城市污水再生處理反滲透系統RO濃水處理方式

0 前言

污水再生利用是解決水資源短缺的重要戰略和必要途徑。但是城市污水成分復雜，除含有常規化學(xué)污染物外，還存在多種多樣的微量有毒有害化學(xué)污染物和致色致臭物質(zhì)。由于城市污水再生處理反滲透（municipal wastewater reclamation reverse osmosis，mWRRO）系統對污水中有機物、病原微生物、硝酸鹽氮以及難降解有機物（如內分泌干擾物等）具有良好的去除效果，已逐漸在城市污水再生利用領(lǐng)域得到推廣利用。但是，mWRRO系統在生產(chǎn)高質(zhì)量再生水的同時(shí)，會(huì )有副產(chǎn)物——RO濃水產(chǎn)生。

RO濃水的水量通常占進(jìn)水量的25％～50％，具體取決于RO系統的回收率（RO產(chǎn)品水與RO進(jìn)水的比值）。隨著(zhù)世界范圍內mWRRO工藝使用范圍和數量的不斷擴大，RO濃水水量也不斷增加，RO濃水的直接排放除了水資源浪費外，還會(huì )嚴重影響日益嚴峻的水環(huán)境系統。由于海水淡化反滲透（seawater reverse osmosis，SWRO）和苦咸水脫鹽反滲透（brackish water reverse osmosis，BWRO）歷史較久，一些學(xué)者針對SWRO和BWRO系統的RO濃水環(huán)境風(fēng)險已進(jìn)行了較多的研究，發(fā)現若直接排放水體會(huì )對地表水、海洋等帶來(lái)生態(tài)風(fēng)險，有研究者在阿拉伯海灣鹽度變化建模表明，沿海海水淡化裝置的增加可能增加海灣的鹽度，引起當地的氧含量和溫度變化；RO 濃水若排放至城市污水二級處理系統，過(guò)高的總溶解性固體對活性污泥的生長(cháng)也非常不利。不同于SWRO和BWRO系統，污水再生處理水源成分極其復雜，產(chǎn)生的RO濃水含有危害人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境的難生物降解有機物質(zhì)以及高風(fēng)險有毒物質(zhì)。目前，多數國家對于RO濃水的排放政策要求越來(lái)越嚴格，RO 濃水的出路問(wèn)題已成為再生水處理領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文系統分析了mWRRO系統RO 濃水的不同處理方式及其控制目標與控制方法，提出了mWRRO系統RO濃水的綜合處理模式。

1 mWRRO系統的RO濃水

mWRRO系統一般以微濾（MF）或超濾（UF）為預處理設施，典型工藝流程如圖1所示。主要包括預處理、RO裝置、后處理、清洗系統、高壓泵、計量控制設備等。在mWRRO工藝運行過(guò)程中，需要投加多種藥劑，如混凝劑、殺菌劑、阻垢劑等，以改善進(jìn)水水質(zhì)，避免膜受到微生物、物理或化學(xué)損傷，保證膜過(guò)濾系統的正常運行及出水水質(zhì)。

mWRRO系統RO濃水中的化學(xué)污染物不僅包含mWRRO工藝進(jìn)水（二級處理出水）中的污染物和工藝運行過(guò)程投加的化學(xué)藥劑，還包含二級出水與所添加的化學(xué)藥劑發(fā)生可能的反應生成新的污染物，如鹵代或者亞硝胺類(lèi)消毒副產(chǎn)物。以城市污水處理廠(chǎng)二級出水為水源的mWRRO 系統RO 濃水的水質(zhì)特征明顯不同于SWRO和BWRO的RO濃水（見(jiàn)表1）。mWRRO系統RO濃水中的總含鹽量（TDS）、電導率和陰陽(yáng)離子濃度明顯低于SWRO和BWRO的RO濃水。mWRRO系統RO濃水相比被關(guān)注的污染物指標更多，包括無(wú)機鹽和陰陽(yáng)離子，有機物、氮磷等營(yíng)養物質(zhì)，以及高風(fēng)險有毒物質(zhì)；SWRO和BWRO系統的RO濃水則主要關(guān)注無(wú)機鹽和陰陽(yáng)離子以及一些特殊元素（如海水中的溴離子和硼，苦咸水中的SiO2等）。

除了污染物常規水質(zhì)指標外，mWRRO 系統RO濃水中存在高風(fēng)險有毒物質(zhì)，如藥物及個(gè)人護理用品（PPCPs），內分泌干擾物（EDCs）和消毒副產(chǎn)物（DBPs）等。已有報道從RO 濃水中檢出多種PPCPs，如卡馬西平、碘美普爾、Beta受體阻劑（比索洛爾）和萘普生的濃度可分別高達3．4μg/L、3．9μg/L、3．9μg/L 和9．22μg/L。Nghiem 和Sch�|fer的研究表明當進(jìn)水EDCs濃度為100ng/L時(shí)，RO系統的去除率達90％，但是在RO濃縮水中EDCs的濃度為370ng/L，還有部分的EDCs隨系統的化學(xué)清洗液排出。此外，反滲透工藝進(jìn)水端采用氯消毒會(huì )產(chǎn)生的鹵代或者亞硝胺類(lèi)消毒副產(chǎn)物也會(huì )進(jìn)入RO濃水中。mWRRO系統RO濃水的這些特點(diǎn)也對其RO濃水的處理技術(shù)提出了更高的要求，不能簡(jiǎn)單的遵循SWRO和BWRO系統RO濃水的處理與處置方式。

2 污水再生處理RO濃水的處理方式

不同于SWRO和BWRO系統，mWRRO系統RO濃水中的化學(xué)污染物成分異常復雜，且污染物的濃度水平也明顯不同。目前世界范圍內對mWRRO系統RO濃水的處理率處于較低水平，其處理方式也成為當今研究的熱點(diǎn)。本文根據大量調研，系統總結和分析了mWRRO系統RO濃水的處理方式，以?xún)啥畏╩WRRO 為例，RO 濃水處理方式如圖2所示。

mWRRO系統RO濃水可根據不同處置目標選擇相應的處理方式，主要包括：中間處理方式（A）：對于兩段mWRRO系統，將Ⅰ段RO濃水進(jìn)行中間處理，處理后再進(jìn)入Ⅱ段反滲透，以提高RO系統的產(chǎn)水率，減少Ⅱ段RO 濃水水量。循環(huán)處理方式（B）：RO濃水經(jīng)過(guò)一定的處理后回流至城市污水處理廠(chǎng)生物處理。廠(chǎng)外排放處理方式（C）：RO濃水經(jīng)過(guò)一定的處理后就近排入其他污水處理廠(chǎng)二級處理前端（C1），或達到排入城市下水管道要求后，排入城市排水管道系統（C2）。直接排放處理方式（D）：RO濃水經(jīng)過(guò)處理后，可廠(chǎng)區內再回用，或者外排至河道及其他自然水體。

2．1 中間處理

中間處理以降低Ⅰ段RO濃水中的過(guò)飽和難溶鹽、溶解性有機物（Dissolved Organic Matter，DOM）及其高分子生物聚合物等致膜污染物質(zhì)的濃度為處理目標，繼而降低Ⅱ段膜污染和結垢趨勢的處理方式。其結果可提高RO系統的產(chǎn)水率，降低RO濃水水量，從而減少后續RO 濃水處理處置所產(chǎn)生的費用。

有關(guān)SWRO和BWRO系統中間處理方式的報道較多。SWRO和BWRO系統的回收率（RO產(chǎn)品水與RO進(jìn)水的比值）主要受到微溶鹽（如CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4和SiO2等）結垢甚至阻垢劑的影響，如美國加利福尼亞州圣華金谷（2 000～30 000mg/L TDS）用于農業(yè)灌溉的BWRO 系統，由于礦物質(zhì)結垢使其回收率只能達到50％～75％；一般情況下，BWRO系統的回收率很難超過(guò)85％，RO濃水尤其在內陸地區的處理和處置是RO系統應用的重要瓶頸。Subramani等研究了受污染地下水的RO處理系統（其產(chǎn)品水用于補充飲用水源）的中間處理方法，由于該受污染地下水中高濃度Ca2+和SiO2的影響，導致RO系統的回收率最高僅為60％。采用化學(xué)軟化/電絮凝－濾料過(guò)濾處理Ⅰ段RO濃水，發(fā)現化學(xué)軟化和電絮凝對Ⅰ段RO濃水中的Ca2+和SiO2的去除率均達到90％以上，但是電絮凝可有效去除濃水中的金屬如汞和硒。通過(guò)中間處理，該兩段RO系統的回收率可達到90％。

傳統的中間處理脫鹽一般采用軟化沉淀法降低硬度，但是，反滲透濃縮液中阻垢劑的存在，對無(wú)機過(guò)飽和濃縮液起著(zhù)穩定作用，增大了降低濃水中過(guò)飽和難溶鹽的處理難度。因此，在降低濃縮液中的成垢離子濃度和結垢趨勢時(shí)，首先要考慮減小阻垢劑的影響，從而提高中間處理效率。

Lauren等采用阻垢劑降解－鹽沉淀－固液分離三步進(jìn)行BWRO系統RO濃水的中間處理，發(fā)現采用高級氧化法（臭氧＋H2O2）有助于提高后續鈣鹽的沉淀，去除阻垢劑（該研究采用膦酸鹽）對沉淀物的粒度分布和顆粒形態(tài)的影響，而且還可改善微濾性能。前端的臭氧催化氧化可以將RO系統的回收率從90％提高到94％。McCool等采用化學(xué)強化晶體沉淀法（chemically－enhanced seeded precipitation，CESP）降低苦咸水RO 系統產(chǎn)生濃水中的過(guò)飽和鹽CaCO3和CaSO4，即首先通過(guò)應用少量石灰或堿性藥劑誘導CaCO3沉淀去除濃水中的阻垢劑聚丙烯酸，然后在反滲透濃縮液中投加充足的晶種（方解石和石膏等），讓溶液中過(guò)飽和的CaCO3、CaSO4等在晶種上生長(cháng)，從而降低溶液中成垢離子的濃度。

以城市污水處理廠(chǎng)二級出水為水源的mWRRO系統RO濃水的水質(zhì)特征明顯不同于SWRO和BWRO系統，因此其中間處理的處理目標除了考慮過(guò)飽和難溶鹽和阻垢劑外，還需要著(zhù)重于溶解性有機物、微生物代謝產(chǎn)物及其高分子生物聚合物等致膜污染物質(zhì)。這也對mWRRO 系統RO 濃水的中間處理方法提出了更多的要求。目前，針對mWWRO系統，Sanciolo等采用中試研究了鈣鹽晶體沉淀－陶瓷超濾膜過(guò)濾法對過(guò)飽和鹽的去除，以提高RO系統的產(chǎn)水率；對于Ⅰ段RO濃水中溶解性有機物、微生物代謝產(chǎn)物及其高分子生物聚合物的相關(guān)處理方法研究還未見(jiàn)報道。盡管二級出水中DOM 成分（溶解性微生物產(chǎn)物和類(lèi)腐殖質(zhì)物質(zhì)等）及其酸堿/極性組分對MF/UF膜滲透性影響的研究較多，但是對RO膜的影響特征及其產(chǎn)生膜污染的優(yōu)先成分和組分目前還少見(jiàn)報道。

2．2 循環(huán)處理

循環(huán)處理主要針對有二級污水處理設施的mWRRO再生水廠(chǎng)，RO濃水經(jīng)過(guò)一定的預處理后回流至污水處理廠(chǎng)生物處理單元，該方法既可實(shí)現RO濃水的最小量排放，甚至零排放，又可節約由于處理RO濃水所產(chǎn)生的投資和運行費用。

mWRRO系統RO濃水循環(huán)處理方法的選擇需要考慮RO濃水中的無(wú)機鹽離子濃度、營(yíng)養鹽平衡、難降解有機物以及阻垢劑等對生物處理系統中的影響，以及無(wú)機鹽、難降解有機物和阻垢劑在系統中的累積作用及其對膜壽命的影響。

Zhang等針對城市污水經(jīng)過(guò)生物—UF—RO處理后回灌地下水的工藝系統，研究了采用電滲析—臭氧氧化—回流至生物處理的RO濃水循環(huán)處理技術(shù)，電滲析用來(lái)去除濃水中的過(guò)飽和鹽，臭氧氧化提高濃水的可生化性，該系統獲得95％的產(chǎn)水率。Joss等將90％的RO濃水臭氧氧化后循環(huán)回流于生物處理，發(fā)現臭氧氧化還可明顯降低RO濃水中的微生物污染物，該系統獲得90％以上的產(chǎn)水率；而且臭氧氧化可明顯降低濃水中的部分PPCPs的濃度，而且有臭氧氧化（0．85gO3/gDOC）循環(huán)回流的RO系統產(chǎn)品水（相比臭氧氧化循環(huán)系統）中部分PPCPs也明顯降低或不檢出（如卡巴西平、普荼洛爾和雙氯芬酸）。

2．3 廠(chǎng)外排放處理

廠(chǎng)外排放處理主要適用小型mWRRO再生水廠(chǎng)附近有其他城市污水處理廠(chǎng)或城市排水管道系統可以收集的情況。目前，在我國mWRRO再生水廠(chǎng)RO濃水大多未經(jīng)過(guò)處理直接排入附近其他城市污水處理廠(chǎng)或城市排水管道系統，有關(guān)RO濃水對污水處理廠(chǎng)二級生物處理的影響，RO濃水對城市排水管道及其內部生物膜結構的影響目前還不清晰，相關(guān)的報道還很少。

RO濃水的廠(chǎng)外排放處理就是將RO濃水經(jīng)過(guò)一定的處理，使其主要污染指標達到排入城市污水處理廠(chǎng)或城市排水管道系統的限值。其水質(zhì)控制指標可參考我國城鎮建設行業(yè)標準《污水排入城鎮下水道水質(zhì)標準》（CJ 343—2010）或者地方相關(guān)標準，如上海市《污水排入城鎮下水道水質(zhì)標準》（DB 31/445—2009）。

根據已有文獻所報道的mWRRO 系統RO 濃水的水質(zhì)指標，結合上述標準相關(guān)指標的排放限值，本文建議對于廠(chǎng)外排放處理以氮（如TN、NH3-N和NO3-）、磷（TP和PO43-）和無(wú)機鹽（如TDS、氯化物、硫酸鹽和Na+）為主要控制目標（如表2所示）。由于不同文獻所述mWRRO進(jìn)水水質(zhì)的不同和RO系統操作參數和回收率等的不同，導致了同一指標在RO濃水中的濃度差異較大。表2只列了一些在RO濃水中濃度超出污水排入城鎮下水道水質(zhì)標準限值的指標，以便明確廠(chǎng)外排放處理方式的重點(diǎn)控制目標。另外，TDS和Na+在上述兩個(gè)標準中沒(méi)有提及，但是考慮到鹽度、密度較高的濃縮水排入管道會(huì )在底部積累分層，而且Na+濃度太高會(huì )引起植物毒性，如175mg/L的Cl-和115mg/L的Na+是滴灌中一些敏感植物的安全值，因此建議這兩個(gè)指標也作為廠(chǎng)外排放處理的控制目標。

若出水就近排入其他城市污水處理廠(chǎng)二級處理單元，RO濃水的廠(chǎng)外排放處理方法的選擇，除了考慮表2所述排放限值外，需要結合污水處理廠(chǎng)的稀釋容量，考慮生化單元微生物對有機物、氮、磷和無(wú)機營(yíng)養鹽的濃度要求，以及鹽度對污泥處置的影響。

2．4 直接排放處理

直接排放處理是針對就近排入地表水、補充河道或者再生水廠(chǎng)內回用的情況，將RO濃水進(jìn)行達標處理。目前，對于RO濃水的排放尚無(wú)相關(guān)標準可循，可參考的水質(zhì)標準有《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）、《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）、《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)標準》（GB/T 18920—2002），以及相關(guān)的地方標準。

不同于城市生活污水，mWRRO系統RO濃水的BOD5/COD 值極低、具有較高的TDS、NO3-、PO43-和堿度（見(jiàn)表1），使得RO濃水的處理不同且難于城市生活污水。目前，研究報道的處理方法主要有吸附法、電滲析、絮凝法、高級氧化以及組合技術(shù)等，基本都處于實(shí)驗室小試研究階段，處理目標主要針對RO濃水中的COD和DOC開(kāi)展，也有一些文獻報道了對RO濃水中氮、磷、重金屬和微量有機物等的研究，如表3所示。

3 結語(yǔ)

城市污水再生處理反滲透（mWRRO）系統RO濃水中除了常規化學(xué)污染物外，還含有危害人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境的難生物降解有機物和高風(fēng)險有毒物質(zhì)。本文針對mWRRO系統RO濃水的水質(zhì)特征，在大量調研的基礎上，系統總結和分析了mWRRO系統RO濃水的中間處理、循環(huán)處理、廠(chǎng)外排放處理和直接排放處理四種處理方式，及其適用條件、處理目標、控制方法和目前已報道的處理技術(shù)。在實(shí)際操作中可根據不同處理方式的適用性和RO濃水的處置目標進(jìn)行選擇。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由于中間處理方式既可降低Ⅱ段的膜污染和結垢趨勢，又可提高mWRRO 產(chǎn)水率，同時(shí)降低RO濃水水量；循環(huán)處理方式既可實(shí)現RO濃水的零排放（或最小量排放），又可節約由于處理濃水所產(chǎn)生的投資和運行費用。因此，在條件允許的情況下，本文建議mWRRO系統采用中間處理和循環(huán)處理相結合的RO濃水綜合處理模式，以期實(shí)現mWRRO系統產(chǎn)水量最大化，濃水處理費用最小化。

對于每種處理方式所涉及的具體處理技術(shù)也已經(jīng)有相關(guān)的文獻報道，但是目前的大部分處理技術(shù)仍停留于實(shí)驗室小試研究階段，如何實(shí)現mWRRO系統RO濃水的安全有效處理，提高mWRRO系統的產(chǎn)水率，減少由RO濃水所產(chǎn)生的管理費用，降低由于RO濃水引起的水環(huán)境風(fēng)險，相關(guān)的研究還有待系統開(kāi)展。