反渗透工艺在污水深度处理中的应用

宁爱民

摘 要：为了缓解严峻的水资源形势，除大力加强节约用水外，以污废水再生处理作为非传统水资源被广泛认可和应用。以反渗透（RO）为核心的膜分离技术作为 21 世纪水处理领域中的关键手段以其高效、占地面积小、产水水质高、运行可靠、易实现自动控制和集成化等优势为获得高品质的再生水提供了重要的技术保障。

关键词：水资源形势；反渗透；污废水；深度处理；核心技术

1 RO 膜分离技术

RO 膜分离技术是以膜两侧静压差为推动力，以水分子为代表的小分子溶剂在克服渗透压的情况下通过 RO 膜从而实现与杂质分离的膜过程。操作压力一般在 1.5～10.5 MPa，可截留 1～10 A 的小分子杂质。在水处理中，RO 作为关键性设备，可以去除水中 97%以上溶解性无机物、99%相对分子量300 及以上的有机物、99%以上包括细菌在内的各种微粒及 95% SiO2。

2 RO 膜分离技术在污废水处理中的应用

2.1 高矿化度废水处理中的应用

2.1.1 矿进水处理

以矿井水为代表的高矿化度废水，其特点是矿化度高，尤其井下涌水，平均矿化度在 1 000 mg/L以上，含有大量的 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3- 等 离 子 ，SS 中有机成分少，COD 低于 1.5mg/L。对于水资源严重缺乏的矿区，利用 RO 技术深度处理作为生产和生活用水已被广泛推广。

2.1.2 冶金行业废水处理

钢铁工业作为高耗水、高污染的资源型产业，其耗水量已占全国工业总耗水量的 14%，将其进行深度处理回用于生产和生活，减少吨钢耗新水量，已在冶金行业大力推行。钢铁工业废水水质成分复杂，各项指标波动较大，尤其 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、SO42-、F- 及 SiO2 等含量均较高，若不对高价金属离子进行预脱出，RO 膜将会面临严重的无机污染。

2.2 难降解有机污废水处理中的应用

2.2.1 印染废水和石化废水处理

印染废水除含有大量染料、浆料外，还有无机盐、酸碱等成分。其色度高达 4 000 倍，具有水量大、有机污染物含量高、水质变化大、可生化性差等特点。石化污水具有水量和水质波动大、污染物成分复杂的特点，其中生产中带入的油含量最高可达 3 0 g/L、硫化物接近 50 mg/L，COD 约为 1 g/L，各种盐质量浓度接近 12 g/L，还含有挥发酚等有毒有害物。

2.2.2 垃圾渗滤液的深度处理

垃圾渗滤液主要来源于填埋场降水，其污染物主要来源于微生物对垃圾的分解和降水淋溶，水质十分复杂且波动大，COD 远高于城市污水，最高可达 30 000 mg/L，可生化性差。此外，渗滤液还可能含有 Fe2+、Cd2+、Cr3+、Cu2+、Zn2+ 等多种金属离子。在发酵阶段，Fe2+ 的浓度甚至高达 2 000 mg/L、Ca2+ 高达 4000 mg/L。尽管 A/O 二段生化处理工艺已被广泛用于垃圾渗滤液中的有机物降解和脱氮处理，但出水效果并不稳定。为此，WANG 等利用 A/O-MBR+NF+RO 工艺处理垃圾渗滤液研究中发现，向 A/O 反应器中加入活性炭，不仅可改善系统对有机物和重金属的去除效果，同时还能减轻膜污染。

2.3 市政污废水高品质回用处理中的应用

市政污废水经过二级生化处理后，排水中有机物含量相对较低，通常 BOD5<30 mg/L、SS<30 mg/L，但残余的有机物可生化性较差，TDS 在 3 000 mg/L左右。RO 作为核心技术，已经被广泛用于各种污废水的深度处理或高品质回用水处理。为了充分发挥 RO 的技术优势，同时最大限度的减缓膜污染、降低水处理成本，针对具体水质已发展出了一系列组合工艺。

3 RO 膜分离技术在污废水处理中的研究现状

3.1 膜污染形成机理的揭示

膜污染的有效控制直接关系到 RO 膜的使用寿命及处理工艺稳定性，污染机理研究包括有机污染物的分析及产生过程揭示。

3.1.1 RO 进水中有机污染成份分析

污废水经生化处理和 MF 或 UF 膜截留后，产水中依然残留一定量溶解性的小分子有机物，其中微生物代谢产物和次生代谢产物约占出水TOC 的 83%，主要包括多糖类物质、蛋白质、油脂、核酸、腐殖酸、抗生素、细胞物质等。目前围绕SMP 污染 RO 膜的研究比较热烈，主要围绕 SMP浓度、分子量、亲疏水性、荷电性及模拟其对 RO 膜污染过程展开。

3.1.2 RO 膜污染的形成

对于污废水处理工艺中的 RO 系统，进水中不仅含有 SMP、残余的微生物、难降解酚、酮、醛、多环芳烃类等小分子有机物和一些氯取代烃类的消毒副产物，还有污废水本身携带的重金属离子及絮凝剂带入的 Fe3+、Al3+ 等高价金属离子，这些都将进一步加大 RO 膜污染的复杂性。

3.2 预测 RO 系统进水污染性的方法研究

RO 进水潜在污染性的有效预测，是污废水 RO深度处理系统稳定运行的技术保障。

3.2.1 SDI 值

SDI 值的测定方法为，将待测水样在死端过滤模式下，压力为 207 kPa 通过直径为 47 mm、孔径为0.45μm 的微孔滤膜，记录下初始过滤 500 mL 水样所需时间 T1，经过时间间隔 T（通常为 15 min）后，记录再次过滤 500 mL水样所需时间 T2，SDI=100×（1-T1/T2）/T。SDI 值因测定方法简单、重现性好，多年来一直是 RO 系统设计和运行管理中的主要参考指标。

3.2.2 SDI 替代參数的研究

针对 SDI 测试方法存在的缺陷，SCHIPPERS 等提出了一种修正污染指数（MFI）。MFI 的测试方法与 SDI 值相同，只是根据过滤水体积 V 所需时间 t作对应的 t/V 和 V 的关系曲线，该曲线的斜率即为MFI 值。虽然 MFI 值与颗粒污染物引起的 RO 膜污堵表现出较好的线性关系，可以很好的反应滤饼层过滤机制，但同 SDI 值一样，它也只能表征被 0.45μm 微孔滤膜截留物质的污染性。

3.3 RO 浓水处理

RO 处理工艺在得到约 70%优质再生水的同时，将进水中污染物质浓缩了近 3 倍，产生约 1/3 的RO 浓水。具有水量大、矿化度高、可生化性差，环境潜在危害性大等特点。由于 RO 浓水的处理、处置一直未得到足够的重视，在部分地区甚至成为阻碍RO 技术大规模应用的障碍之一。考虑到 RO 浓水中 SS 含量较低、含阻垢剂且余压较大，工程中除部分与 RO 进水混合以提高水回收率处理外，常将其作为快速过滤装置及 UF 的反冲洗水，或经过简单处理后混入原水再次进入处理系统。这势必会增大污废水的处理规模和处理难度。目前，针对 RO 浓水处理的研究多集中于针对有机物去除的高级氧化及针对资源回收的蒸馏浓缩、正渗透及电解法等。其中，膜蒸馏（MD）技术是将膜技术与蒸馏过程相结合，以疏水微孔膜为介质，利用膜两侧蒸气压差的作用，使料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离。与其他分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械性能要求不高等优点。

参考文献：

[1] 刘思琪，石林.超滤/反渗透组合工艺用于矿井水深度处理回用[J].环境科学与管理，2014，39（7）：123-125.