MBR—RO组合工艺生产直接饮用再生水的试验研究

王永刚 李中锟 董婧 潘涛 王旭 李明蔚 张俊娥

摘要：采用膜生物反应器-反渗透（MBR-RO）组合工艺处理生活污水的过程中，MBR出水污染指数（SDI）在2.5～3.5之间，符合RO膜元件进水要求，且添加10 mg/L阻垢剂后能有效控制RO膜的结垢问题。MBR-RO组合工艺的产水水质良好，其中常规水质指标CODMn浓度<0.05 mg/L、NH4+-N浓度0.15 mg/L、NO3--N浓度2.82 mg/L、 NO2--N浓度<0.7 mg/L、TP浓度0.12 mg/L，TOC浓度0.51 mg/L，参照国家《生活饮用水卫生标准》中主要的73项指标分析，产水达到饮用水水质标准。本研究结果表明，采用MBR-RO组合工艺生产直接饮用再生水是可行的。

关键词：MBR-RO组合工艺；反渗透；生活污水；直接饮用再生水

中图分类号：X799 文献标志码：A 文章编号：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

随着全球范围内人口的快速膨胀和经济的持续发展，水的供需矛盾越来越突出，水资源短缺问题在世界上越来越多的地方出现并日益严峻[1-2]。为了获取更多可利用的水资源，在一些国家和地区，人们已经开始将高品质再生水直接或间接地回用至饮用水，以此来缓解水资源短缺所带来的压力[3-6]。我国新出台的《水污染防治行动计划》中也明确要求在缺水及水污染严重地区，要加强再生水循环利用，鼓励开展高品质再生水补充饮用水水源地的应用研究。

生产可饮用再生水的主要工艺流程[7-9]是：“活性污泥工艺+双膜法”。“双膜法”是以微滤（microfiltration，MF）或超滤（ultrafiltration，UF）作为反渗透（reverse osmosis，RO）预处理单元，以保证反渗透稳定运行的一种工艺组合。目前有一种新的观点是利用膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）替代污水厂的活性污泥工艺和RO预处理工艺（MF或UF），形成MBR-RO组合工艺，将污水厂与再生水厂融为一体，可以使工艺紧凑、简洁，节约占地，降低运行成本[10-11]，这种工艺组合在国内的再生水厂中已有应用，例如，烟台市套子湾污水处理厂部分MBR出水采用RO工艺进行深度处理，处理规模为4×10⁴ m³/d[12]。但是，目前都是应用于生活杂用水或工业用水，鲜有对产水是否满足饮用水标准进行详细分析的案例。

本试验针对北京某居民生活小区生活污水采用MBR-RO组合工艺进行处理，考察工艺运行情况，并按照生活饮用水标准分析MBR-RO工艺产水作为可饮用再生水的可行性。

1 试验设计

1.1 工艺流程

本试验以北京市某典型居民区生活污水为原水（原水水质指标见表1），采用MBR-RO组合工艺处理，其工艺流程为：初次沉淀池出水进入MBR系统进行处理，经MBR处理的出水经过保安过滤器、紫外灯等预处理之后，再进入RO系统处理，RO产品水收集于产水池见图1。

1.2 试验装置

MBR处理单元采用2个1.6 m×1.2 m×3.5 m

的不锈钢反应容器，每个容器的有效容积为4 m³，内置24块膜元件为国产品牌蓝天沛尔PEIER-B-80板式MF膜组件。MF膜元件的具体参数为：单块膜元件有效膜面积为0.8 m²，尺寸（长×宽）1 000×490 mm，膜孔径0.08～0.3 μm，过滤方式为错流抽吸过滤，膜材质为聚偏氟乙烯（PVDF）+聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）无纺布衬片。单个MBR反应器的曝气量为0.63 m³/min，污泥浓度（X）为17～19 g/L，水力停留时间（T）为3.2 h，处理水流量（Q1）为2.5 m³/h。

MBR具有较高的污泥浓度和污泥龄，有利于硝化菌的优势繁殖，能够保证较低的NH4+-N出水浓度。但是，随着污泥量的不断增高，反应器内会出现代谢产物和死菌体的大量积累，影响出水水质。从试验中可以看出（见图2），排泥周期超过40 d时，出水中NH4+-N浓度会急剧增加，通过定期排泥可以降低出水NH4+-N浓度，保持出水水质稳定。因此，本试验中MBR的排泥周期确定为40 d左右。

在MBR处理单元之后，设置了阻垢剂加药泵、保安过滤器、紫外灯杀菌灯等装置构成的RO预处理单元。其中，保安过滤器为三滤芯过滤器，紫外杀菌灯的功率为120 W。试验中的RO膜元件是美国通用电气公司（GE）的Duraslick-RO-2540卷式膜，Duraslick系列膜元件具有极高的光滑度和高脱盐率，是一种适合于污水回用的高抗污染型膜元件。试验用RO膜元件有效膜面积2.5 m²，其具体操作参数为：一般操作压力为1.38 MPa，通量为15～25 L/（m²·h），进水pH为4～10、NTU<1、SDI<5。试验中RO进水流量（Q2）在0.78～0.84 m³/h之间；RO操作压力P在1.26～1.32 MPa之间。

1.3 水质指标与测定方法

试验中MBR-RO系统进水水质监测指标包括pH、CODCr、NH4+-N、TOC、TN、TP、UV254等；MBR出水水质监测指标包括钙、镁、钠、钾、NH4+-N、钡、锶、铁、锰、氯化物、氟化物、氰化物、硫化物、溴化物、硫酸盐、NO3--N、磷酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐、硼、二氧化硅、硫化氢、游离二氧化碳、pH、浊度、色度、电导率、总硬度、总碱度、溶解性总固体、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、UV254、污染密度指数（silt density index ，SDI）等。MBR-RO产水参照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）中水质指标进行监测。我国现行的饮用水卫生标准《生活饮用水卫生标准》共106项指标，由于本试验原水为生活污水，没有农药面源污染，且工艺流程中以紫外灯物理作用灭菌，没有添加消毒剂，所以研究中对涉及农药残留、消毒剂及副产物、放射性指标没有检测；考虑到再生水的实际使用中还会有进一步消毒工艺，所以对贾第鞭毛虫和隐孢子虫两项指标也没有检测。因此，除去上述没有检测的项目，本试验对MBR-RO产水共检测了《生活饮用水卫生标准》中的73项指标，其中感官性状和一般化学指标20项、毒理指标共49项、微生物指标共4项，包括总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、菌落总数、砷、镉、铬（六价）、铅、汞、硒、氰化物、氟化物、硝酸盐、三氯甲烷、四氯化碳、色度、浑浊度、臭和味、肉眼可见物、pH、铝、铁、锰、铜、锌、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度、CODMn、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、锑、铍、硼、钼、镍、银、铊、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、三卤甲烷、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、邻苯二甲酸二辛酯、环氧氯丙烷、苯、苯乙烯、苯并（α）芘、氯乙烯、氯苯、氨氮、硫化物、钠等指标，以及亚硝酸盐、总磷、总氮、总有机碳、UV254和电导率。

上述监测指标中参照饮用水标准选择的监测项目，根据国家《生活饮用水卫生标准》中所规定的饮用水水质检测方法进行测定，其余均采用国家标准方法进行测定[13]。UV254采用UV759紫外可见分光光度计，以1 cm比色皿蒸馏水作参比，测定水样在波长254 nm处的吸光度。SDI的测定可由下列公式计算：

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

式中：T0为初始时过滤500 ml水所需要的时间；Tt为经过t时刻后过滤500 ml水所需要的时间；t为过滤时间，取15 min。

2 结果与讨论

2.1 MBR出水水质

试验期间，MBR出水中CODCr浓度<20 mg/L，去除率>97%；TOC浓度<10 mg/L，去除率>91%；NH4+-N浓度<1.5 mg/L，去除率>96%。MBR工艺对TN、TP的去除效果较差，平均去除率分别为12%、54.6%。可见，MBR工艺对有机物和NH4+-N的去除效果较好

试验过程中MBR出水SDI值的范围是2.5～3.5，可以满足试验所用RO膜元件对进水SDI<5的要求。为分析MBR出水对RO膜的结垢风险，试验中对MBR出水中的钙、镁、钡、氯化物、硫化物、碳酸氢盐、磷酸盐等阴阳离子进行了检测（见表2）。使用GE的WinFlows软件对MBR出水中阴阳离子浓度进行计算，从计算结果可知，MBR出水中的CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的饱和指数分别达到了120%、115%、95%，如果直接将MBR出水进入RO单元，会导致RO膜很快出现严重的结垢现象，因此必须通过投加阻垢剂的方式来改善水质，使之减轻、延缓RO膜的污染过程。参考GE反渗透膜专用药剂Argo的产品技术手册，选用HypersperseTM MDC 150阻垢剂，经计算，投加10 mg/L的阻垢剂可以使CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的饱和指数分别降低为5%、1%、78%，能够有效地控制RO的结垢风险。

综上所述，MBR的出水水质较好，不仅对常规污染物有较好的去除效果，适量添加阻垢剂后也能够满足RO系统的进水要求，说明在城市生活污水再生回用的应用中，MBR作为RO的前处理工艺是完全可行的。

2.2 RO工艺运行情况

MBR-RO组合试验进行了149 d，在时间跨度

经历了由春季到夏季，试验期间进水温度由9.4 ℃升至25.6 ℃。随着进水温度的逐渐升高，RO的产水量也在增大，由38 L/h逐渐升至51 L/h，水通量由试验初期的15 L/（m²·h）上升至20 L/（m²·h）左右（见图3）。膜的水通量是衡量反渗透工作性能的重要参数，其主要受到进水压力、进水温度、水回收率、进水水质、膜污堵状况的影响。试验中水通量与水温呈正相关，且符合产品性能范围（15～25 L/（m²·h）），说明在试验期间RO膜没有明显污染。

脱盐率是衡量RO膜元件运行状况的重要指标，可由下述公式来计算[14]：

试验中，RO进水的电导率1 144～1 642 μS/cm，产水电导率11.3～29.4 μS/cm（见图4）。虽然随着水通量的上升，脱盐率略有降低，但总体脱盐率稳定在98%以上（见图5），说明RO工艺运行稳定。

2.3 MBR-RO产水水质分析

将MBR-RO产水与我国现行饮用水标准对比分析（表3）发现如下结果。

（1）从感官性状和一般化学指标来看，MBR-RO工艺产水无异臭、异味，无肉眼可见物；色度、浊度均小于检出限，水质感官很好；铝、铁、锰、铜、锌、钠等金属阳离子，以及氯化物、硫酸盐、硫化物等阴离子均符合饮用水标准，且浓度很低，说明RO对离子的去除效果明显；溶解性总固体、总硬度和CODMn分别为175.5 mg/L、15.5 mg/L和<0.05 mg/L，好于一般地表水和地下水饮用水源；NH4+-N浓度为0.15 mg/L，总去除效率达99.8%。

（2）从毒理指标来看，砷、镉、六价铬、铅等37项均小于检出限，其余12项指标的检出浓度也很低，仅占到标准值的0.1%～28.2%。

（3）从微生物指标来看，总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌均未检出，菌落总数为13 CFU/mL，远低于100 CFU/mL的标准值。

上述73项监测指标中，世界卫生组织（WHO）的《饮用水水质准则（第四版）》（Guidelines for drinking-water quality，fourth edition）有43项列出限值，本试验结果全部符合WHO要求；美国环保署（EPA）的《美国2004版饮用水标准和健康建议》（2004 Edition of the Drinking Water Standards and Health Advisories）有48项列出限值，本试验结果全部符合。由此可见，MBR-RO产水基本能够满足饮用水水质要求。

本试验还对MBR-RO产水中NO2--N、TOC、TP、TN、UV254进行了分析检测。NO2--N、TOC是《生活饮用水卫生标准》中的参考指标，试验产水中NO2--N<0.7 mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》的参考限值要求（限值为1 mg/L），[HJ1.83mm]也满足WHO（限值为0.9 mg/L）和美国EPA（限值为1 mg/L）的限值要求；TOC浓度0.51 mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》的限值要求（限值为5 mg/L），总去除率大于99%。TP、TN是衡量水中营养物质的重要指标，试验产水中TP平均浓度0.12 mg/L，总平均去除率达到98.2%；TN平均浓度1.17 mg/L，总平均去除率达到98.4%。邢锴[15]等采用MBR-RO工艺处理生活污水，产水中TOC为0.5 mg/L、TP为0.09 mg/L、TN为1.2 mg/L，与本试验结果基本一致。曹斌[16]等采用MBR-RO工艺处理生活污水，产水中TOC为1.5 mg/L、NH4+-N为0.03 mg/L、TN为0.1 mg/L、浊度0.12 NTU、TP未检出，与本试验相比，NH4+-N和浊度略好于本试验，TOC差于本试验，总体结果基本一致。UV254是表征溶液中芳香性和具有双键结构物质含量的一项指标[17]，很多研究表明，UV254与COD、TOC具有很好的相关性[18-19]，可以作为有机物的控制参数，对于评价和衡量水中有机物浓度具有重要意义[20]。本试验依次测定了生活污水原水、MBR出水、MBR-RO产水、瓶装饮用水的UV254（图6），结果显示，试验原水的UV254为1.12～3.52 cm-1，MBR出水的UV254为0.22～0.32 cm-1，MBR对UV254的平均去除率为85.1%。宫丽娜采用MBR工艺处理餐饮废水，出水中UV254平均值0.47 cm-1，略高于本试验结果[21]。本试验中，RO产水的UV254为0.053～0.085 cm-1，RO对UV254的平均去除率为75.3%，MBR-RO对UV254的总平均去除率为96.3%；相对于瓶装饮用水（平均值0.073 cm-1）来说，RO产水UV254更低一些，平均值低于瓶装饮用水13.7%，说明了MBR-RO工艺对有机污染物去除率很高，产水中有机污染物浓度很低。

3 结论

（1）MBR出水水质良好，对常规污染物有较好去除效果，SDI在2.5～3.5之间，适当添加阻垢剂后能满足RO膜元件进水要求。

（2）在MBR-RO工艺连续运行的149 d期间，RO水通量随温度上升有所提高，脱盐率稳定98%以上，没有发生明显污染，RO运行稳定，说明MBR作为RO的预处理是可行的。

（3）MBR-RO组合工艺处理生活污水，产水水质能够满足我国《生活饮用水卫生标准》以及美国EPA和WHO所颁布的生活饮用水水质标准中相关限值要求，说明MBR-RO工艺生产可饮用再生水从技术上是可行的。

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