膜法污水深度处理回用技术的应用研究进展

薛强

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

膜法污水深度处理回用技术的应用研究进展

薛强

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

介绍了低压驱动的微滤膜与超滤膜和高压驱动的纳滤膜与反渗透膜在污水回用中的用途及限制条件，与传统深度处理方法相比较总结分析了膜技术的优缺点及其在污水回用中的应用现状，同时对膜技术在铁路污水处理和回用中的应用研究及其前景做了展望。

膜技术；微滤；超滤；纳滤；反渗透；铁路污水回用

1 概述

膜分离技术，以外界能量或化学位差为驱动力，来达到对污染物质去除、分离、富集的目的。

膜分离技术具有占地面积小、无相变化、无二次污染、操作方便等优点[1]。因此，近年来被较为广泛地应用在饮用水深度处理和污水处理、回用方面。“十一五”以来，我国颁布的《国家中长期科学技术发展计划纲要》将水资源优化配置与综合利用列为优先发展主题，为膜技术的发展与应用提供了前所未有的机遇。

目前，膜分离技术除在饮用水深度处理方面应用广泛外，废水处理上的研究与应用已受到特别重视。在污水再生回用领域中，主要有以下几种压力驱动的膜过程为主：微滤、超滤、纳滤和反渗透[2]。其特点比较如下表1所示。

表1 压力驱动的膜分离特点比较[2]

种类孔径截留分子量(kDa)推动力(MPa)透过物截留物微滤(MF)0 05～5 00μm>100压力差0 01～0 2水、溶剂、溶解物悬浮物颗粒、细菌类、微粒子超滤(UF)5nm～0 1μm1～100压力差0 1～1 0水、溶剂、离子及小分子胶体、大分子、微生物纳滤(NF)1nm左右0 3～1压力差0 5～2 5水、溶剂、一价离子及小分子二价或多价离子、悬浮物、大分子、微生物反渗透(RO)0 01～0 1nm<0 3压力差1 0～10水、溶剂溶质、盐、悬浮物、离子、大分子、微生物

膜分离技术应用在污水回用方面是一种循环性的经济行为，提高水的重复利用率是今后发展的必然趋势，膜分离技术的应用不仅可以减少污水对环境的污染，还可以将中水回用到其他对水质要求较低的领域，节约用水费用和保护淡水资源等。

2 污水回用途径及限制条件

污水可以经过二级生化工艺处理和深度处理后回用于不同用水途径，对于不同用途的回用水有着不同的处理要求。目前，再生水的用途主要分为市政杂用水、工业循环用水、农林牧业用水、地下回灌补充用水、娱乐景观用水等[3]。在污水再生回用的诸多标准中，如表2所示，随着回用范围的拓宽，对有机物类、氮污染物类及微生物指标类等控制项目的要求则更加严格。

表2 污水再生水回用标准 单位：mg/L

3 城市污水再生处理技术及回用方式

城市污水经二级生化处理后进行再生处理，根据出水水质和回用途径不同采取的处理方式也会不同，如表3所示。在各种回用用途上还存在着现有处理工艺的限制条件和局限性，在工业中再生水可回用于冷却、锅炉、洗涤、工艺用水等，但是在回用过程中容易产生结垢、腐蚀、生物繁殖与污垢等影响以待解决。当回用水用于农业灌溉时，容易受到如下约束：回用水中的病菌会在作物表面残留，重金属和盐类会对土壤和农作物产生影响，以及地下水污染等。地下水回灌对再生水处理、操作都较为严格，如操作不当，原水体将受到污染，而且其中的部分痕量有机物会产生毒性效应，对人的健康产生影响；市政杂用方面则主要的约束条件为氮、磷引起富营养化、致病菌感染以及公众的接受程度等[4]。现有的深度处理工艺虽然可以满足部分回用要求，但又存在限制性问题，因此可以通过调整工艺结构或耦合膜法，在减缓隐患的同时又进一步拓宽了回用范围。

表3 污水处理技术及回用方式

类型二级生化处理深度处理常规工艺强化脱氮除磷传统深度处理耦合膜法深度处理处理工艺预处理→好氧活性污泥法→二沉池→出水预处理→好氧—缺氧—厌氧组合活性污泥法→二沉池→出水二级出水→混凝沉淀/砂滤/生物活性炭→消毒→出水二级出水→混凝沉淀/砂滤/微滤→超滤/纳滤→消毒→出水出水水质COD≤60mg/LBOD≤20mg/L氨氮≤15mg/L粪大肠菌群数≤1×104个/LCOD≤50mg/LBOD≤10mg/L氨氮≤5mg/L总氮≤15mg/L粪大肠菌群数≤1×103个/LCOD≤30mg/L浊度≤5NTU微滤重金属、病原菌、病毒BOD≤5mg/L氨氮≤1mg/L去除重金属、部分低分子有机物、病原菌污水回用范围绿化、消防、农林业绿化、消防、景观、农林牧业绿化、景观、清扫、建筑施工、冲厕、消防、冷却、洗涤、锅炉等工业用水地下水回灌、除饮用水外的直接接触用水、接近地表IV类水、深圳市再生水、雨水利用水质

4 传统深度处理方法与膜处理方法的优缺点比较

就城市污水处理二级出水来看，污水厂出水水质虽然能够满足国家标准的水质要求，但由于受到活性污泥法的限制，有机物去除和脱氮除磷效率无法进一步提高，运行不稳定及操作管理出现了较多的问题[5]。根据污水回用的途径及限制条件总结可知，污水再生回用处理包括两个方面：一是在二级处理中，有些难降解污染物质、金属离子以及细菌学指标不能被去除的，需要在深度处理过程中解决；二是根据回用标准的不同来选择不同深度处理方法，来达到各自回用领域的水质要求。目前国内外常用的城市污水深度处理组合工艺如下图1所示：

图1 常见城市污水深度处理组合工艺流程图[5]

工艺类型a～c为常规污水深度处理工艺流程，工艺类型d～f为深度处理耦合膜法深度处理工艺流程，工艺类型g、h用于处理高氨氮二级出水[5]。其中生物活性炭吸附对二级出水中溶解性有机物的去除效果较好，费用较低，但是吸附后易达到饱和，多次的吸附-脱附会减少活性炭的使用寿命，使更换频率增加，资金耗费较大，无法实现在污水回用中的广泛应用。混凝沉淀处理污水厂二级出水，对二级出水的浊度、有机物、色度、总磷具有较好的处理效果，而且具有运行费用低的优点，但是对氨氮去除效果较差，投加混凝剂还会增大产泥量，增加污泥处置问题；臭氧氧化因其反应速度快、氧化能力强，具有较好的处理效果，但经过臭氧处理后的水质生物稳定性较差，同时臭氧不易保存和尾气需要处理，增大了设备维护和运行费用；膜分离技术在处理不同需求的用水时，其出水水质稳定、较优，能有效去除细菌等微生物，还具有占地面积小，易于管理，便于自动化控制的优点，可以解决常规工艺处理后出水用途单一的缺点。但在膜分离过程中会产生膜污染，增大了能耗和基建费用，但随着对膜污染研究的增多，工业化成本的降低，相比于传统深度处理工艺则有着较好的应用前景和使用价值。

5 膜分离技术在污水回用中的应用现状

5.1 微滤技术

微滤技术主要用于简单的粗过滤，去除颗粒性物质，还可以截留小部分的细菌、病毒等微生物，但对溶解性有机物的去除作用较小，常用于膜法组合工艺的预处理单元。

微滤在城市生活污水回用方面，徐元勤等[6]采用了浸入式连续微滤膜装置对城市污水进行深度处理并回用，结果表明，其出水水质中对 SS 平均去除率较高，出水稳定在0.7 mg/L以下，对有机物的去除率较低，在氨氮和总磷的处理上几乎没有变化，出水消毒后仅限用于绿化、浇洒等方面。

5.2 超滤技术

超滤技术可截留溶液中溶解性的大分子溶质，透过小分子溶质，对溶解性有机物起到部分截留的作用。UF膜技术在城市污水深度处理中，可以有效去除二级出水中的细菌总数和大肠杆菌，降低出水浊度，对有机物、总氮和总磷等污染物有一定程度的截留作用，可以获得稳定的出水水质。

在超滤技术污水回用的应用上，目前国内供水规模最大、品质最高的清河再生水厂在全面升级后，采用超滤+臭氧氧化的工艺对该污水厂二级出水进行处理后作为奥运公园水景及补充水源。由于二级出水组分复杂，超滤技术在二级出水的处理上仍存在着部分指标超标的问题，以微滤作为预处理单元方面则可以大大提高回用系统运行的稳定性。新加坡充分利用了膜法深度处理的优势，对二级出水进行再生处理，目的是生产出高质量水源，来缓解水资源的日益紧缺[7]。其中处理工艺主要采用的是UF+RO处理技术，目前，已建NEWater处理厂处理规模也在逐年提高。

5.3 纳滤技术

纳滤技术在饮用水净化、工业废水处理及苦咸水脱盐等方面应用较多。由于纳滤膜的孔径介于超滤和反渗透之间，操作压力低于反渗透节省了能耗，而且纳滤的截留效果又明显优于超滤技术，在污水再生回用方面将着较好的发展前景。综合以压力为驱动的膜分离技术，Nghiem等研究表明[8]，当膜孔径较大时污染物会更容易吸附在膜孔内，造成膜孔窄化和堵塞，产生更严重的膜污染。故近年来在污水回用或二级污水的深度处理方面NF膜的应用受到了广泛的关注。

在纳滤的污水深度回用研究中，通常需要在前端增设预处理措施来保障纳滤单元的稳定运行以达到较优的处理效果和防治膜污染的影响[7]。传统的预处理方式包括混凝沉淀、多介质过滤或活性炭吸附等，近年来，随着大孔径膜技术的发展，微滤或超滤将作为预处理单元与纳滤或反渗透组成双膜法处理工艺。

在纳滤的工程应用上，中国石油克拉玛依石化分公司的污水处理场在A/O工艺的基础上，增加了“混凝气浮+BAC+纳滤”以纳滤为主体的深度处理阶段，出水可以满足除盐的目的，又具有场内循环水补充、绿化用水、冷却水循环及杂用水的使用用途[9]。

5.4 反渗透技术

反渗透被广泛应用于海水及苦咸水淡化，工业纯水制备，饮用纯净水生产，特种废水分离等过程。随着污水回用技术的发展，通过反渗透技术可以解决回用水中含盐量的问题和对高品质水质的要求。

在再生水回用工程中常以反渗透为主体结合微滤/超滤的双膜法，代替传统“老三段”的预处理方式(混凝、沉淀、过滤)，避免了工艺流程复杂、出水水质波动以及消毒副产物产生的污染。以反渗透为主体对污水厂出水进行再生回用在工程上已有应用，目的在于生产优于再生水的水质，满足大规模生活、生产的要求。新加坡BEDOK再生水厂，2002年开始运行，处理水量为32 000t/d[10]，采用的为超滤-反渗透-UV系统工艺。所以，反渗透技术在污水回用工程中生产高品质再生水有着潜在的发展优势。

6 膜分离技术在铁路污水回用中的应用现状

目前，在铁路污水处理方面，较早涉及膜技术类型是超滤膜。李宏新[11]较早采用超滤膜研究处理铁路内燃段含油污水，得到较好的效果。在污水处理和水资源再利用领域，MBR(膜生物反应器)是一种由膜分离单元(主要是超滤膜)与生物处理单元相结合的新型水处理技术。MBR技术具有以下优势:工艺流程短，占地面积小，工艺设备集中，能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，BOD5浓度很低，出水悬浮物和浊度接近于零，不含细菌、病毒、寄生虫卵等，出水符合《污水综合排放标准》(GB8978—1996)三级排放标准，可直接回用，实现了污水资源化。膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反应器内，实现了反应器水力停留时间和污泥龄的完全分离，使运行控制更加灵活稳。因此，MBR在铁路污水处理及其回用方法得到应用[12]。

7 结论与建议

相比于传统深度处理工艺，膜分离技术的应用不仅可以减少污水对环境的污染，还可以将中水回用到其他对水质要求较低的领域，节约用水费用和保护淡水资源等，污水再生回用具有明显的社会效益、环境效益，有着较好的应用前景和使用价值。实际应用中，针对不同原水水质、回用要求和投资成本，可以选择不同类型的膜类型。铁路行业的生活污水多采用MBR技术，其深度处理和回用技术建议继续开展有关膜技术的研究及其推广应用。

[1] 王晓伟, 席北斗, 霍守亮, 等. 膜技术在饮用水除砷中的应用研究进展[J]. 水处理技术, 2011, 37(6): 15-18.

[2] 刘茉娥. 膜分离技术应用手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2001: 1-36.

[3] Wintgens T, Melin T, Schafer A, et al. The role of membrane processes in municipal wasterwater reclamation and reuse [J]. Desalination, 2005, 178(1-3): 1-11.

[4] 翁国娟. 膜技术：让污水重回甘洌[J]. 化工管理, 2014, 10: 56-58.

[5] Bucksteeg K. Suitability of different biological sewage treatment systems [J]. Water Science and Technology, 1990, 22(3): 187-194.

[6] 徐元勤, 尤会春, 刘德滨, 等. 浸入式微滤膜技术应用于污水回用[J]. 中国给水排水,2002,18(4): 67-69.

[7] 沈智育, 沈耀良, 郭海娟. 混凝-超滤-纳滤组合工艺在城市污水回用中的处理效能研究[J]. 苏州科技学院学报(工程技术版), 2014(2):5-8.

[8] Nghiem L D, Hawkes S. Effects of membrane fouling on the nanofiltration of pharmaceutically active compounds (PhACs): Mechanisms and role of membrane pore size [J]. Separation and Purification Technology, 2007, 57(1): 176-184.

[9] 冉祥军, 刘翔, 杜海波, 等. “混凝气浮+BAC+纳滤”工艺在污水回用工程中的应用. 2004年度炼油化工技术交流会[C].乌鲁木齐: 2004:1-7.

[10] 郝晓地, 孟祥挺, 付昆明. 新加坡再生水厂能耗目标及其技术发展方向[J]. 中国给水排水,2014,30(24):7-11.

[11] 李宏新. 超滤法处理铁路内燃段含油污水的研究[D]. 大连:大连铁道学院,1989.

[12] 郭焕晓, 李国锋, 贺占民. MBR工艺在车站站房污水回用中的应用[J]. 铁道标准设计, 2006,(5):84-85.

Application & Research Progress of Membrane Technology for Sewage Advanced Treatment and Reuse

XUE Qiang

(Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health Research Institute, China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081, China)

The low pressure driven membranes of microfiltration and ultrafiltration, and the high pressure driven membranes of reverse osmosis and nanofiltration were introduced in wastewater recycling use and their restrictions. The advantages and disadvantages of membrane technology were compared with the traditional deep processing method and its application in wastewater recycling. In addition, wastewater treatment and reuse of membrane technology in railway research area and the application prospects were discussed and forecasted.

microfiltration; ultrafiltration; reverse osmosis; nanofiltration; railway wastewater recycling

2095-1671(2016)02-0064-05

2015-12-07；

2016-03-08

薛强(1980—)，男，山西汾阳人，硕士，助理研究员，主要研究方向：节能环保技术研究。

X703

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