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    MBR—RO組合工藝生產(chǎn)直接飲用再生水的試驗研究

    2016-07-09 12:35:43王永剛李中錕董婧潘濤王旭李明蔚張俊娥
    南水北調(diào)與水利科技 2016年4期
    關(guān)鍵詞:生活污水反滲透

    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(yīng)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(shù)(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(jié)垢問題。MBR-RO組合工藝的產(chǎn)水水質(zhì)良好,其中常規(guī)水質(zhì)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(wèi)生標準》中主要的73項指標分析,產(chǎn)水達到飲用水水質(zhì)標準。本研究結(jié)果表明,采用MBR-RO組合工藝生產(chǎn)直接飲用再生水是可行的。

    關(guān)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(nèi)人口的快速膨脹和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)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(xiàn)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(qū),人們已經(jīng)開始將高品質(zhì)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(qū),要加強再生水循環(huán)利用,鼓勵開展高品質(zhì)再生水補充飲用水水源地的應(yīng)用研究。

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

    1 試驗設(shè)計

    1.1 工藝流程

    本試驗以北京市某典型居民區(qū)生活污水為原水(原水水質(zhì)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(tǒng)進行處理,經(jīng)MBR處理的出水經(jīng)過保安過濾器、紫外燈等預(yù)處理之后,再進入RO系統(tǒng)處理,RO產(chǎn)品水收集于產(chǎn)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(yīng)容器,每個容器的有效容積為4 m3,內(nèi)置24塊膜元件為國產(chǎn)品牌藍天沛爾PEIER-B-80板式MF膜組件。MF膜元件的具體參數(shù)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(zhì)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(yīng)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(yōu)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(yīng)器內(nèi)會出現(xiàn)代謝產(chǎn)物和死菌體的大量積累,影響出水水質(zhì)。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(zhì)穩(wěn)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(shè)置了阻垢劑加藥泵、保安過濾器、紫外燈殺菌燈等裝置構(gòu)成的RO預(yù)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(shù)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(zhì)指標與測定方法

    試驗中MBR-RO系統(tǒng)進水水質(zhì)監(jiān)測指標包括pH、CODCr、NH4+-N、TOC、TN、TP、UV254等;MBR出水水質(zhì)監(jiān)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(dǎo)率、總硬度、總堿度、溶解性總固體、揮發(fā)酚類、陰離子合成洗滌劑、UV254、污染密度指數(shù)(silt density index ,SDI)等。MBR-RO產(chǎn)水參照《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2006)中水質(zhì)指標進行監(jiān)測。我國現(xiàn)行的飲用水衛(wèi)生標準《生活飲用水衛(wèi)生標準》共106項指標,由于本試驗原水為生活污水,沒有農(nóng)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(nóng)藥殘留、消毒劑及副產(chǎn)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(chǎn)水共檢測了《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的73項指標,其中感官性狀和一般化學(xué)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(shù)、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(fā)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(huán)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(dǎo)率。

    上述監(jiān)測指標中參照飲用水標準選擇的監(jiān)測項目,根據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》中所規(guī)定的飲用水水質(zhì)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(jīng)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(jié)果與討論

    2.1 MBR出水水質(zhì)

    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(jié)垢風(fēng)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(jié)果可知,MBR出水中的CaCO3、Ca3(PO4)2、BaSO4的飽和指數(shù)分別達到了120%、115%、95%,如果直接將MBR出水進入RO單元,會導(dǎo)致RO膜很快出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢現(xiàn)象,因此必須通過投加阻垢劑的方式來改善水質(zhì),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(chǎn)品技術(shù)手冊,選用HypersperseTM MDC 150阻垢劑,經(jīng)計算,投加10 mg/L的阻垢劑可以使CaCO3、Ca3(PO4)2、BaSO4的飽和指數(shù)分別降低為5%、1%、78%,能夠有效地控制RO的結(jié)垢風(fēng)險。

    綜上所述,MBR的出水水質(zhì)較好,不僅對常規(guī)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(tǒng)的進水要求,說明在城市生活污水再生回用的應(yīng)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(jīng)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(chǎn)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(shù),其主要受到進水壓力、進水溫度、水回收率、進水水質(zhì)、膜污堵狀況的影響。試驗中水通量與水溫呈正相關(guān),且符合產(chǎn)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(dǎo)率1 144~1 642 μS/cm,產(chǎn)水電導(dǎo)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(wěn)定在98%以上(見圖5),說明RO工藝運行穩(wěn)定。

    2.3 MBR-RO產(chǎn)水水質(zhì)分析

    將MBR-RO產(chǎn)水與我國現(xiàn)行飲用水標準對比分析(表3)發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

    (1)從感官性狀和一般化學(xué)指標來看,MBR-RO工藝產(chǎn)水無異臭、異味,無肉眼可見物;色度、濁度均小于檢出限,水質(zhì)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?cè)コ蔬_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(shù)為13 CFU/mL,遠低于100 CFU/mL的標準值。

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

    本試驗還對MBR-RO產(chǎn)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(wèi)生標準》中的參考指標,試驗產(chǎn)水中NO2--N<0.7 mg/L,滿足《生活飲用水衛(wèi)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(wèi)生標準》的限值要求(限值為5 mg/L),總?cè)コ蚀笥?9%。TP、TN是衡量水中營養(yǎng)物質(zhì)的重要指標,試驗產(chǎn)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(chǎn)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(jié)果基本一致。曹斌[16]等采用MBR-RO工藝處理生活污水,產(chǎn)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(jié)果基本一致。UV254是表征溶液中芳香性和具有雙鍵結(jié)構(gòu)物質(zhì)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(guān)性[18-19],可以作為有機物的控制參數(shù),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(chǎn)水、瓶裝飲用水的UV254(圖6),結(jié)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(jié)果[21]。本試驗中,RO產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)水中有機污染物濃度很低。

    3 結(jié)論

    (1)MBR出水水質(zhì)良好,對常規(guī)污染物有較好去除效果,SDI在2.5~3.5之間,適當(dāng)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(xù)運行的149 d期間,RO水通量隨溫度上升有所提高,脫鹽率穩(wěn)定98%以上,沒有發(fā)生明顯污染,RO運行穩(wěn)定,說明MBR作為RO的預(yù)處理是可行的。

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

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