循環(huán)系統(tǒng)的膜污染問題值得注意。

5 結(jié)論

　　1.直接過濾—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)達到現(xiàn)行的生活飲用水標準（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.納濾膜對無機鹽去除是靠離子的電荷密度，有效半徑和膜間的靜電作用，對中性物質(zhì)的去除是靠尺寸大小，對有機物的去除決定于有機物的結(jié)構(gòu)特征（如分子量、極性）與有機物同膜間的相互作用關(guān)系。
　　4.納濾膜對病原菌等微生物有很高的去除率，膜出水沒有檢出白假絲酵母、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌。這說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

　　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：資源、發(fā)展與環(huán)境保護—第三屆海峽兩岸環(huán)境保護學(xué)術(shù)研討會。北京：中國環(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發(fā).膜科學(xué)與技術(shù)，1998，18（5）：35-37
　　6.Kunio Ebie等.直接過濾法處理寒冷地區(qū)高色度地表水.見：給水與廢水處理國際會議論文集.北京：中國建筑工業(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