再生水高標(biāo)準(zhǔn)處理與工業(yè)利用工程案例研究

李 旭，李彩鳳，巫寅虎，徐雨晴，張宏宇，胡洪營，3

（1.北京亦莊水務(wù)有限公司，北京 100176； 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，國家環(huán)境保護環(huán)境微生物利用與安全控制重點實驗室，環(huán)境前沿技術(shù)北京實驗室，北京 100084；3.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇蘇州 215163）

我國水資源短缺，北京等北方城市尤為突出，導(dǎo)致北京市工業(yè)用自來水價格高達9.0～9.5元/m3，加重了各工業(yè)企業(yè)乃至電子信息等高精尖企業(yè)的生產(chǎn)成本負擔(dān)。為解決水資源短缺問題，國家大力推動再生水利用，出臺了《關(guān)于推進污水資源化利用的指導(dǎo)意見》等一系列重要文件，要求缺水地區(qū)工業(yè)企業(yè)優(yōu)先使用再生水。目前，再生水（包括城市污水廠和工業(yè)園區(qū)綜合污水廠出水等）已成為電子信息、電力、熱力等高精尖行業(yè)和支柱行業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)純水制備的重要水源。

反滲透（RO）工藝對無機物、有機物和病原微生物等均能實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)去除，是工業(yè)純水制備的必備單元。目前，我國工業(yè)級反滲透工藝的應(yīng)用規(guī)模已經(jīng)超過5000萬m3/d，以再生水作為水源的比例超過70%〔1〕。該工藝最初用于海水淡化和以地表水、地下水為水源的純水制備過程，用于再生水處理起步較晚。并且，由于再生水中有機污染物組分復(fù)雜、濃度比海水和常規(guī)水源高5～ 10倍〔2-3〕，在工程實踐中面臨比海水淡化和常規(guī)水源凈化更復(fù)雜、更突出的膜污堵問題，限制了其進一步發(fā)展。

筆者從系統(tǒng)構(gòu)成、工藝設(shè)計、運行特性等方面對北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的再生水高標(biāo)準(zhǔn)處理與工業(yè)利用進行了系統(tǒng)分析，從工藝運行穩(wěn)定性和技術(shù)經(jīng)濟性角度探討了反滲透膜污堵控制的可行方案。

1 北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)再生水利用概況

1.1 開發(fā)區(qū)再生水利用系統(tǒng)

北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，又名亦莊開發(fā)區(qū)（以下簡稱開發(fā)區(qū)），總規(guī)劃面積46.13 km2，主要劃分為核心區(qū)、路東區(qū)和河西區(qū)等區(qū)域。該開發(fā)區(qū)享受國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)雙重優(yōu)惠政策，目前已經(jīng)集聚了一大批競爭力強、知名度高、科技領(lǐng)先的企業(yè)，逐步形成了電子信息、生物醫(yī)藥、汽車和裝備制造4大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

該開發(fā)區(qū)工業(yè)用水量大，且水質(zhì)要求高。由于北京市水資源短缺問題突出，市政府要求開發(fā)區(qū)工業(yè)用新水零增長。為了支撐開發(fā)區(qū)內(nèi)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)區(qū)內(nèi)的東區(qū)和經(jīng)開再生水廠分別以園區(qū)外污水處理廠（XHM污水處理廠）和園區(qū)綜合污水處理廠的二級出水（C級再生水）〔4〕為水源，采用“微濾-反滲透”（MF-RO）工藝生產(chǎn)A 1級再生水。生產(chǎn)的A 1級再生水通過再生水配套管網(wǎng)輸送給開發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)，替代自來水作為工藝生產(chǎn)用水和非工藝生產(chǎn)用水（如循環(huán)冷卻用水等），實現(xiàn)了再生水在區(qū)域范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用。目前，園區(qū)內(nèi)A 1級再生水的用量達到 1368萬m3/a，占工業(yè)用水總量的40%，已成為開發(fā)區(qū)的工業(yè)第一水源。

1.2 再生水高標(biāo)準(zhǔn)處理工藝

開發(fā)區(qū)再生水廠采用的高標(biāo)準(zhǔn)處理工藝見圖 1。

圖 1 傳統(tǒng)微（超）濾-反滲透工藝Fig.1 Traditional microfiltration（ultrafiltration）-reverse osmosis process

該工藝以微濾和反滲透“雙膜”單元為核心，利用反滲透膜對水分子的選擇性透過作用，生產(chǎn)A 1級再生水。為了維持雙膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要在核心處理單元前設(shè)置消毒、介質(zhì)過濾、保安過濾器等預(yù)處理單元。其中，各處理單元的核心功能如下：

（1）消毒預(yù)處理單元：通常采用氯消毒等滅活進水中的微生物，防控微生物生長并分泌代謝產(chǎn)物而導(dǎo)致的反滲透膜生物污堵。

（2）介質(zhì)過濾預(yù)處理單元（自清洗過濾器）：通常采用活性炭、石英砂等作為過濾介質(zhì)，去除水中的顆粒物、部分溶解性有機物，防止對后續(xù)微濾膜和反滲透膜的污堵。

（3）微濾（超濾）單元：采用中空纖維微濾（超濾）膜截留水中細微顆粒物，防止對反滲透膜的污堵。

（4）保安過濾器單元：通常設(shè)置在反滲透單元之前，防止較大的顆粒物（通常粒徑為5μm以上）進入反滲透單元，對反滲透膜造成不可逆損傷。

（5）反滲透單元：利用反滲透膜的選擇透過性，理論上可截留水中除水分子外的其余物質(zhì)，從而生產(chǎn)純水（A 1級再生水）。

為了防控膜污堵、維持雙膜工藝的穩(wěn)定運行，各處理單元需要投加大量化學(xué)藥劑。消毒預(yù)處理單元需要投加氯（通常是次氯酸鈉）作為消毒劑，微濾單元需要采用次氯酸鈉、檸檬酸、氫氧化鈉等藥劑進行化學(xué)清洗，反滲透單元之前需要投加還原劑（防止反滲透膜氧化損傷）、阻垢劑（防止結(jié)垢）、非氧化性抑菌劑（防止生物污堵），反滲透膜需要采用氫氧化鈉、檸檬酸等進行化學(xué)清洗。

2 反滲透處理工藝運行狀況

2.1 處理效果

開發(fā)區(qū)再生水廠雙膜工藝進出水水質(zhì)見表 1。

表 1 反滲透工藝進水與產(chǎn)水水質(zhì)（第三方檢測）Table 1 Water quality of feedwater and product water of ROprocess from third party

由表 1可知，經(jīng)過反滲透處理后，產(chǎn)水的總有機碳（TOC）為0.3 mg/L，濁度低于0.5 NTU，TDS為97 mg/L，總硬度為 18.5 mg/L（0.185 mmol/L），堿度為 25.8 mg/L（0.258 mmol/L），均達到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T 1576— 2018）對鍋爐水水質(zhì)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了開發(fā)區(qū)各企業(yè)對工業(yè)用水水源的需求。

2.2 工藝運行穩(wěn)定性

雖然開發(fā)區(qū)再生水廠的產(chǎn)水水質(zhì)相對穩(wěn)定，但反滲透工藝在運行過程中仍然面臨較為嚴重的膜污堵問題。為了維持產(chǎn)水的水量水質(zhì)穩(wěn)定，反滲透單元的運行壓力隨著膜污堵程度的加重而不斷升高，且定期需對反滲透膜進行化學(xué)清洗，減輕膜污堵的影響，因此系統(tǒng)能耗、藥耗較高。除增加運行成本外，頻繁的化學(xué)清洗也會對反滲透膜造成不可逆的損傷，降低系統(tǒng)的脫鹽效率。再生水廠反滲透單元使用的清洗藥劑如表 2所示。

表 2 再生水廠反滲透單元清洗藥劑使用情況（ 2020年）Table 2 Addition of cleaning agent in ROprocess（2020）

對再生水廠長期運行后發(fā)生嚴重污堵的反滲透膜進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)微生物及其代謝分泌產(chǎn)物是導(dǎo)致膜污堵的重要原因。為防控生物污堵，再生水廠對反滲透單元的預(yù)處理工藝進行了改造，采用氯-紫外線組合消毒工藝替代了原有的氯消毒預(yù)處理。主要工藝流程如圖 2所示。

預(yù)處理工藝改造前后，反滲透單元的進水壓力變化如圖3所示。

由圖3可知，采用氯消毒預(yù)處理時，易出現(xiàn)反滲透單元進水壓力急劇升高的現(xiàn)象。在系統(tǒng)運行的第 20～70天（50 d內(nèi)），進水壓力由約0.9 MPa升高至 1.4 MPa以上，升高比例達55%；第 150～ 180天（30 d內(nèi)），進水壓力由0.78 MPa升高至 1.4 MPa以上，升高比例超過60%；第 245～ 265天（20 d內(nèi)），由約0.9 MPa升高至 1.3 MPa，升高比例達44%。這種短時間內(nèi)運行壓力急劇升高的現(xiàn)象，是反滲透膜生物污堵的顯著特征，也表明僅采用氯消毒預(yù)處理難以有效控制生物污堵。采用氯-紫外線組合消毒預(yù)處理后，運行初期仍然出現(xiàn)了進水壓力急劇升高的現(xiàn)象。第308～335天，進水壓力由約0.8 MPa上升至 1.19 MPa。但在進行化學(xué)清洗后（運行壓力由較高值突然下跌），系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性顯著提高，進水壓力的升高速度顯著減緩，且最高運行壓力再未超過 1.2 MPa。同時，化學(xué)清洗的間隔周期顯著延長。

上述結(jié)果表明，對消毒預(yù)處理工藝進行改造后，反滲透膜污堵得到了一定程度的控制，工藝運行的穩(wěn)定性提升。這可能是由于紫外線與氯對細菌細胞的損傷靶點和機制不同，部分在氯消毒后存活的耐氯細菌經(jīng)過紫外線消毒后被有效滅活，從而控制反滲透膜的生物污堵。

與本研究類似的組合消毒工藝也被應(yīng)用于生活污水的再生處理。目前，北京市高碑店等再生水廠采用臭氧-紫外線-氯組合消毒工藝，利用不同消毒技術(shù)對細菌的殺傷機制不同，可實現(xiàn)對再生水中復(fù)雜混合菌群的高效滅活。

3 反滲透處理工藝運行效能分析

圖4為預(yù)處理單元改造前后反滲透工藝運行效能對比。

由圖4（a）～（b）可知，工藝改造前，平均進水壓力為 1.0 MPa，中位數(shù)為0.98 MPa，污堵較嚴重時，最高運行壓力可超過 1.4 MPa。工藝改造后，平均進水壓力和中位數(shù)均下降至0.9 MPa，且最高運行壓力未超過 1.2 MPa?；瘜W(xué)清洗周期方面，工藝改造前約 1～ 2個月（平均55 d）需要對反滲透膜進行一次大規(guī)?；瘜W(xué)清洗；工藝改造后，約 2～3個月（平均81 d）進行一次化學(xué)清洗。

采用氯-紫外線消毒預(yù)處理后，反滲透膜污堵得到控制，工藝運行的電耗和藥耗均有所下降〔圖4（c）〕。采用氯消毒預(yù)處理時，再生水廠電耗為 1.2～ 1.4元/m3，藥耗為0.3～0.4元/m3；而采用氯-紫外線消毒預(yù)處理后，電耗下降至 1.1～ 1.15元/m3，藥耗下降至0.2～0.3元/m3。綜合考慮電耗和藥耗，氯-紫外線消毒預(yù)處理使再生水廠的噸水運行成本降低約 22%。

4 結(jié)論

反滲透膜的生物污堵是再生水反滲透處理工程實踐中最難以控制的膜污堵類型之一。通過對北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)再生水廠的工程案例分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的氯消毒預(yù)處理無法有效控制生物污堵，系統(tǒng)穩(wěn)定運行難、能耗藥耗高。將消毒預(yù)處理改造為氯-紫外線組合消毒后，反滲透膜污堵得到有效控制，再生水反滲透處理工藝的電耗、藥耗顯著降低。上述工程案例為反滲透膜生物污堵的控制提供了新思路和新視角。