當越來(lái)越多的組織、市政和公司開(kāi)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(shí)，常用的技術(shù)是低高壓膜過(guò)濾系統。膜過(guò)濾中最常見(jiàn)的挑戰是生物污染，由細菌增值所引起，會(huì )降低膜的性能。生物污染特別涉及到城市污水處理廠(chǎng)的回收過(guò)程，必須考慮具有成本優(yōu)勢且具有其它優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)來(lái)控制生物污染，如高級氧化。
賓夕法尼亞中部地區的大學(xué)聯(lián)合管理局（UAJA）用高級氧化過(guò)程（advanced oxidation process，AOP）來(lái)控制反滲透過(guò)程中的生物污染。附加的系統同時(shí)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(guò)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(gè)校園提供污水處理服務(wù)的同時(shí)，管理局面臨著(zhù)日益增長(cháng)的社區，以及長(cháng)期可持續性和流域保護的需求。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(huì )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(zhì)量和數量進(jìn)行了嚴格的限制。
跟RO相關(guān)的化學(xué)品費用
UAJA的設施符合三級污水排放標準，其中包括州內最嚴格的排放限制，和0.13 mg/L 的總溶解磷標準。建造于1969年的設備水力涉及容量為3.84 MGD（百萬(wàn)加侖），管理局在1992年和2002年分別升級了設施。目前，設備最大的月流量為10.56 MGD和5萬(wàn)磅/天的有機物負載。
為了達到PADEP的嚴格監管，管理局在2002年實(shí)施了一項屢獲殊榮的水回用計劃，并于2005年在其新工廠(chǎng)開(kāi)始運營(yíng)?，F在將部分處理過(guò)的廢水排放到Spring Creek中，水質(zhì)超過(guò)州和聯(lián)邦的飲用水標準。
管理局還為社區提供了包括游泳池、自助洗衣店、洗車(chē)、草皮灌溉等過(guò)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(guò)程，將二次澄清池污水轉化為滿(mǎn)足聯(lián)邦和州飲用水要求的供水。最初，該過(guò)程由微濾、RO、pH穩定劑、紫外消毒和用于分配殘余物的氯化過(guò)程組成。在最近的系統升級運行后，管理局發(fā)現計劃中的間歇性水處理殺蟲(chóng)劑優(yōu)先進(jìn)入了RO而不能有效地控制生物污染。為了穩定壓力，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(chóng)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(guò)量和氮濃度升高了。雖然最后的排放廢水仍滿(mǎn)足標準，但是RO膜已經(jīng)超過(guò)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(guò)程中的一部分，決定審查與膜操作相關(guān)的所有成本，發(fā)現其生物污染成本多年來(lái)急劇上升。此外，管理局發(fā)現其用于現場(chǎng)產(chǎn)生次氯酸鈉的設備已磨損，可能需要大量的資金來(lái)升級。
高級氧化過(guò)程
控制生物污染的一種方法是高級氧化過(guò)程（AOP），其通過(guò)羥基自由基的反應來(lái)氧化破壞污染物。這些基團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(chóng)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(guò)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，產(chǎn)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(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(guò)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(gè)供應商，以測試各制造商系統的有效性并確定決定操作經(jīng)濟性的關(guān)鍵性能指標。由于主要目的是為RO提供預處理，所以過(guò)氧化氫的有限應用沒(méi)有足夠的經(jīng)驗值得進(jìn)一步考慮，并不包括在實(shí)驗室測試規模中。該過(guò)程用異養菌平板計數法（heterotrophic plate s）去除作為生物污染控制的關(guān)鍵指標。實(shí)驗室測試表明紫外、臭氧、二氧化氯的性能等同于管理局現有的生物污染控制，并能夠將板數降低到最低。
RETTEW隨后審查了每個(gè)替代方案的實(shí)施和經(jīng)濟影響（表2）。所有的選項是為了將現有的處理系統更加經(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(méi)有規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(lái)可能會(huì )需要用到，因此該方法迅速成為類(lèi)似管理局的再利用系統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(shí)施AOP，管理局最終在其項目的后期階段實(shí)施了此方法。由于A(yíng)OP可以提供符合國家監管標準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)濟節省，但是臭氧氧化的AOP的潛在長(cháng)期的優(yōu)勢讓管理局選擇其作為首選的方法。
UAJA的AOP系統
AOP過(guò)程由臭氧生成系統和將臭氧注入RO料液以及二級安全設備組成。系統需求包括：
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
5.臭氧接觸器
6.臭氧淬火噴射系統
7.廢氣收集和銷(xiāo)毀系統
第三方供應商提供氧氣，氧氣儲存在專(zhuān)為此制造的外部冷卻塔中。當需要使用時(shí)，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(zhì)輸送到AOP系統中。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(diǎn)溫度（dew point）。
臭氧發(fā)生器將冷凍的氣態(tài)氧轉化為臭氧氣體，最大產(chǎn)能為每天53磅（24kg）濃度為5%的臭氧。未來(lái)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(guò)文丘里管注射器（venturi injector）施加到側流水進(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(gè)4200加侖的不銹鋼擋板箱，設計是用于提供最小的反應接觸時(shí)間?；谶M(jìn)行的可處理性研究，在4.0 mg/L臭氧的劑量下，設計的接觸時(shí)間為5分鐘，通過(guò)臭氧接觸器中的臭氧破壞滑塊來(lái)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。管理局監控廢氣的臭氧濃度，確保無(wú)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調整了現有化學(xué)計量系統的一部分，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。
建設
于2014年夏季開(kāi)始建設，2015年初開(kāi)始運作。設備成本低于A(yíng)OP評估的預期，節省了約10萬(wàn)美元的成本，與AOP部分相關(guān)的總項目成本約為80萬(wàn)美元。
截至目前，功率和氧氣消耗已經(jīng)低于預期。操作系統監測總有機碳和相關(guān)污染物的減少。目前來(lái)說(shuō)操作系統非常穩定，與使用之前的氯化/脫氯方案相比，使用臭氧對AOP沒(méi)有任何性能下降。
結論
適當的生物污染控制對于RO系統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(lái)說(shuō)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(guān)的污染物，AOP證明是對傳統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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