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實驗背景：該項目為國內造紙行業中水回用項目，日處理量：20000m3/d，廢水來源：經該公司污水處理站處理后二沉池出水，后期經過：預處理+UF+RO工藝達到中水回用，以下為前期中試設備現場試驗，采用主體工藝為：砂濾+UF+NF工藝。實驗總共運行了65天，每個系統的運行情況和大家分享如下。
1、砂濾系統
由于原水的懸浮物較多，水質較差，導致砂濾系統污堵較快，致使砂濾的產水對UF系統的供應不足。于是增加砂濾反沖的頻率，將反沖的周期由初始設計的1天/次調整為1 h/次。調整后，砂濾產水勉強可以保證UF系統的正常運行。
2、UF系統
(1)4只UF膜組件(單只膜面積50 m2)的產水量為5.6-6.2 m3/h;濃水量為0.6 m3/h;平均產水率為90 %-91 %。
(2)每天進行一次維護洗，包括堿洗和酸洗兩個步驟。清洗完畢后，壓力會有所下降，但隨著實驗的進行，壓力又會緩慢上升至初始水平。并且到實驗的后期，壓力會越來越高，最終只能進行化學清洗。
(3)UF實驗總共進行了2個周期，第一個周期運行了28天，第二個周期運行了23天;第二個周期縮短的原因有兩個：第一，膜清洗后，沒有完全恢復到初始水平;第二，實驗后期，疊片過濾器出現故障，導致膜污染加劇，縮短了膜運行的時間。
(4)每個周期結束后，對膜進行化學清洗。包括堿洗(NaOH+NaClO)和酸洗(HCl)兩個部分。從清洗結果來看，化學清洗并不能完全將膜恢復到初始水平，但已經基本洗出，可以進行下一個周期的實驗。
3、NF系統
(1)6只NF膜(單只膜面積35 m2)的產水量為2.8-3.2 m3/h;濃水量為1.4-1.6 m3/h;產水率為63 %-70 %;
(2)每12 h進行一次沖洗。具體步驟為利用納濾膜的產水將膜中的濃水置換出來。實驗后期由于膜有結垢污染，會適當加入HCl進行沖洗。用水沖洗，雖然剛沖完后運行膜的壓力會有所下降，但是很快壓力又會上升(10min左右)，說明該方法不能起到本質的作用。
用HCl沖洗后，壓力下降幅度較大，而且可以穩定運行5天左右，對減輕膜的結垢問題有一定效果。但是實驗后期每次HCl沖洗后，只能維持1-2天，主要原因還是由于膜結垢情況越來越嚴重。
(3)總共運行了2個周期，第一個周期為17天，第二個周期為34天。
第二個周期運行時間明顯較第一個周期要長，主要原因就是第二個周期引入了HCl沖洗。
(4)每個周期結束后，對膜進行化學清洗。化學清洗包括酸洗(檸檬酸)和堿洗(NaOH+EDTA)兩個部分。從清洗結果來看，化學清洗并不能完全將膜恢復到初始水平。但是清洗有一定的效果，可以進行下一步的實驗。
以上是對整個實驗情況的總結，具體的實驗過程以及實驗中出現的問題總結如下。
一、實驗目的
1、考察砂濾罐的運行穩定性及砂濾出水水質，優化反沖周期;
2、考察超濾系統的運行穩定性及出水水質，優化包括反沖頻率、氣擦洗強度、化學清洗周期等參數;
3、考察納濾系統的運行穩定性及出水水質，優化包括回收率、阻垢劑加藥量等參數;
4、確定整個雙膜法系統運行的加藥量，核算運行成本。
二、實驗器材
2.1 實驗中所用的設備
2.1.1 超濾系統
中空纖維超濾系統主要包括：疊片過濾預處理系統(精度100 μm)、4只超濾膜組件、氣擦洗及反洗系統。
2.1.2 納濾系統
納濾系統主要包括：6只8040納濾膜組件以及加藥裝置。
超濾系統和反滲透系統的照片如圖2-1和2-2所示，實驗現場照片如圖2-3所示。
圖2-1 超濾系統
圖2-2 反滲透系統
2.2 實驗中所用的膜
實驗中所用的膜主要包括陶氏和九思兩種，具體的參數如表2-1所示.
三、實驗方案
3.1 工藝流程
本次實驗采用砂濾+疊片過濾+UF+NF的雙膜法工藝，具體工藝流程如圖3-1所示。
圖3-1 中水回用工藝流程圖
現在的處理工藝是廢水先經過生化，再經氣浮和芬頓，最終的出水達標排放。最終出水的COD在40 mg/L左右。
原計劃雙膜法采用氣浮出水作為原水，但是由于客戶的原因，只能將二沉池的出水作為原水。由于二沉池的水質較氣浮出水的水質要差，所以對后續的實驗穩定性也存在著一定的影響。
3.2 各工藝段參數
3.2.1 砂濾參數
砂濾主要砂濾罐和多路閥兩部分組成。
(1)砂濾組成：砂濾下層為礫石，直徑4-8 mm，砂濾上層為石英砂，直徑2-4 mm。
(2)砂濾產水量：設計至少8 m3/h。(但是實際運行只有5-6 m3/h)
(3)砂濾反沖周期：1天/1次(但是實際運行過程中，1小時/反沖一次)
3.2.2 疊片參數
疊片過濾器如圖3-3所示
圖3-3 疊片過濾器圖片
(1)疊片過濾精度：100 μm
(2)反洗周期：25 min
3.2.3 超濾參數
實驗中超濾采用的是中空纖維膜，具體如圖3-4所示。
圖3-4 超濾膜設備圖片
(1)產水量：5.6-6.2 m3/h;濃水量：0.6 m3/h;產水率：90 %-91 %。
(2)運行參數：過濾25 min，氣擦洗45 s，排水20 s，正洗10 s，反洗上排15 s，反洗下排15 s，疊片過濾器反洗20 s。
(3)維護洗參數：24 h進行一次維護洗。包括堿洗和酸洗兩個步驟。具體步驟如下：
堿洗步驟
(1)開啟計量泵和反洗泵，將NaOH+NaClO的混合液3 L左右加入到4只超濾膜組件中;
(2)每浸泡5 min氣擦洗一次，總共氣擦洗4次，每次氣擦洗時間為40-60 s之間;
(3)氣擦洗完畢后，用超濾原水將膜沖至中性，進行下一步酸維護清洗。
酸洗步驟
(1)開啟計量泵和反洗泵，將1.5 L 左右30 %濃度的HCl加入到4只超濾膜組件中;
(2)每浸泡5 min氣擦洗一次，總共氣擦洗4次，每次氣擦洗時間為40-60 s之間;
(3)氣擦洗完畢后，用超濾原水將膜沖至中性，進行下一步的實驗;
(4)恒流量考察跨膜壓差的變化趨勢，待跨膜壓差上升至0.15MPa時，停機進行化學清洗。
(5)化學清洗方案：化學清洗包括堿洗(NaOH+NaClO)和酸洗(HCl)兩個部分。(具體見下文)
3.2.4 保安過濾器參數
實驗中所用保安過濾器如圖3-5所示。保安過濾器內裝填的是pp棉。
圖3-5 保安過濾器圖片
(1)保安過濾器中裝填的pp棉為7只;
3.2.5 納濾參數
納濾膜設備如圖3-6所示。
圖3-6 納濾膜設備圖
(1)產水量：2.8-3.2 m3/h;濃水量：1.4-1.6 m3/h;產水率：63 %-70 %;
(2)維護洗參數：12 h進行一次沖洗。具體步驟為利用納濾膜的產水將膜中的濃水置換出來。實驗后期由于膜有結垢污染，會適當加入HCl進行沖洗;
(3)恒流量考察跨膜壓差的變化趨勢，待跨膜壓差上升至0.65MPa左右時，停機進行化學清洗。
(4)化學清洗方案：化學清洗包括酸洗(檸檬酸)和堿洗(NaOH+EDTA)兩個部分。
四、實驗結果
4.1 系統進出水水質分析
4.1.1 系統進水水質分析
實驗過程中，每天分別對原水的COD、SS、電導率和pH進行監測。具體的實驗結果如圖4-1所示。
圖4-1 原水水質分析圖
從圖中可以看出：(1)系統進水的COD在80-160 mg/L之間波動，波動的幅度較大，平均的COD在120 mg/L左右。
(2)分析了砂濾出水的SS值隨運行時間的變化。實驗初期進水SS波動較大，最大可達75 mg/L，肉眼可見懸浮物明顯。隨著砂濾運行的穩定，超濾進水的SS維持在20 mg/L。砂濾產水渾濁不透明，但無明顯懸浮物。
(3)系統進水電導率波動較大，在1500-3000 μS/cm。根據分析結果，來水電導率增大時，系統進水鈣離子濃度及碳酸根濃度均增大，會增大系統結垢的風險。因此，需根據進水電導率的變化適當調整NF系統的回收率。
(4)系統進水pH值在7.8-8.2之間呈現無規律波動，對于膜分離過程來說，原水pH值偏高，高硬度廢水更容易導致納濾膜結垢。因此，適當降低原水的pH值更有利于納濾膜的穩定性。
4.1.2 系統出水水質分析
1、COD變化規律
原水經過UF+NF系統后，出水的COD變化規律如圖4-2所示。
圖4-2 各工藝段出水COD值變化規律圖
從圖4-2中可以看出一下幾個方面的問題：
(1)原水的COD在120 mg/L左右，波動較大;
(2)UF產水的COD在110 mg/L左右，UF對COD的平均去除率在10 %左右;由于UF的主要目的是去除水中的懸浮物，降低濁度。因此，10 %的COD去除率也可以接受。
(3)NF產水的COD基本為0，偶爾會有波動，但最高也只有4 mg/L。因此，納濾膜對該廢水的COD去除效果十分顯著;
(4)NF濃水的COD在350 mg/L左右，整個NF系統的濃縮倍數在3倍左右。工程上可以對NF濃水進一步的濃縮，提高水的回收率。最終的濃水可以考慮返回到原水或者進一步的濃縮蒸發處理。
2、電導率變化規律
原水經過NF系統后，出水的電導率變化規律如圖4-3所示。
圖4-3 各工藝段出水的電導率變化規律圖
從圖4-3中可以看出以下幾個方面的問題：
(1)原水的電導率在1500-3000 μS/cm之間波動，平均的電導率在2400 μS/cm左右;波動范圍較大;
(2)NF產水的電導率維持在240 μS/cm左右，NF的產水電導較為穩定;(3)NF濃水的平均電導率在6000 μS/cm左右，NF濃縮3倍左右。
3、硬度變化規律
原水經過NF系統后，出水的硬度變化規律如圖4-4所示。
圖4-4 各工藝段出水的硬度變化規律圖
從圖4-4中可以看出以下幾個方面的問題：
(1)原水的硬度在6-12 mmol/L之間波動，平均硬度在8 mmol/L左右;
(2)NF產水的硬度在0.3-2 mmol/L之間波動，但除了幾個點較高外，均在1 mmol/L以下;NF系統對硬度的去除效果很好。
(3)NF濃水的硬度在16-30 mmol/L之間波動，平均硬度在20 mmol/L左右。
4.2 超濾實驗
4.2.1 超濾運行情況
超濾的跨膜壓差和產水、濃水流量隨時間的變化規律如圖4-5所示。
圖4-5 超濾跨膜壓差和濃產水流量隨時間的變化規律圖
從圖4-5中可以看出以下幾個方面的問題：
(1)UF總共運行了2個周期，圖中綠線為兩個周期的分界線。第一個周期壓力從0.04 MPa上升至0.15 MPa后開始對膜進行化學清洗;第二個周期壓力從0.06 MPa上升至0.15MPa后開始對膜進行化學清洗。
(2)第一個周期總共運行了28天，0-175 h之間時，壓力上升較快，原因是由于剛開始只采用NaClO進行維護洗;175-550 h之間時，壓力處于波動狀態，每天進行維護清洗后，壓力會下降到初始水平，原因是由于在這段時間不僅采用NaClO，而且采用HCl進行維護清洗，清洗的強度明顯增大;但是在該階段后期，壓力有較為明顯的上升;于是在550-650 h之間時，在堿洗時，加入了一定量的NaOH，剛開始清洗后壓力有所下降，但是后期壓力依然上升較快，待壓力到達0.15 MPa時，停機進行化學清洗。
(3)第二個周期總共運行23天，運行時間比第一個周期要短。且從剛開始就一直采用NaOH+NaClO堿洗和HCl酸洗的清洗方法，壓力也是一直呈現波動的狀態，基本穩定在0.1 MPa左右;實驗后期壓力依然上升較快，待壓力到達0.15 MPa時，停機進行化學清洗。
第二個實驗周期比第一個周期要短的原因主要有兩個方面：(1)膜清洗后，第二個周期的起始壓力為0.06 MPa，較第一個周期的起始壓力0.04 MPa要高;(2)該周期在運行過程中，由于疊片過濾器出現故障，導致UF進水的濁度變高，膜污染速度加快。但這個原因可能是導致第二個周期時間變短的主要原因。
(4)UF產水的平均流量在5.6 m3/h左右，但是從圖中可以看出，在實驗的后期一段時間內，產水流量只有4-5 m3/h之間，且壓力上升較快(見圖4-5中的A點處)。分析原因還是由于疊片過濾器損壞導致膜的污染程度加重。
(5)UF濃水的流量控制在0.6 m3/h，整個UF系統的產水率控制在90 %以上。
整個實驗過程中，超濾的產水率如圖4-6所示。從圖中可以看出，超濾的平均產水率在90 %左右。
圖4-6 超濾的產水率圖
在整個實驗過程中，每天對UF產水的濁度進行監測。具體的檢測數據如圖4-7所示。
圖4-7 超濾的產水濁度監測圖
從圖4-7中可以看出，UF產水的濁度基本在1 NTU以下(UF產水均﹤1 NTU，如果﹥1 NTU，可以考慮是不是系統何處出了問題)。但是期間濁度有超過1 NTU的情況存在。
分析原因主要有兩個方面。
(1)29-32天之間是由于UF產水罐結垢情況嚴重，在水流的沖刷下脫落，導致UF產水的濁度升高(由于是從UF產水桶中取樣);
(2)實驗后期，由于一個氣動閥門出現裂縫，導致少量的砂濾產水沒有經過膜過濾，直接進入了UF的產水桶，致使濁度升高。
4.2.2 超濾洗膜情況
超濾洗膜主要包括堿洗和酸洗兩個部分。具體的清洗步驟如下。
1、堿洗步驟
(1)加藥劑清洗前，先用清水將膜中的原水和濃水沖洗干凈后，再將設備中的水排凈;
(2)配制堿洗藥劑：將NaOH和NaClO(濃度均在30 %左右)各3L加入到300-400 L的清水中，配制成堿溶液;
(3)先將堿溶液在膜中循環2 h，完畢后，浸泡1 h。再對膜進行氣擦洗，每次浸泡5 min，氣擦洗50 s，重復4次。氣擦洗完畢后，再循環1h。
(4)清洗完畢后，利用清水對膜進行沖洗，直至中性。下一步進行酸洗。
2、酸洗步驟
(1)加藥劑清洗前，先將設備中的水盡量排凈;
(2)配制酸洗藥劑：將3 L30 %左右濃度的HCl配制成300-400 L的酸洗溶液;
(3)先將酸溶液在膜中循環2 h，完畢后，浸泡1 h。再對膜進行氣擦洗，每次浸泡5 min，氣擦洗50 s，重復4次。氣擦洗完畢后，再循環1h;
(4)清洗完畢后，利用清水對膜進行沖洗，直至中性。清洗完畢后，進行下一步的實驗。
3、清洗結果
分別進行堿洗和酸洗后，開始進行下一個周期的實驗。新膜的產水量為6 m3/h時，跨膜壓差為0.04 MPa;清洗完畢后，產水量為6 m3/h時，跨膜壓差為0.06 MPa。
從清洗結果來看，化學清洗并不能完全將膜恢復到初始水平，但已經基本洗出，可以進行下一個周期的實驗。
4.2.3 實驗中出現的問題
問題一：UF進水供應不足，導致經常需要停開機，影響運行的時間
超濾進水供應不足的主要原因是由于砂濾的產水不夠。砂濾的供水泵的流量為10 m3/h，理論上可以滿足砂濾產水8 m3/h以上的要求。但是由于原水水質較差，固體顆粒和懸浮物較多，導致砂濾污堵較快。
針對這一情況，增加了砂濾反沖的頻率。系統初始設計砂濾的反沖周期為1天/次，但是砂濾的產水越來越小，根本無法滿足超濾的進行要求。于是將砂濾的反洗周期改為1h/次，勉強能夠滿足超濾的進水流量要求。
問題二：中間水罐結垢，導致產水濁度升高
由于超濾的產水濁度﹥1NTU，懷疑是超濾膜膜絲出現斷絲的情況。于是分別對4只膜組件的產水和4只膜的總產水以及超濾產水罐中的產水進行取樣，分析濁度。結果發現四支超濾膜產水濁度和總的產水濁度均﹤1NTU，分別為0.57 NTU、0.47NTU、0.51 NTU、0.41 NTU，而超濾產水罐中水的濁度為1.57 NTU。膜的情況良好，說明并不是膜絲斷裂的原因。
原因可能是由于超濾產水罐長期使用，導致大量結垢，在水的沖刷下會有大量的垢溶出，導致濁度上升。同時也導致納濾的進水濁度偏高，大大地縮短了pp棉的使用壽命。(第一次pp棉使用時間為一個月，但是濁度上升后，使用時間只有一周左右)
問題三：氣動閥門出現裂縫，導致部分砂濾產水直接進入超濾產水罐，使納濾進水的濁度上升。
由于氣動閥門質量問題，經過一段時間使用后，閥門的閥芯出現裂縫，從而導致一部分砂濾產水直接進入超濾產水罐。
由于只是閥芯出現裂縫，管路并沒有漏水;另外期間一直以為還是由于中間水罐結垢導致產水濁度升高。致使我們沒有及時發現該問題，結果超濾產水罐中的濁度﹥2NTU。
出現的后果是pp棉3-5天即需要更換一次，而正常情況下pp棉可以使用一個月。后將閥門更換，系統運行恢復正常。
問題四：疊片過濾器故障，導致超濾污染速度加快，致使第二個周期運行時間縮短。
由于長期對疊片過濾器進行反沖，導致其頂部嚴重變形，如右圖所示。這樣導致疊片過濾器在整個系統中沒有起到去除懸浮物的作用，致使超濾膜污染迅速。剛剛洗完的膜，運行壓力為0.06 MPa，2天壓力即上升至0.15MPa，而且采用日常的維護清洗后，壓力雖然下降，但是很快就上升的很高。后將該問題排除后，系統恢復正常。
該問題側面也反應出了疊片過濾器在整個系統中的重要作用，它對于一些大顆粒的懸浮物雜質的去除效果十分顯著，是整個系統中必不可少的一部分。
4.3 納濾實驗
4.3.1 納濾運行情況
實驗過程中，分別對跨膜壓差和濃產水流量進行監測，具體如圖4-8所示。
圖4-8 NF跨膜壓差和濃產水流量變化規律圖
從圖4-8中可以看出以下幾個方面的問題：
(1)整個納濾膜實驗分為兩個周期，以圖中綠線為分界線;
(2)第一個周期運行了14天左右，跨膜壓差從0.35 MPa上升至0.65 MPa后，對納濾膜系統進行化學清洗。清洗完畢后進行第二個周期的實驗;
(3)如圖4-8中第一個周期實驗，在58 h-91 h時間段，提高高壓泵頻率，提高水回收率至76 %左右，但是壓力上升較快。于是又將水回收率降至70 %左右。在332-356 h時間段，提高產水量至3.6 m3/h，但是產水量下降較快，運行穩定性較之前變差，于是又將產水量降低至3.0 m3/h左右;
(4)累積時間356 h后，第一次進行化學清洗，包括堿洗和酸洗兩個部分。清洗完畢后運行壓力降至0.48 MPa，膜性能基本得到恢復，產水量和截鹽率保持穩定;
(5)第二個周期實驗開始一段時間后，跨膜壓差也很快上升(同第一個周期)。由于考慮納濾膜的污染主要是CaCO3結垢導致，于是在每天的沖洗水中加入適量的HCl(pH在2-3左右)進行沖洗(第一個周期只用納濾產水進行沖洗)。每次沖洗后，壓力都能恢復到初始水平。
(6)從圖4-8中A點處開始加HCl沖洗，剛開始用HCl沖洗一次后，可以維持5天左右(從圖4-8中A點到B點)，沖洗效果很好。但是到實驗后期，沖洗后維持的時間越來越短，沖洗的頻率不斷增加。最后基本上是1-2天需要加HCl清洗一次。
分析原因：隨著實驗的進行，膜的結垢量越來越大，一次沖洗不能完全將垢完全沖干凈，即使能將垢沖干凈，也勢必需要增加HCl的加入量和沖洗頻率。
整個實驗過程中，納濾的產水率如圖4-9所示。從圖中可以看出，納濾的平均產水率在65 %左右。
圖4-9 NF產水率隨時間的變化規律圖
整個實驗過程中，納濾的截留率如圖4-10所示。從圖中可以看出，納濾的平均截留率在90 %左右。
圖4-10 NF截留率隨時間的變化規律圖
4.3.2 納濾洗膜情況
納濾洗膜主要包括堿洗和酸洗兩個部分。具體的清洗步驟如下。
1、堿洗步驟
(1)加藥劑清洗前，先用清水將膜中的濃水沖洗干凈后，再將設備中的水排凈;
(2)配制堿洗藥劑：用NaOH+1 %EDTA配制成堿溶液，pH控制在10-11之間;
(3)將堿溶液在膜中循環1 h后，停止清洗;
(4)清洗完畢后，利用清水對膜進行沖洗，直至中性。下一步進行酸洗。
2、酸洗步驟
(1)加藥劑清洗前，先將設備中的水盡量排凈;
(2)配制酸洗藥劑：加入一定量的檸檬酸，將酸溶液調節pH至3-4之間;
(3)將酸溶液在膜中循環1 h后，停止清洗;
(4)清洗完畢后，利用清水對膜進行沖洗，直至中性。清洗完畢后，進行下一步的實驗。
3、清洗結果
分別進行堿洗和酸洗后，開始進行下一個周期的實驗。洗膜前跨膜壓差為0.65 MPa;清洗完畢后，跨膜壓差降至0.47 MPa。但是初始的跨膜壓差只有0.35 MPa。
從清洗結果來看，化學清洗并不能完全將膜恢復到初始水平。但是清洗有一定的效果，可以進行下一步的實驗。
4.3.3 實驗中出現的問題
問題一：由于UF產水濁度升高，導致pp棉污染加劇
上文中提到，由于一個氣動閥門出現裂縫，導致一部分原水直接進入超濾產水桶中，致使產水濁度有原來的﹤1NTU上升至2-3 NTU。從而導致pp棉污染速度很快，平均一周就需要更換一次。(保安過濾器前壓力0.2 MPa，出來的壓力幾乎為0，說明pp棉已經完全污堵)
后將閥門跟換后，系統運行正常。
問題二：由于pp棉污堵，致使阻垢劑的使用量大大增加。
由于pp棉嚴重污堵，導致保安過濾器出水很小。但是高壓泵壓力很高，導致加藥泵的加藥速度增快，致使阻垢劑的使用量大大增加。
將pp棉更換后，系統運行恢復正常。
問題三：水中鈣含量較高，納濾膜結垢嚴重。
由于原水中鈣含量較高，平均硬度在8 mmol/L左右，而且原水的pH在8左右，更加劇了納濾膜的結垢。
為了解決納濾膜的結垢問題，實驗中主要采用了兩個方法。
(1)采用酸溶液對已經結垢的膜進行沖洗。雖然沖洗完畢后，膜的性能可以恢復，但是很快又會上升。而且實驗后期，酸的加入量和沖洗頻率均升高。因此，該方法并不能從根本上解決納濾膜的結垢問題。
(2)由于原水的pH在8左右，加劇了納濾膜的結垢。于是試圖將原水的pH調至中性或弱酸性，這樣勢必會減緩納濾膜的結垢問題。
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