反滲透工藝在污水深度處理中的應用

寧愛民

摘 要：為了緩解嚴峻的水資源形勢，除大力加強節約用水外，以污廢水再生處理作為非傳統水資源被廣泛認可和應用。以反滲透（RO）為核心的膜分離技術作為 21 世紀水處理領域中的關鍵手段以其高效、占地面積小、產水水質高、運行可靠、易實現自動控制和集成化等優勢為獲得高品質的再生水提供了重要的技術保障。

關鍵詞：水資源形勢；反滲透；污廢水；深度處理；核心技術

1 RO 膜分離技術

RO 膜分離技術是以膜兩側靜壓差為推動力，以水分子為代表的小分子溶劑在克服滲透壓的情況下通過 RO 膜從而實現與雜質分離的膜過程。操作壓力一般在 1.5～10.5 MPa，可截留 1～10 A 的小分子雜質。在水處理中，RO 作為關鍵性設備，可以去除水中 97%以上溶解性無機物、99%相對分子量300 及以上的有機物、99%以上包括細菌在內的各種微粒及 95% SiO2。

2 RO 膜分離技術在污廢水處理中的應用

2.1 高礦化度廢水處理中的應用

2.1.1 礦進水處理

以礦井水為代表的高礦化度廢水，其特點是礦化度高，尤其井下涌水，平均礦化度在 1 000 mg/L以上，含有大量的 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3- 等 離 子 ，SS 中有機成分少，COD 低于 1.5mg/L。對于水資源嚴重缺乏的礦區，利用 RO 技術深度處理作為生產和生活用水已被廣泛推廣。

2.1.2 冶金行業廢水處理

鋼鐵工業作為高耗水、高污染的資源型產業，其耗水量已占全國工業總耗水量的 14%，將其進行深度處理回用于生產和生活，減少噸鋼耗新水量，已在冶金行業大力推行。鋼鐵工業廢水水質成分復雜，各項指標波動較大，尤其 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、SO42-、F- 及 SiO2 等含量均較高，若不對高價金屬離子進行預脫出，RO 膜將會面臨嚴重的無機污染。

2.2 難降解有機污廢水處理中的應用

2.2.1 印染廢水和石化廢水處理

印染廢水除含有大量染料、漿料外，還有無機鹽、酸堿等成分。其色度高達 4 000 倍，具有水量大、有機污染物含量高、水質變化大、可生化性差等特點。石化污水具有水量和水質波動大、污染物成分復雜的特點，其中生產中帶入的油含量最高可達 3 0 g/L、硫化物接近 50 mg/L，COD 約為 1 g/L，各種鹽質量濃度接近 12 g/L，還含有揮發酚等有毒有害物。

2.2.2 垃圾滲濾液的深度處理

垃圾滲濾液主要來源于填埋場降水，其污染物主要來源于微生物對垃圾的分解和降水淋溶，水質十分復雜且波動大，COD 遠高于城市污水，最高可達 30 000 mg/L，可生化性差。此外，滲濾液還可能含有 Fe2+、Cd2+、Cr3+、Cu2+、Zn2+ 等多種金屬離子。在發酵階段，Fe2+ 的濃度甚至高達 2 000 mg/L、Ca2+ 高達 4000 mg/L。盡管 A/O 二段生化處理工藝已被廣泛用于垃圾滲濾液中的有機物降解和脫氮處理，但出水效果并不穩定。為此，WANG 等利用 A/O-MBR+NF+RO 工藝處理垃圾滲濾液研究中發現，向 A/O 反應器中加入活性炭，不僅可改善系統對有機物和重金屬的去除效果，同時還能減輕膜污染。

2.3 市政污廢水高品質回用處理中的應用

市政污廢水經過二級生化處理后，排水中有機物含量相對較低，通常 BOD5<30 mg/L、SS<30 mg/L，但殘余的有機物可生化性較差，TDS 在 3 000 mg/L左右。RO 作為核心技術，已經被廣泛用于各種污廢水的深度處理或高品質回用水處理。為了充分發揮 RO 的技術優勢，同時最大限度的減緩膜污染、降低水處理成本，針對具體水質已發展出了一系列組合工藝。

3 RO 膜分離技術在污廢水處理中的研究現狀

3.1 膜污染形成機理的揭示

膜污染的有效控制直接關系到 RO 膜的使用壽命及處理工藝穩定性，污染機理研究包括有機污染物的分析及產生過程揭示。

3.1.1 RO 進水中有機污染成份分析

污廢水經生化處理和 MF 或 UF 膜截留后，產水中依然殘留一定量溶解性的小分子有機物，其中微生物代謝產物和次生代謝產物約占出水TOC 的 83%，主要包括多糖類物質、蛋白質、油脂、核酸、腐殖酸、抗生素、細胞物質等。目前圍繞SMP 污染 RO 膜的研究比較熱烈，主要圍繞 SMP濃度、分子量、親疏水性、荷電性及模擬其對 RO 膜污染過程展開。

3.1.2 RO 膜污染的形成

對于污廢水處理工藝中的 RO 系統，進水中不僅含有 SMP、殘余的微生物、難降解酚、酮、醛、多環芳烴類等小分子有機物和一些氯取代烴類的消毒副產物，還有污廢水本身攜帶的重金屬離子及絮凝劑帶入的 Fe3+、Al3+ 等高價金屬離子，這些都將進一步加大 RO 膜污染的復雜性。

3.2 預測 RO 系統進水污染性的方法研究

RO 進水潛在污染性的有效預測，是污廢水 RO深度處理系統穩定運行的技術保障。

3.2.1 SDI 值

SDI 值的測定方法為，將待測水樣在死端過濾模式下，壓力為 207 kPa 通過直徑為 47 mm、孔徑為0.45μm 的微孔濾膜，記錄下初始過濾 500 mL 水樣所需時間 T1，經過時間間隔 T（通常為 15 min）后，記錄再次過濾 500 mL水樣所需時間 T2，SDI=100×（1-T1/T2）/T。SDI 值因測定方法簡單、重現性好，多年來一直是 RO 系統設計和運行管理中的主要參考指標。

3.2.2 SDI 替代參數的研究

針對 SDI 測試方法存在的缺陷，SCHIPPERS 等提出了一種修正污染指數（MFI）。MFI 的測試方法與 SDI 值相同，只是根據過濾水體積 V 所需時間 t作對應的 t/V 和 V 的關系曲線，該曲線的斜率即為MFI 值。雖然 MFI 值與顆粒污染物引起的 RO 膜污堵表現出較好的線性關系，可以很好的反應濾餅層過濾機制，但同 SDI 值一樣，它也只能表征被 0.45μm 微孔濾膜截留物質的污染性。

3.3 RO 濃水處理

RO 處理工藝在得到約 70%優質再生水的同時，將進水中污染物質濃縮了近 3 倍，產生約 1/3 的RO 濃水。具有水量大、礦化度高、可生化性差，環境潛在危害性大等特點。由于 RO 濃水的處理、處置一直未得到足夠的重視，在部分地區甚至成為阻礙RO 技術大規模應用的障礙之一。考慮到 RO 濃水中 SS 含量較低、含阻垢劑且余壓較大，工程中除部分與 RO 進水混合以提高水回收率處理外，常將其作為快速過濾裝置及 UF 的反沖洗水，或經過簡單處理后混入原水再次進入處理系統。這勢必會增大污廢水的處理規模和處理難度。目前，針對 RO 濃水處理的研究多集中于針對有機物去除的高級氧化及針對資源回收的蒸餾濃縮、正滲透及電解法等。其中，膜蒸餾（MD）技術是將膜技術與蒸餾過程相結合，以疏水微孔膜為介質，利用膜兩側蒸氣壓差的作用，使料液中揮發性組分以蒸氣形式透過膜孔，從而實現分離。與其他分離過程相比，膜蒸餾具有分離效率高、操作條件溫和、對膜與原料液間相互作用及膜的機械性能要求不高等優點。

參考文獻：

[1] 劉思琪，石林.超濾/反滲透組合工藝用于礦井水深度處理回用[J].環境科學與管理，2014，39（7）：123-125.