MBR—RO組合工藝生產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（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膜的結垢問題。MBR-RO組合工藝的產水水質良好，其中常規水質指標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《生活飲用水衛生標準》中主要的73項指標分析，產水達到飲用水水質標準。本研究結果表明，采用MBR-RO組合工藝生產直接飲用再生水是可行的。

關鍵詞：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

隨著全球范圍內人口的快速膨脹和經濟的持續發展，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，人們已經開始將高品質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，要加強再生水循環利用，鼓勵開展高品質再生水補充飲用水水源地的應用研究。

生產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）預處理單元，以保證反滲透穩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器（membrane bioreactor，MBR）替代污水廠的活性污泥工藝和RO預處理工藝（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，節約占地，降低運行成本[10-11]，這種工藝組合在國內的再生水廠中已有應用，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，處理規模為4×10⁴ m³/d[12]。但是，目前都是應用于生活雜用水或工業用水，鮮有對產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工藝產水作為可飲用再生水的可行性。

1 試驗設計

1.1 工藝流程

本試驗以北京市某典型居民區生活污水為原水（原水水質指標見表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系統進行處理，經MBR處理的出水經過保安過濾器、紫外燈等預處理之后，再進入RO系統處理，RO產品水收集于產水池見圖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

的不銹鋼反應容器，每個容器的有效容積為4 m³，內置24塊膜元件為國產品牌藍天沛爾PEIER-B-80板式MF膜組件。MF膜元件的具體參數為：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，反應器內會出現代謝產物和死菌體的大量積累，影響出水水質。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，保持出水水質穩定。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，設置了阻垢劑加藥泵、保安過濾器、紫外燈殺菌燈等裝置構成的RO預處理單元。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 水質指標與測定方法

試驗中MBR-RO系統進水水質監測指標包括pH、CODCr、NH4+-N、TOC、TN、TP、UV254等；MBR出水水質監測指標包括鈣、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、電導率、總硬度、總堿度、溶解性總固體、揮發酚類、陰離子合成洗滌劑、UV254、污染密度指數（silt density index ，SDI）等。MBR-RO產水參照《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）中水質指標進行監測。我國現行的飲用水衛生標準《生活飲用水衛生標準》共106項指標，由于本試驗原水為生活污水，沒有農藥面源污染，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藥殘留、消毒劑及副產物、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產水共檢測了《生活飲用水衛生標準》中的73項指標，其中感官性狀和一般化學指標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、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和電導率。

上述監測指標中參照飲用水標準選擇的監測項目，根據國家《生活飲用水衛生標準》中所規定的飲用水水質檢測方法進行測定，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 結果與討論

2.1 MBR出水水質

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膜的結垢風險，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，從計算結果可知，MBR出水中的CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的飽和指數分別達到了120%、115%、95%，如果直接將MBR出水進入RO單元，會導致RO膜很快出現嚴重的結垢現象，因此必須通過投加阻垢劑的方式來改善水質，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的產品技術手冊，選用HypersperseTM MDC 150阻垢劑，經計算，投加10 mg/L的阻垢劑可以使CaCO3、Ca3（PO4）2、BaSO4的飽和指數分別降低為5%、1%、78%，能夠有效地控制RO的結垢風險。

綜上所述，MBR的出水水質較好，不僅對常規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系統的進水要求，說明在城市生活污水再生回用的應用中，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，其主要受到進水壓力、進水溫度、水回收率、進水水質、膜污堵狀況的影響。試驗中水通量與水溫呈正相關，且符合產品性能范圍（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進水的電導率1 144～1 642 μS/cm，產水電導率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，但總體脫鹽率穩定在98%以上（見圖5），說明RO工藝運行穩定。

2.3 MBR-RO產水水質分析

將MBR-RO產水與我國現行飲用水標準對比分析（表3）發現如下結果。

（1）從感官性狀和一般化學指標來看，MBR-RO工藝產水無異臭、異味，無肉眼可見物；色度、濁度均小于檢出限，水質感官很好；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，總去除效率達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，菌落總數為13 CFU/mL，遠低于100 CFU/mL的標準值。

上述73項監測指標中，世界衛生組織（WHO）的《飲用水水質準則（第四版）》（Guidelines for drinking-water quality，fourth edition）有43項列出限值，本試驗結果全部符合WHO要求；美國環保署（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，本試驗結果全部符合。由此可見，MBR-RO產水基本能夠滿足飲用水水質要求。

本試驗還對MBR-RO產水中NO2--N、TOC、TP、TN、UV254進行了分析檢測。NO2--N、TOC是《生活飲用水衛生標準》中的參考指標，試驗產水中NO2--N<0.7 mg/L，滿足《生活飲用水衛生標準》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《生活飲用水衛生標準》的限值要求（限值為5 mg/L），總去除率大于99%。TP、TN是衡量水中營養物質的重要指標，試驗產水中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，與本試驗結果基本一致。曹斌[16]等采用MBR-RO工藝處理生活污水，產水中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，總體結果基本一致。UV254是表征溶液中芳香性和具有雙鍵結構物質含量的一項指標[17]，很多研究表明，UV254與COD、TOC具有很好的相關性[18-19]，可以作為有機物的控制參數，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產水、瓶裝飲用水的UV254（圖6），結果顯示，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，略高于本試驗結果[21]。本試驗中，RO產水的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，產水中有機污染物濃度很低。

3 結論

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

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

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

參考文獻（References）：

[1] Asit K B.Water Crisis：Current Perceptions and Future Realities[J].Water International，1999，24（4）：363-367.

[2] Moe C L，Rheingans RD.Global challenges in water，sanitation and health[J].Journal of Water and Health，2006，Suppl（04）：41-57.

[3] Montse M，Pasqualino JC，Castells F.Environmental assessment of urban wastewater reuse：Treatment alternatives and applications[J].Chemosphere，2010，81（2）：266-272.

[4] Castro LP.Use of nanofiltration for potable water from an aquifer recharged with wastewater[J].Water Science and Technology，2008，57（6）：927.

[5] Jansen HP，Stenstrom MK，Koning J.Development of indirect potable reuse in impacted areas of the United States[J].Water Science & Technology，2007，55（1-2）：357.

[6] Qin J，Kekre K A，Tao M，et al.New option of MBR-RO process for production of NEWater from domestic sewage[J].Journal of Membrane Science，2006，272（1-2）：70-77.

[7] Emmanuel van Houtte，Johan Verbauwhede.Operational experience with indirect potable reuse at the Flemish Coast[J].Desalination，2008，218：198-207.

[8] H Seah，J Poon，G Leslie，et al.SINGAPORE'S NEWATER DEMONSTRATION PROJECT：Another Milestone In Indirect Potable Reuse[J].Water，2003，6：74-77.

[9] Traves W H， Gardner E A， Dennien B，et al.Towards indirect potable reuse in South East Queeensland[J]. Water Science and Technology，2008，58（1）：153-161.

[10] 王永剛，潘濤，王書倩，等.可飲用再生水的應用與技術進展[J].水處理技術，2013，39（2）：1-4.（WANG Yong-gang，PAN Tao，WANG Shu-qian，et al.Practical application and technological development of potable reuse[J].Technology of Water Treatment，2013，39（2）：1-4.（in Chinese））

[11] 張壘，劉璞，王麗娜，等.MBR-RO組合工藝深度處理焦化廢水試驗研究[J].工業安全與環保，2015，41（5）：15-17.（ZHANG Lei，LIU Pu，WANG Li-na，et al.Experimental study of advanced treatment of coking wastewater using MBR-ROcombined process[J].Industrial Safety and Environmental Protection，2015，41（5）：15-17（in Chinese））

[12] 王文喜，趙維春，姚明炫.UCT-MBR/RO工藝用于煙臺套子灣污水廠擴建工程[J].中國給水排水，2014，30（6）：65-69.（WANG Wen-xi，ZHAO Wei-chun，YAO Ming-xuan.Application of UCT-MBR/RO process in expansion project of Taoziwan wastewater treatment plant[J].China Water and Wastewater，2014，30（6）：65-69.（in Chinese））

[13] 國家環保總局.水和廢水檢測分析方法[M].第4版北京：中國環境科學出版社，2002.（State Environmental Protection Administration of China.Determination methods for examination of water and wastewater[M].Fourth Edition Beijing：China Environmental Science Press，2002.（in Chinese））

[14] 潘濤，田剛.廢水處理工程技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.（PAN Tao，TIAN Gang.A guidance manual of wastewater treatment engineering[M].Beijing：Chemical Industry Press，2010.（in Chinese））

[15] 邢鍇，張宏偉，龍樹勇，等.MBR/RO組合工藝中定期沖洗緩解RO膜污染的研究[J].中國給水排水，2010，26（11）：56-59.（XING Kai，ZHANG Hong-wei，LONG Shu-yong，et al[J].Effect of periodical cleaning on reduction of RO membrane fouling in combined MBR/RO Process[J].China Water & Wastewater，2010，26（11）：56-59.（in Chinese））

[16] 曹斌，黃霞，楊瑜芳.MBR-RO組合工藝污水回收中試研究[J].環境科學，2008（04）：915-919.（CAO Bin，HUANG Xia，YANG Yu-fang.Pilot study on combined MBR-RO process for wastewater recovery[J].Environmental Science，2008（04）：915-919.（in Chinese））

[17] 趙英杰，楊唐，李璞.UV254與 COD、TOC 相關分析及氯離子對測定 UV254的影響[J].安徽農業科學，2015，43（7）：253-255.（ZHAO Ying-jie，YANG Tang，LI Pu.Correlation analysis of UV245and TOC/COD and the influence of chloride ions on the determination of UV245[J].Journal of Anhui Agri Sci，2015，43（7）：253-255.（in Chinese））

[18] Weishaar J L，Aikengr，Bergamaschi B A，et al.Evaluation of specific ultraviolet absorbance as an indicator of the chemical composition and reactivity of dissolved organic carbon[J].Environ Sci Technol，2003，37：4702-4708.

[19] 于浩，李寧.地表水中UV254與COD之間的關系分析[J].水資源保護，2009，25（4）：67-69（YU Hao，LI Ning.Analysis of relationship between UV245 and COD in surface water[J].Water Resources Protection，2009，25（4）：67-69.（in Chinese））

[20] 蔣紹階，劉宗源.UV254作為水處理中有機物控制指標的意義[J].重慶建筑大學學報，2002，24（2）：61-65.（JIANG Shao-jie，LIU Zong-yuan.The meaning of UV245 as an organic matter monitoring parameter in water supply and wastewater treatment[J].Journal of Chongqing Jianzhu University.2002，24（2）：61-65.（in Chinese））

[21] 宮麗娜.膜生物反應器出水COD與UV254之間的線性關系[J].凈水技術，2014，33（1）：76-77，96.（GONG Li-na.Linear relationship between COD and UV245 of Membrane Bioreactor effluent for restaurant wastewater treatment[J].Water Purification Technology，2014，33（1）：76-77，96.（in Chinese））