當(dāng)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(shù)是低高壓膜過濾系統(tǒng)。膜過濾中最常見的挑戰(zhàn)是生物污染，由細(xì)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(shù)來控制生物污染，如高級氧化。
賓夕法尼亞中部地區(qū)的大學(xué)聯(lián)合管理局（UAJA）用高級氧化過程（advanced oxidation process，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(xué)聯(lián)合管理局（UAJA）
大學(xué)聯(lián)合管理局為周邊的賓夕法尼亞州立大學(xué)和州立學(xué)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(xué)整個校園提供污水處理服務(wù)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(hù)的需求。附近是一條高品質(zhì)的冷水漁業(yè)的Spring Creek河的源頭，因為被定義為“高品質(zhì)”，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(hù)局（PADEP）對處理后的污水排放的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。
跟RO相關(guān)的化學(xué)品費用
UAJA的設(shè)施符合三級污水排放標(biāo)準(zhǔn)，其中包括州內(nèi)最嚴(yán)格的排放限制，和0.13 mg/L 的總?cè)芙饬讟?biāo)準(zhǔn)。建造于1969年的設(shè)備水力涉及容量為3.84 MGD（百萬加侖），管理局在1992年和2002年分別升級了設(shè)施。目前，設(shè)備最大的月流量為10.56 MGD和5萬磅/天的有機物負(fù)載。
為了達(dá)到PADEP的嚴(yán)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。現(xiàn)在將部分處理過的廢水排放到Spring Creek中，水質(zhì)超過州和聯(lián)邦的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
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Spring Creek的水總量，還抵消了社區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)化為滿足聯(lián)邦和州飲用水要求的供水。最初，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。在最近的系統(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(jìn)入了RO而不能有效地控制生物污染。為了穩(wěn)定壓力，當(dāng)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。雖然最后的排放廢水仍滿足標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)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(chǎn)生次氯酸鈉的設(shè)備已磨損，可能需要大量的資金來升級。
高級氧化過程
控制生物污染的一種方法是高級氧化過程（AOP），其通過羥基自由基的反應(yīng)來氧化破壞污染物。這些基團(tuán)是可以在水中使用的最強氧化劑之一，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(nèi)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
羥基自由基通常由具有能量的氧化劑產(chǎn)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(jìn)行單獨的臭氧AOP處理。臭氧與次級流出物中的有機物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基。該反應(yīng)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(shù)審查的一部分，UAJA和RETTEW聯(lián)系了各種提供臭氧化、紫外消毒、二氧化氯或過氧化氫的生產(chǎn)商。RETTEW從微濾流出物中提取樣品，并提供給各個供應(yīng)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(guān)鍵性能指標(biāo)。由于主要目的是為RO提供預(yù)處理，所以過氧化氫的有限應(yīng)用沒有足夠的經(jīng)驗值得進(jìn)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（heterotrophic plate s）去除作為生物污染控制的關(guān)鍵指標(biāo)。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?qū)鍞?shù)降低到最低。
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(shù)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(shù)。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，管理局最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(biāo)準(zhǔn)和指南的這一附屬益處，故優(yōu)先考慮了該技術(shù)。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最大的經(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首選的方法。
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(shè)備組成。系統(tǒng)需求包括：
1.液氧供應(yīng)
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(yīng)商提供氧氣，氧氣儲存在專為此制造的外部冷卻塔中。當(dāng)需要使用時，蒸發(fā)器將液氧轉(zhuǎn)化為高純度氣態(tài)氧，并在壓力作用下將該物質(zhì)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最低零下60華氏度（零下51℃）的露點溫度（dew point）。
臭氧發(fā)生器將冷凍的氣態(tài)氧轉(zhuǎn)化為臭氧氣體，最大產(chǎn)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(chǎn)能。臭氧氣體先通過文丘里管注射器（venturi injector）施加到側(cè)流水進(jìn)料中，然后與RO進(jìn)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(shè)計是用于提供最小的反應(yīng)接觸時間。基于進(jìn)行的可處理性研究，在4.0 mg/L臭氧的劑量下，設(shè)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(fù)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(diào)整了現(xiàn)有化學(xué)計量系統(tǒng)的一部分，在RO進(jìn)料前將液體亞硫酸氫鈉進(jìn)料到水中，可以提供充分的去除和保護(hù)。
建設(shè)
于2014年夏季開始建設(shè)，2015年初開始運作。設(shè)備成本低于AOP評估的預(yù)期，節(jié)省了約10萬美元的成本，與AOP部分相關(guān)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(yù)期。操作系統(tǒng)監(jiān)測總有機碳和相關(guān)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(jié)論
適當(dāng)?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(shù)對于UAJA來說不是特別必要的，但其應(yīng)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(guān)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。
作者：Michele Braas和Jason Wert
翻譯：陶振
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