MBR—RO組合工藝生產(chǎn)直接飲用再生水的試驗研究

王永剛 李中錕 董婧 潘濤 王旭 李明蔚 張俊娥

摘要：采用膜生物反應(yīng)器-反滲透（MBR-RO）組合工藝處理生活污水的過程中，MBR出水污染指數(shù)（SDI）在2.5～3.5之間，符合RO膜元件進水要求，且添加10 mg/L阻垢劑后能有效控制RO膜的結(jié)垢問題。MBR-RO組合工藝的產(chǎn)水水質(zhì)良好，其中常規(guī)水質(zhì)指標CODMn濃度<0.05 mg/L、NH4+-N濃度0.15 mg/L、NO3--N濃度2.82 mg/L、 NO2--N濃度<0.7 mg/L、TP濃度0.12 mg/L，TOC濃度0.51 mg/L，參照國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》中主要的73項指標分析，產(chǎn)水達到飲用水水質(zhì)標準。本研究結(jié)果表明，采用MBR-RO組合工藝生產(chǎn)直接飲用再生水是可行的。

關(guān)鍵詞：MBR-RO組合工藝；反滲透；生活污水；直接飲用再生水

中圖分類號：X799 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0091-08

Abstract：The municipal domestic sewage was treated by a membrane bioreactor-reverse osmosis（MBR-RO）combined process.The SDI of MBR effluent was between 2.5 and 3.5，which met the demand of RO influent，and the fouling of RO membrane could be controlled after adding 10 mg/L of the antisludging agent.The product water quality of MBR-RO was good，and NH4+-N，NO2--N，TP and TOC concentrations of the effluent were respectively 0.15 mg/L，2.82 mg/L，0.12 mg/L and 0.51 mg/L，and the concentrations of CODMn and NO2--N were below 0.05 mg/L and 0.7 mg/L respectively in MBR-RO.According to the 73 major indexes in the national drinking water sanitary standard，the effluent could meet the drinking water quality.The result showed that MBR-RO combined process for direct potable reuse water production is feasible.

Key words：MBR-RO combined process；reverse osmosis（RO）；domestic sewage；direct potable reuse

隨著全球范圍內(nèi)人口的快速膨脹和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，水的供需矛盾越來越突出，水資源短缺問題在世界上越來越多的地方出現(xiàn)并日益嚴峻[1-2]。為了獲取更多可利用的水資源，在一些國家和地區(qū)，人們已經(jīng)開始將高品質(zhì)再生水直接或間接地回用至飲用水，以此來緩解水資源短缺所帶來的壓力[3-6]。我國新出臺的《水污染防治行動計劃》中也明確要求在缺水及水污染嚴重地區(qū)，要加強再生水循環(huán)利用，鼓勵開展高品質(zhì)再生水補充飲用水水源地的應(yīng)用研究。

生產(chǎn)可飲用再生水的主要工藝流程[7-9]是：“活性污泥工藝+雙膜法”。“雙膜法”是以微濾（microfiltration，MF）或超濾（ultrafiltration，UF）作為反滲透（reverse osmosis，RO）預(yù)處理單元，以保證反滲透穩(wěn)定運行的一種工藝組合。目前有一種新的觀點是利用膜生物反應(yīng)器（membrane bioreactor，MBR）替代污水廠的活性污泥工藝和RO預(yù)處理工藝（MF或UF），形成MBR-RO組合工藝，將污水廠與再生水廠融為一體，可以使工藝緊湊、簡潔，節(jié)約占地，降低運行成本[10-11]，這種工藝組合在國內(nèi)的再生水廠中已有應(yīng)用，例如，煙臺市套子灣污水處理廠部分MBR出水采用RO工藝進行深度處理，處理規(guī)模為4×10⁴ m³/d[12]。但是，目前都是應(yīng)用于生活雜用水或工業(yè)用水，鮮有對產(chǎn)水是否滿足飲用水標準進行詳細分析的案例。

本試驗針對北京某居民生活小區(qū)生活污水采用MBR-RO組合工藝進行處理，考察工藝運行情況，并按照生活飲用水標準分析MBR-RO工藝產(chǎn)水作為可飲用再生水的可行性。

1 試驗設(shè)計

1.1 工藝流程

本試驗以北京市某典型居民區(qū)生活污水為原水（原水水質(zhì)指標見表1），采用MBR-RO組合工藝處理，其工藝流程為：初次沉淀池出水進入MBR系統(tǒng)進行處理，經(jīng)MBR處理的出水經(jīng)過保安過濾器、紫外燈等預(yù)處理之后，再進入RO系統(tǒng)處理，RO產(chǎn)品水收集于產(chǎn)水池見圖1。

1.2 試驗裝置

MBR處理單元采用2個1.6 m×1.2 m×3.5 m

的不銹鋼反應(yīng)容器，每個容器的有效容積為4 m³，內(nèi)置24塊膜元件為國產(chǎn)品牌藍天沛爾PEIER-B-80板式MF膜組件。MF膜元件的具體參數(shù)為：單塊膜元件有效膜面積為0.8 m²，尺寸（長×寬）1 000×490 mm，膜孔徑0.08～0.3 μm，過濾方式為錯流抽吸過濾，膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF）+聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）無紡布襯片。單個MBR反應(yīng)器的曝氣量為0.63 m³/min，污泥濃度（X）為17～19 g/L，水力停留時間（T）為3.2 h，處理水流量（Q1）為2.5 m³/h。

MBR具有較高的污泥濃度和污泥齡，有利于硝化菌的優(yōu)勢繁殖，能夠保證較低的NH4+-N出水濃度。但是，隨著污泥量的不斷增高，反應(yīng)器內(nèi)會出現(xiàn)代謝產(chǎn)物和死菌體的大量積累，影響出水水質(zhì)。從試驗中可以看出（見圖2），排泥周期超過40 d時，出水中NH4+-N濃度會急劇增加，通過定期排泥可以降低出水NH4+-N濃度，保持出水水質(zhì)穩(wěn)定。因此，本試驗中MBR的排泥周期確定為40 d左右。

在MBR處理單元之后，設(shè)置了阻垢劑加藥泵、保安過濾器、紫外燈殺菌燈等裝置構(gòu)成的RO預(yù)處理單元。其中，保安過濾器為三濾芯過濾器，紫外殺菌燈的功率為120 W。試驗中的RO膜元件是美國通用電氣公司（GE）的Duraslick-RO-2540卷式膜，Duraslick系列膜元件具有極高的光滑度和高脫鹽率，是一種適合于污水回用的高抗污染型膜元件。試驗用RO膜元件有效膜面積2.5 m²，其具體操作參數(shù)為：一般操作壓力為1.38 MPa，通量為15～25 L/（m²·h），進水pH為4～10、NTU<1、SDI<5。試驗中RO進水流量（Q2）在0.78～0.84 m³/h之間；RO操作壓力P在1.26～1.32 MPa之間。

1.3 水質(zhì)指標與測定方法

試驗中MBR-RO系統(tǒng)進水水質(zhì)監(jiān)測指標包括pH、CODCr、NH4+-N、TOC、TN、TP、UV254等；MBR出水水質(zhì)監(jiān)測指標包括鈣、鎂、鈉、鉀、NH4+-N、鋇、鍶、鐵、錳、氯化物、氟化物、氰化物、硫化物、溴化物、硫酸鹽、NO3--N、磷酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸鹽、硼、二氧化硅、硫化氫、游離二氧化碳、pH、濁度、色度、電導(dǎo)率、總硬度、總堿度、溶解性總固體、揮發(fā)酚類、陰離子合成洗滌劑、UV254、污染密度指數(shù)（silt density index ，SDI）等。MBR-RO產(chǎn)水參照《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）中水質(zhì)指標進行監(jiān)測。我國現(xiàn)行的飲用水衛(wèi)生標準《生活飲用水衛(wèi)生標準》共106項指標，由于本試驗原水為生活污水，沒有農(nóng)藥面源污染，且工藝流程中以紫外燈物理作用滅菌，沒有添加消毒劑，所以研究中對涉及農(nóng)藥殘留、消毒劑及副產(chǎn)物、放射性指標沒有檢測；考慮到再生水的實際使用中還會有進一步消毒工藝，所以對賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲兩項指標也沒有檢測。因此，除去上述沒有檢測的項目，本試驗對MBR-RO產(chǎn)水共檢測了《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的73項指標，其中感官性狀和一般化學(xué)指標20項、毒理指標共49項、微生物指標共4項，包括總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、菌落總數(shù)、砷、鎘、鉻（六價）、鉛、汞、硒、氰化物、氟化物、硝酸鹽、三氯甲烷、四氯化碳、色度、渾濁度、臭和味、肉眼可見物、pH、鋁、鐵、錳、銅、鋅、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度、CODMn、揮發(fā)酚類、陰離子合成洗滌劑、銻、鈹、硼、鉬、鎳、銀、鉈、氯化氰、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、二氯乙酸、1，2-二氯乙烷、二氯甲烷、三鹵甲烷、1，1，1-三氯乙烷、三氯乙酸、三氯乙醛、2，4，6-三氯酚、三溴甲烷、乙苯、二甲苯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、三氯乙烯、三氯苯、六氯丁二烯、丙烯酰胺、四氯乙烯、甲苯、鄰苯二甲酸二辛酯、環(huán)氧氯丙烷、苯、苯乙烯、苯并（α）芘、氯乙烯、氯苯、氨氮、硫化物、鈉等指標，以及亞硝酸鹽、總磷、總氮、總有機碳、UV254和電導(dǎo)率。

上述監(jiān)測指標中參照飲用水標準選擇的監(jiān)測項目，根據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》中所規(guī)定的飲用水水質(zhì)檢測方法進行測定，其余均采用國家標準方法進行測定[13]。UV254采用UV759紫外可見分光光度計，以1 cm比色皿蒸餾水作參比，測定水樣在波長254 nm處的吸光度。SDI的測定可由下列公式計算：

SDI=（1-[SX（]T0[]Τt[SX）]）×[SX（]100[]t[SX）][JY]（1）

式中：T0為初始時過濾500 ml水所需要的時間；Tt為經(jīng)過t時刻后過濾500 ml水所需要的時間；t為過濾時間，取15 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 MBR出水水質(zhì)

試驗期間，MBR出水中CODCr濃度<20 mg/L，去除率>97%；TOC濃度<10 mg/L，去除率>91%；NH4+-N濃度<1.5 mg/L，去除率>96%。MBR工藝對TN、TP的去除效果較差，平均去除率分別為12%、54.6%。可見，MBR工藝對有機物和NH4+-N的去除效果較好

試驗過程中MBR出水SDI值的范圍是2.5～3.5，可以滿足試驗所用RO膜元件對進水SDI<5的要求。為分析MBR出水對RO膜的結(jié)垢風(fēng)險，試驗中對MBR出水中的鈣、鎂、鋇、氯化物、硫化物、碳酸氫鹽、磷酸鹽等陰陽離子進行了檢測（見表2）。使用GE的WinFlows軟件對MBR出水中陰陽離子濃度進行計算，從計算結(jié)果可知，MBR出水中的CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的飽和指數(shù)分別達到了120%、115%、95%，如果直接將MBR出水進入RO單元，會導(dǎo)致RO膜很快出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢現(xiàn)象，因此必須通過投加阻垢劑的方式來改善水質(zhì)，使之減輕、延緩RO膜的污染過程。參考GE反滲透膜專用藥劑Argo的產(chǎn)品技術(shù)手冊，選用HypersperseTM MDC 150阻垢劑，經(jīng)計算，投加10 mg/L的阻垢劑可以使CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的飽和指數(shù)分別降低為5%、1%、78%，能夠有效地控制RO的結(jié)垢風(fēng)險。

綜上所述，MBR的出水水質(zhì)較好，不僅對常規(guī)污染物有較好的去除效果，適量添加阻垢劑后也能夠滿足RO系統(tǒng)的進水要求，說明在城市生活污水再生回用的應(yīng)用中，MBR作為RO的前處理工藝是完全可行的。

2.2 RO工藝運行情況

MBR-RO組合試驗進行了149 d，在時間跨度

經(jīng)歷了由春季到夏季，試驗期間進水溫度由9.4 ℃升至25.6 ℃。隨著進水溫度的逐漸升高，RO的產(chǎn)水量也在增大，由38 L/h逐漸升至51 L/h，水通量由試驗初期的15 L/（m²·h）上升至20 L/（m²·h）左右（見圖3）。膜的水通量是衡量反滲透工作性能的重要參數(shù)，其主要受到進水壓力、進水溫度、水回收率、進水水質(zhì)、膜污堵狀況的影響。試驗中水通量與水溫呈正相關(guān)，且符合產(chǎn)品性能范圍（15～25 L/（m²·h）），說明在試驗期間RO膜沒有明顯污染。

脫鹽率是衡量RO膜元件運行狀況的重要指標，可由下述公式來計算[14]：

試驗中，RO進水的電導(dǎo)率1 144～1 642 μS/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率11.3～29.4 μS/cm（見圖4）。雖然隨著水通量的上升，脫鹽率略有降低，但總體脫鹽率穩(wěn)定在98%以上（見圖5），說明RO工藝運行穩(wěn)定。

2.3 MBR-RO產(chǎn)水水質(zhì)分析

將MBR-RO產(chǎn)水與我國現(xiàn)行飲用水標準對比分析（表3）發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

（1）從感官性狀和一般化學(xué)指標來看，MBR-RO工藝產(chǎn)水無異臭、異味，無肉眼可見物；色度、濁度均小于檢出限，水質(zhì)感官很好；鋁、鐵、錳、銅、鋅、鈉等金屬陽離子，以及氯化物、硫酸鹽、硫化物等陰離子均符合飲用水標準，且濃度很低，說明RO對離子的去除效果明顯；溶解性總固體、總硬度和CODMn分別為175.5 mg/L、15.5 mg/L和<0.05 mg/L，好于一般地表水和地下水飲用水源；NH4+-N濃度為0.15 mg/L，總?cè)コ蔬_99.8%。

（2）從毒理指標來看，砷、鎘、六價鉻、鉛等37項均小于檢出限，其余12項指標的檢出濃度也很低，僅占到標準值的0.1%～28.2%。

（3）從微生物指標來看，總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌均未檢出，菌落總數(shù)為13 CFU/mL，遠低于100 CFU/mL的標準值。

上述73項監(jiān)測指標中，世界衛(wèi)生組織（WHO）的《飲用水水質(zhì)準則（第四版）》（Guidelines for drinking-water quality，fourth edition）有43項列出限值，本試驗結(jié)果全部符合WHO要求；美國環(huán)保署（EPA）的《美國2004版飲用水標準和健康建議》（2004 Edition of the Drinking Water Standards and Health Advisories）有48項列出限值，本試驗結(jié)果全部符合。由此可見，MBR-RO產(chǎn)水基本能夠滿足飲用水水質(zhì)要求。

本試驗還對MBR-RO產(chǎn)水中NO2--N、TOC、TP、TN、UV254進行了分析檢測。NO2--N、TOC是《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的參考指標，試驗產(chǎn)水中NO2--N<0.7 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》的參考限值要求（限值為1 mg/L），[HJ1.83mm]也滿足WHO（限值為0.9 mg/L）和美國EPA（限值為1 mg/L）的限值要求；TOC濃度0.51 mg/L，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》的限值要求（限值為5 mg/L），總?cè)コ蚀笥?9%。TP、TN是衡量水中營養(yǎng)物質(zhì)的重要指標，試驗產(chǎn)水中TP平均濃度0.12 mg/L，總平均去除率達到98.2%；TN平均濃度1.17 mg/L，總平均去除率達到98.4%。邢鍇[15]等采用MBR-RO工藝處理生活污水，產(chǎn)水中TOC為0.5 mg/L、TP為0.09 mg/L、TN為1.2 mg/L，與本試驗結(jié)果基本一致。曹斌[16]等采用MBR-RO工藝處理生活污水，產(chǎn)水中TOC為1.5 mg/L、NH4+-N為0.03 mg/L、TN為0.1 mg/L、濁度0.12 NTU、TP未檢出，與本試驗相比，NH4+-N和濁度略好于本試驗，TOC差于本試驗，總體結(jié)果基本一致。UV254是表征溶液中芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量的一項指標[17]，很多研究表明，UV254與COD、TOC具有很好的相關(guān)性[18-19]，可以作為有機物的控制參數(shù)，對于評價和衡量水中有機物濃度具有重要意義[20]。本試驗依次測定了生活污水原水、MBR出水、MBR-RO產(chǎn)水、瓶裝飲用水的UV254（圖6），結(jié)果顯示，試驗原水的UV254為1.12～3.52 cm-1，MBR出水的UV254為0.22～0.32 cm-1，MBR對UV254的平均去除率為85.1%。宮麗娜采用MBR工藝處理餐飲廢水，出水中UV254平均值0.47 cm-1，略高于本試驗結(jié)果[21]。本試驗中，RO產(chǎn)水的UV254為0.053～0.085 cm-1，RO對UV254的平均去除率為75.3%，MBR-RO對UV254的總平均去除率為96.3%；相對于瓶裝飲用水（平均值0.073 cm-1）來說，RO產(chǎn)水UV254更低一些，平均值低于瓶裝飲用水13.7%，說明了MBR-RO工藝對有機污染物去除率很高，產(chǎn)水中有機污染物濃度很低。

3 結(jié)論

（1）MBR出水水質(zhì)良好，對常規(guī)污染物有較好去除效果，SDI在2.5～3.5之間，適當(dāng)添加阻垢劑后能滿足RO膜元件進水要求。

（2）在MBR-RO工藝連續(xù)運行的149 d期間，RO水通量隨溫度上升有所提高，脫鹽率穩(wěn)定98%以上，沒有發(fā)生明顯污染，RO運行穩(wěn)定，說明MBR作為RO的預(yù)處理是可行的。

（3）MBR-RO組合工藝處理生活污水，產(chǎn)水水質(zhì)能夠滿足我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》以及美國EPA和WHO所頒布的生活飲用水水質(zhì)標準中相關(guān)限值要求，說明MBR-RO工藝生產(chǎn)可飲用再生水從技術(shù)上是可行的。

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