反滲透技術在污廢水深度處理中的應用
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(yōu)勢為獲得高品質的再生水提供了重要的技術保障。、
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1.5～10.5MPa，可截留1～10A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。
然而，在實際應用中過高的運行成本制約了RO膜分離技術的廣泛推廣。一方面是由于RO系統(tǒng)操作壓力高、能耗大，更重要的是伴隨整個運行過程的膜污染不僅導致操作壓力進一步加大、脫鹽率下降，甚至需要頻繁更換價格昂貴的RO膜元件。RO系統(tǒng)在高壓下運行時，進水中的懸浮物（SS）易堆積在RO膜表面形成濾餅層，溶解性有機物則可能吸附于膜面形成凝膠層，微生物或者其它膠體類物質等會依附于膜面，因水分子不斷透過導致濃水中的無機離子濃度過高則將在膜表面沉淀析出，從而產生一系列有機污染、微生物污染和無機污染。以水回收率50%～75%為例，其RO濃水中鹽離子含量約為進水的2～4倍，膜表面產生的凝膠層或濾餅層還會大大降低Ca2+、Mg2+等難溶無機離子的溶度積。可見，對于污廢水深度處理而言，RO系統(tǒng)將面臨多種污染的交互作用，運行和管理難度進一步加大。
為了充分發(fā)揮RO可以脫出原水中絕大部分一價鹽離子和小分子有機物的技術優(yōu)勢，進水必須經過嚴格的預處理。在工程中，一般控制RO進水的濁度＜1NTU、污泥污染指數（SDI）＜5。SDI是用來衡量水中膠體、淤泥、鐵錳氧化物和腐殖質等含量。通常認為SDI＜3為極微量污染，SDI＞5為中等污染。此外，在運行中還要通過調節(jié)進水pH或投加阻垢劑等方法以防止膜表面產生結垢污染。
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1000mg/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(qū)，利用RO技術深度處理作為生產和生活用水已被廣泛推廣。
陳威等通過向礦井水中加藥絮凝、沉淀和快速過濾作為預處理，去除水中絕大多數的SS，確保了RO進水濁度＜1NTU。出水進一步經過RO處理，水中濁度去除率接近100%，脫鹽率達到96%，產水達到了飲用水水質標準，處理成本約5.17元/m3。
考慮到高礦化度礦井水中鐵、錳含量較高，且高濃度的Ca2+、SO42-離子可能在RO膜表面形成難以清除的CaSO4垢污染，王旭輝等通過曝氣，將水中的Fe2+氧化成Fe3+；通過向曝氣池中添加石灰乳調節(jié)水體pH，使Ca2+和Fe3+生成CaCO3和Fe(OH)3沉淀，再利用加入的PAM助凝劑和PAC絮凝劑使CaCO3和Fe(OH)3形成較大的絮體，于澄清池中去除；再通過錳砂濾池進一步將出水中的Mn2+降低到0.04mg/L。超濾（UF）對大分子有機物、病原體及懸浮物具有較強的截留作用，通常處理出水的SS
崔玉川等對高礦化度礦進水經RO技術處理用于生活飲用水的工程案例進行整理：當原水中SS＜50mg/L，可采用微絮凝直接過濾作為RO的預處理；當SS＞50mg/L，采用絮凝、沉淀、過濾作為RO的預處理；當Fe＞0.3mg/L，需考慮采用錳砂濾池進行除鐵、過濾；當有機物含量較高時，需采用氯氧化、混凝、沉淀、過濾、活性炭吸附技術做預處理；當碳酸鹽硬度較高時，為防止在RO膜表面產生CaCO3沉淀污染，預處理工藝中需增加離子交換和脫CO2技術。對于其它難溶鹽，可在RO進水前添加阻垢劑處理；當硅酸鹽含量較高時，可在絮凝階段投加石灰乳或MgO。
2.1.2 冶金行業(yè)廢水處理
鋼鐵工業(yè)作為高耗水、高污染的資源型產業(yè)，其耗水量已占全國工業(yè)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(yè)大力推行。鋼鐵工業(yè)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。
方忠海針對經過二級生化處理后的太鋼廢水，首先利用曝氣池曝氣氧化，使Fe2+氧化為Fe3+，同時投加NaClO提高對水體中Fe2+的氧化能力及殺菌效果；出水加石灰乳調節(jié)pH、加PAM和PAC進行絮凝，再經沉淀、快速過濾及活性炭吸附，進一步去除水中的有機物、余氯、重金屬離子等。出水經UF處理后，加還原劑、阻垢劑及酸后進入RO系統(tǒng)。其中，添加NaSO3還原劑的目的是防止水中余氯氧化芳香聚酰胺材質的RO膜。最終，一級RO主要去除水中大部分的溶解鹽類、膠體、有機物等，產水一部分用作鋼廠工藝用水，另一部分加堿后經二級反滲透、離子交換系統(tǒng)處理，用于高壓鍋爐補給水。
陳小青等在預處理澄清池中聯合投加了粉末活性炭和石灰乳，以降低冶金工業(yè)廢水中60%～70%有機物和油類及部分Ca2+、Ba2+等高價離子，水中的SS和膠體物質去除近90%。可有效預防水中高濃度的SO42-、F（最高含量分別為-402mg/L和3.96mg/L）在RO膜表面形成CaSO4、BaSO4和CaF2沉淀污染。值得注意的是，活性炭雖然對有機物和SS吸附效果較好，但屬于非選擇性吸附，在富含SS的污廢水前期預處理中使用，其高用量以及高價格勢必增大水處理成本。因此，一般只限用于工程應急使用。
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4000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。
齊魯青等采用O3-曝氣生物濾池做預處理，與UF+RO雙膜系統(tǒng)組合深度處理印染紡織廢水。在處理過程中，首先利用O3初步降解廢水中的難降解有機物以提高其可生化性，再利用生物濾池進行生物降解和過濾，使水中的COD降低到27.4mg/L、SS<5mg/L；出水通過多介質過濾器過濾，其中裝填石英砂和錳砂組合濾料，可進一步吸附濾除水中的SS、膠體細菌、病毒等雜質；再經UF處理使RO進水穩(wěn)定在濁度＜0.4NTU、SDI在0.4～1.5之間。為了避免在膜表面產生微生物污染，系統(tǒng)在UF進水前加入NaClO消毒劑。UF出水高壓泵入保安過濾器，出水加阻垢劑和NaSO3還原劑進入RO。經過該工藝處理，最終產水pH為7.4～7.9、電導率50～200μS/cm、總硬度為2～10mg/L、總堿度25～60mg/L，達到了生產回用水水質標準。
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30g/L、硫化物接近50mg/L，COD約為1g/L，各種鹽的質量濃度接近12g/L，還含有揮發(fā)酚等有毒有害物。
污廢水中的各種形態(tài)油一般采用重力隔油池回收和氣浮脫出處理，可使出水中油質量濃度降至30mg/L以下。王曉陽首先利用隔油池去除石化污水中的大部分可浮油；再調節(jié)污水pH8～8.5，投加催化劑、曝氣氧化水中硫化物，使出水中硫化物濃度控制在5mg/L以下；氣浮去除污水中的懸浮物和乳化態(tài)油；然后在先缺氧后好氧環(huán)境下，利用微生物將水中的有機物和氨氮降解為CO2、水和N（即2A/O兩段生物處理工藝）；再經快速過濾、UF和活性炭吸附進一步脫出水中的SS和有機物后，進入RO系統(tǒng)。最終處理產水中的鹽濃度降至500mg/L，作為生產補充水使用。
膜生物反應器（MBR）工藝是是將膜過濾工藝與傳統(tǒng)活性污泥法進行有機結合，在活性污泥池中直接加入簾式微濾（MF）或UF膜組件代替二沉池進行泥水分離，在有效截留廢水中SS的同時，可高效降解有機物，獲得穩(wěn)定的產水水質。具有污泥齡、污泥濃度等技術條件調控空間大，出水水質標準高、設備占地面積小、易實現集成化等優(yōu)點。利用MBR代替生化處理、多介質過濾和UF作為RO的預處理，可大大縮短RO水處理工藝流程。
山東某大型紡織染整企業(yè)首先利用水解酸化池將印染廢水中的大分子有機物厭氧酸化分解成可生化性高的小分子有機物，再依靠重力自流進入MBR生化池，經過充分吸附、氧化和降解、濾過作用，將廢水中COD降至110mg/L以內、SS幾乎不能有效檢出，基本滿足RO進水水質要求。工程設計處理規(guī)模為10000m3/d，回用水的處理費用預計為3.92元/m3。
由此可見，相較于UF+RO雙膜法，MBR+RO雙膜法因工藝流程縮短，不僅生產管理簡化，而且水處理成本相對較低，更適用于難降解有機污廢水的深度處理。
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30000mg/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(fā)酵階段，Fe2+的濃度甚至高達2000mg/L、Ca2+高達4000mg/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(wěn)定。為此，姜彥超等在利用機械過濾的基礎上，采用UF膜與A/O結合構成MBR工藝，強化其對垃圾滲濾液中有機物的去除率。出水經UF膜水泥分離后進入納濾（NF）系統(tǒng)。利用NF能有效分離MBR產水中分子量為200～2000的有機物和部分高價金屬離子的特性，組成了MBR+NF+RO三膜聯合處理工藝。結果表明，該工藝運行效果良好，出水水質達到生活垃圾填埋場污染控制標準。在運行中，當NF出水滿足排放要求時產水可直接排放，否則利用后續(xù)的RO系統(tǒng)繼續(xù)處理。
WANG等利用A/O-MBR+NF+RO工藝處理垃圾滲濾液研究中發(fā)現，向A/O反應器中加入活性炭，不僅可改善系統(tǒng)對有機物和重金屬的去除效果，同時還能減輕膜污染。
對于高污染、難降解的垃圾滲濾液，經過生化處理及MBR降解和過濾后，出水中仍殘留一定量游離的小分子有機物及污染性較強的微生物代謝產物，在RO前引入NF無疑可緩解這部分有機物可能與高濃度金屬離子在RO膜表面形成復雜的無機有機復合污染，從而保證RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
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<30mg/L、SS<30mg/L，但殘余的有機物可生化性較差，TDS在3000mg/L左右。近年來，為了緩解水資源短缺所帶來的壓力，將經過二級生化處理的市政污廢水作為RO處理系統(tǒng)原水，制備高品質的再生水已在國內外推行。美國佛吉尼亞州的UOSA污水廠采用“UF+RO+紫外消毒”工藝組合，生產再生水回注地下以補充地下水。新加坡采用“MF+RO+紫外消毒”工藝制備“新水”補充飲用水源水。目前世界上最大的再生水廠，科威特Sulaibiya水廠以城市污水處理廠二級處理出水為水源，采用UF+RO雙膜法工藝處理達到工業(yè)回用和農田灌溉標準。
我國在北京、天津、河北、山東等地也陸續(xù)組建了大規(guī)模的再生水廠。天津市濱海新區(qū)的幾家再生水廠均采用“UF（MF）+RO”雙膜法工藝，以二級生化處理后的市政廢水為原水生產高品質再生水，一部分作為熱電廠鍋爐用水，另一部分作為景觀河道及生活雜用水等。北京小清河污水廠利用MBR+RO系統(tǒng)處理回用城市污水，處理后水中的TOC＜1.3mg/L、NH3-N＜0.03mg/L、TN＜0.1mg/L、TP未檢出，電導率和濁度分別小于30μS/cm和0.12NTU，出水水質達到了飲用水水質標準。
總之，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(fā)揮RO的技術優(yōu)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(fā)展出了一系列組合工藝。通常，可由加藥混凝、沉淀和高效過濾等傳統(tǒng)水處理方法去除水中的高濃度SS；利用NaClO、曝氣氧化結合添加石灰乳及錳砂濾池降低RO進水中的鐵鹽、錳鹽及鈣鹽和硅鹽；通過O3氧化、A/O生化處理降解水中的難降解有機物；通過MBR、UF及NF加強對微細SS、小分子有機物及高價離子的截留，組成UF+RO或MBR+RO雙膜法、甚至MBR+NF+RO三膜法，以確保處理難降解有機污廢水的RO系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
