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(jīng)費的手段時，常用的技術是低高壓膜過濾系統(tǒng)。膜過濾中常見的挑戰(zhàn)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(yōu)勢且具有其它優(yōu)點的技術來控制生物污染，如氧化。

    賓夕法尼亞中部地區(qū)的大學聯(lián)合管理局(UAJA)用氧化過程(advancedoxidationprocess，AOP)來控制反滲透過程中的生物污染。附加的系統(tǒng)同時提高了管理局清除污染物的能力。

    大學聯(lián)合管理局(UAJA)

    大學聯(lián)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(qū)，以及長期可持續(xù)性和流域保護的需求。附近是一條高品質的冷水漁業(yè)的SpringCreek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(huán)境保護局(PADEP)對處理后的污水排放的質量和數(shù)量進行了嚴格的限制。

跟RO相關的化學品費用

    跟RO相關的化學品費用

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

    為了達到PADEP的嚴格監(jiān)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?，F(xiàn)在將部分處理過的廢水排放到SpringCreek中，水質超過州和聯(lián)邦的飲用水標準。

    管理局還為社區(qū)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SpringCreek的水總量，還抵消了社區(qū)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(lián)邦和州飲用水要求的供水。初，該過程由微濾、RO、pH穩(wěn)定劑、紫外消毒和用于分配殘余物的氯化過程組成。在近的系統(tǒng)升級運行后，管理局發(fā)現(xiàn)計劃中的間歇性水處理殺蟲劑優(yōu)先進入了RO而不能有效地控制生物污染。為了穩(wěn)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。雖然后的排放廢水仍滿足標準，但是RO膜已經(jīng)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(fā)現(xiàn)其生物污染成本多年來急劇上升。此外，管理局發(fā)現(xiàn)其用于現(xiàn)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。

    氧化過程

    控制生物污染的一種方法是氧化過程(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(shù)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

    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(tǒng)的有效性并確定決定操作經(jīng)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(jīng)驗值得進一步考慮，并不包括在實驗室測試規(guī)模中。該過程用異養(yǎng)菌平板計數(shù)法(heterotrophicplates)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(xiàn)有的生物污染控制，并能夠將板數(shù)降低到低。

    RETTEW隨后審查了每個替代方案的實施和經(jīng)濟影響(表2)。所有的選項是為了將現(xiàn)有的處理系統(tǒng)更加經(jīng)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(guī)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(tǒng)的水再利用的必需技術。此外美國環(huán)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(jiān)管標準和指南的這一附屬益處，故優(yōu)先考慮了該技術。在所測試的替代品中，臭氧可以根據(jù)EPA水再利用指南提供給AOP消毒額外的優(yōu)勢。雖然紫外消毒為管理局提供了大的經(jīng)濟節(jié)省，但是臭氧氧化的AOP的潛在長期的優(yōu)勢讓管理局選擇其作為的方法。

    UAJA的AOP系統(tǒng)

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

    1.液氧供應

    2.臭氧發(fā)生器

    3.氣體冷卻和冷卻器

    4.測流氣體注入系統(tǒng)

    5.臭氧接觸器

    6.臭氧淬火噴射系統(tǒng)

    7.廢氣收集和銷毀系統(tǒng)

    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(fā)器將液氧轉化為高純度氣態(tài)氧，并在壓力作用下將該物質輸送到AOP系統(tǒng)中。為提高操作性能，管理局將其氧氣冷卻至低零下60華氏度(零下51℃)的露點溫度(dewpoint)。

    臭氧發(fā)生器將冷凍的氣態(tài)氧轉化為臭氧氣體，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(venturiinjector)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，設計是用于提供小的反應接觸時間?；谶M行的可處理性研究，在4.0mg/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(jiān)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(xiàn)有化學計量系統(tǒng)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(jié)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(jīng)低于預期。操作系統(tǒng)監(jiān)測總有機碳和相關污染物的減少。目前來說操作系統(tǒng)非常穩(wěn)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?shù)纳镂廴究刂茖τ赗O系統(tǒng)的成本控制是重要的。然而，任何生物污染控制的經(jīng)濟優(yōu)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(jīng)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(tǒng)生物污染控制策略的有效替代方法。