MBR-RO组合工艺在废水处理中的应用研究进展

MBR-RO组合工艺在废水处理中的应用研究进展

张文华，安洲，龙北生，刘红波，康华,刘鹏

(长春工程学院水利与环境工程学院，长春130012)

吉林省科技厅项目(20060406)

主要研究污水处理与资源化利用技术。

摘要：膜生物反应器(MBR)与反渗透(RO)的组合工艺已成为废水处理中的新热点。对MBR-RO组合工艺进行了介绍，并对组合工艺近年来在市政污水、垃圾渗滤液、印染废水、煤焦化废水、半导体废水和化工废水等废水处理中的应用以及研究成果进行了综述，进而指出了MBR-RO在应用研究过程中存在的问题，最后对其应用前景作了展望。

关键词：膜生物反应器；反渗透；废水处理；膜污染；膜清洗

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.018

收稿日期：2015-07-09

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-009-01-02)

作者简介：张文华(1961-)，男(汉)，河北石家庄，教授

中图分类号：X703献标志码：A

膜分离技术是通过一种特殊的半透膜分离水中离子或分子的新型流体单元操作技术，近30年来取得了令人瞩目的发展，膜分离技术被誉为 21世纪水处理领域的关键技术[1-3]。常用的膜分离技术包括超滤、微滤、纳滤和反渗透。近年来，各种膜分离技术的组合与集成工艺成为废水处理中的研究热点[4]，其中，膜生物反应器(MBR)与反渗透(RO)的组合工艺由于其效率高、工艺简单、占地面积小和易于自动化操作等特点，在废水处理中受到越来越广泛的研究与应用。

1MBR-RO组合工艺概述

1.1　MBR简介

MBR主要由膜组件、生物反应器和泵3部分组成。MBR工艺是将膜分离技术与传统的污水生物处理技术有机地结合起来，利用膜把悬浮物和胶体截留下来，使出水水质不再受污泥沉降性能好坏的影响，也可使曝气池中活性污泥的质量浓度大大增加[5]。MBR用超滤、微滤膜组件取代了传统的二沉池，实现了水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)的完全分离，具有出水水质好、污泥产量少、设备占地面积小和工艺灵活方便等优势，因此，逐渐成为经济、高效的污水处理工艺。

1.2　RO简介

RO是当今最先进和最高效的膜分离技术，其原理是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂(通常是水)而截留离子物质的性质，以膜两侧压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜，从而实现对液体混合物的分离。它的操作压差一般为1.5～10.5 MPa，可以截留组分大小为1～10A的小分子溶质，除此之外，还可以从液体混合物中去除其他全部的悬浮物、溶解物和胶体[6-7]。

1.3　MBR-RO简介

MBR-RO是将MBR与RO组合应用的废水深度处理技术。其中，MBR可以去除污水中绝大部分的SS、BOD5和大部分的COD，与其他生物处理工艺相比，其优点在于污染物去除率高，出水水质好；膜分离可使微生物完全截留在反应器内，实现反应器水力停留时间与固体停留时间的完全分离，使运行更加灵活、稳定；MBR内污泥质量浓度高，装置处理容积负荷大，设备占地面积小等。RO属于致密膜，是一种高效节能的技术，工艺过程简单，操作和控制容易，可以进一步去除水中的金属离子和残余的有机物，使废水得到深度处理。将MBR和RO有机地组合在一起，可以将废水处理为高品质的产品水，广泛地回用于工业、农业、市政等方面，可以极大地缓解对新鲜水源的需求，缓解水资源短缺所引发的矛盾，同时，这个过程将污水变废为宝，减少了污染物向环境中的排放，实现了废水的资源化利用[8]。

2MBR-RO在废水处理中的应用研究现状

2.1　MBR-RO在市政污水处理中的应用

在国外，MBR-RO组合工艺已被用于污水处理厂回用处理市政污水，国外的研究表明，MBR-RO系统具有很强的TOC、NH3-N和硝酸盐等污染物去除能力，RO膜的渗透通量可由17 L/(m2·h)提高至22 L/(m2·h)[9-11]。MBR-RO系统既充分发挥了MBR工艺的高效生物降解优势，又满足了RO对原水预处理的要求，为污水回收利用提供了一种新的处理方法[12]。然而目前国内却鲜见采用MBR-RO组合工艺处理与回收市政污水的报道。

曹斌、黄霞等[13]研究了MBR-RO组合系统处理并回用城市污水，考察了MBR工艺作为RO预处理的可行性，研究结果表明，RO出水平均值为TOC<1.3 mg/L、NH3-N<0.03 mg/L、TN<0.1 mg/L，TP未检出，电导率和浊度分别小于30 μS/cm和0.12 NTU，MBR对水中无机离子的去除率接近100%，MBR-RO系统具有很高的脱盐能力和污染物去除能力，其出水水质可以达到饮用水水质标准。

2.2　MBR-RO在垃圾渗滤液处理中的应用

垃圾渗滤液是一种高质量浓度的有机废水，水质情况复杂，污染物种类多且变化范围大，其水质和水量由于受垃圾种类、当地环境及降水量、填埋场容积、填埋时间等诸多因素影响变化较大。新填埋场的垃圾渗滤液水质指标为：COD 5 000～40 000 mg/L，BOD51 000～6 000 mg/L，NH3-N 1 500～2 600 mg/L。

我国的垃圾渗沥液处理技术发展至今，MBR-RO组合工艺已经成为垃圾渗沥液处理领域中的常用工艺。该工艺具有COD去除效果好、脱氮能力强、出水水质稳定、污泥量产量少、建构筑物占地面积小等特点[14]。

闵海华等[15]采用MBR-RO工艺处理垃圾渗滤液，运行调试的结果表明，在保证碳源充足的前提下，出水COD<20 mg/L、NH3-N<20 mg/L，优于排放标准，其他指标也满足排放标准。调试阶段运行成本小于2.5元/m3，出水水质达到GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准 》中一般地区渗滤液出水水质要求，出水水质好且运行稳定，充分体现了MBR-RO系统应用在垃圾渗滤液处理中的优势。

2.3　MBR-RO在印染废水处理中的应用

我国是纺织印染大国，全国印染废水排放量约为(400～500)×104m3/d，约占整个工业废水的35%[16]。印染废水具有色度深、碱性大、有机污染物含量高、水质变化大和组成成分复杂的特点，一直以排放量大、处理难度高而成为废水治理工艺研究的难点，是当前国内外公认的较难处理的工业废水之一。

邢奕等[17]采用MBR-RO组合工艺对印染废水进行了深度处理试验。原水经MBR系统处理后，COD去除率为89.9%，SS去除率为100%，色度去除率为87.5%。MBR系统出水进入RO系统进行下一步处理，RO对硬度的去除率为99.62%，脱盐率也可以达到99.64%。MBR-RO系统对SS、色度的总去除率均为100%，对COD的总去除率为97.1%，系统出水水质稳定，基本满足生产回用的要求。

2.4　MBR-RO在煤焦化废水处理方面的应用

我国是一个煤焦化产品生产大国，焦化废水中含有多种污染物质，其中包括许多难降解的稠环芳烃和杂环化合物，而且氨氮、挥发酚和氰化物质量浓度也较高，是一类难降解、高氨氮的有机废水。

公彦欣、单明军等[18]采用MBR-RO组合工艺深度处理煤焦化废水，结果表明，原水经MBR系统处理后，可有效去除废水中的COD、NH3-N、浊度和SS，去除率分别达72.6%、85.4%、98.8%和100%。MBR系统出水进入RO系统进行下一步处理，RO对硬度的去除率为87.7%、脱盐率为95.3%，同时可进一步除去剩余浊度和COD。系统出水水质满足GB 50050—2007《工业循环冷却水处理设计规范》中再生水水质指标的要求。

王姣、于冰、孙黎明等[19]以实际焦化废水为研究对象，考察了序批式MBR-RO复合系统对该类废水污染物的处理效果。实验期间运行结果表明，复合系统对COD的去除率稳定在93%以上，反渗透出水COD平均质量浓度为28.7 mg/L；TN去除率稳定在96%以上，反渗透出水TN平均质量浓度为4.53 mg/L。MBR-RO系统出水中酚类质量浓度为0.24 mg/L，氰化物质量浓度为0.02 mg/L，可以实现对挥发酚和氰化物等有毒物质的有效去除。此外，实验以膜的临界通量作为连续运行的初始条件，在连续60 d的运行过程中，MBR比膜通量损失 65.3%，RO比膜通量损失73.2%，说明该运行工况下膜污染程度较小。以上研究结果表明序批式 MBR-RO系统可成功应用于焦化废水常规预处理后的直接处理。

2.5　MBR-RO在半导体废水处理中的应用

半导体生产过程会产生大量的废水，如酸碱废水、含氟废水、含氨废水和化学机械研磨(CMP)废水[20]。半导体企业一般将废水经过一级物化处理后，排往城市污水处理厂进行处理。而半导体企业是用水大户，企业自身的用水成本较高，半导体废水的大量排放加重了污水处理厂生化池的处理负荷。因此，探寻有效的方法处理半导体废水以实现工业回用具有很大的经济意义。半导体废水的主要污染物为纳米级至微米级的悬浮物(SS)、有机物(COD)和无机盐，根据MBR-RO组合工艺的膜孔径大小与工艺特点，这些污染物是可以有效去除的。

肖燕、陈彤、胡永健等[21]采用中试规模的MBR-RO装置深度处理半导体废水。试验结果表明，MBR-RO系统表现出良好的污染物去除效果和运行稳定性，可以耐受废水水质波动的范围大。MBR运行稳定，膜的渗透性易于恢复，维护性清洗周期较长(大于16 d)。MBR出水已检测不到SS，其SDI和COD的平均值分别为2.3 mg/L和10.6 mg/L，水质满足RO进水设计要求。RO出水水质优良，电导率为26～142 μS/cm，TOC质量浓度小于0.2 mg/L，符合生产回用水要求，表明MBR-RO组合工艺实现半导体废水回用是可行的。

2.6　MBR-RO在化工废水处理中的应用

己内酰胺(C6H11NO)是一种有机化工原料，作为生产尼龙的中间体，在生产和聚合过程中产生的废水一般COD在3 000 mg/L以上，NH3-N在200 mg /L以上，是比较难处理的化工废水[22-23]。己内酰胺废水中BOD5/COD值较高，具有良好的可生化性，目前，对己内酰胺废水生化处理的研究多为A/O 工艺[24]。

王建华[25]以某己内酰胺化工厂的LUCAS出水作为研究对象，采用MBR-RO处理工艺，研究此系统对己内酰胺废水的处理效果。试验结果表明，MBR工艺适用于该化工厂的废水处理，出水COD平均值为31.33 mg/L，平均浊度为0.2NTU，氨氮平均值为2.81 mg/L，可以满足反渗透膜的进水要求。在浓缩倍数为3时，RO系统运行稳定，且产水可以满足化工部循环冷却水用再生水水质标准。运行结果表明，MBR-RO组合工艺处理己内酰胺化工废水是可行的。

3MBR-RO工艺应用研究中存在的问题

目前，膜分离技术的研究热点主要集中在膜污染机理，如何提高膜通量，优化工艺参数，降低运行成本等方面[26]。

膜污染是MBR-RO组合工艺在运行过程中普遍存在而且也是最难解决的问题。MBR系统中膜本身性质、活性污泥特性、膜与活性污泥混合液之间的相互作用力(如静电作用、范德华力)以及膜分离操作条件(如膜操作压力、运行温度)等都会对MBR膜污染产生影响；如果在MBR工艺后接RO工艺做进一步处理，MBR出水中的微生物、微生物代谢产物、有机物和胶体物质等会对RO系统产生更加严重的污染，这样，MBR-RO组合工艺污染机理将比MBR、RO单独运行时候复杂，研究难度也更大。综合分析，RO膜的污染大部分原因是与MBR污染相同的，只是在RO系统中，由于MBR膜的过滤截去了比较大的颗粒污染物，因此RO的污染更趋于微粒细小化。再者，由于RO处理对水具有浓缩性，一般浓缩了3～5倍，使原来污染物产生二次交联，所以RO污染也相应严重，但RO污染还有其特性，比如由于盐浓缩而造成无机盐的结垢等。

膜污染会增加膜的清洗频率，缩短膜的使用寿命，增加运行成本，甚至会恶化系统的处理效果，降低出水水质[26]。因此，膜污染问题是制约MBR-RO组合工艺在废水处理中大规模推广应用的主要原因，而且深入研究MBR-RO组合工艺的膜污染机理，明确污染因素，并针对污染因素确定经济高效的膜清洗技术也成为MBR-RO在废水处理应用研究中亟待解决的问题。

4展望

MBR-RO的组合技术在中国的研究报道很多，但产业化的实际工程应用却较少。把实验研究的成果真正应用于工程实际，还需要做大量的工作，因此，应该提高膜技术领域的科研质量，加强投资和管理，进而加速MBR-RO技术的产业化推广与实际工程应用。今后随着膜技术的发展、膜质量的提高、膜制造成本的降低和运行条件的优化，可以展望，MBR-RO组合工艺将具有更明显的技术和经济优势，它将成为我国各种废水处理都可以选择应用的高效组合工艺。

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The research on the application of MBR-RO process in wastewater treatment

ZHANG Wen-hua, et al.

(SchoolofWaterConservancy&EnvironmentEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：The combination of MBR and RO technology has led to a new focus on wastewater treatment. The article describes the characteristics of MBR-RO technology. The present situation of MBR-RO process application in wastewater treatment are summarized, including municipal sewage, garbage leachate, printing and dyeing wastewater, coal coking wastewater, semiconductor wastewater, and chemical wastewater. Furthermore, it also points out the existing problems in the application and research of MBR-RO process. Finally, this paper prospects the development tendency of MBR-RO process.

Key words：MBR; RO; wastewater treatment; membrane fouling; membrane cleaning