MBR+RO组合工艺深度处理化工废水
化工废水一般具有可生化性差、含盐量高的特点。如果直接进入生化系统，会给生化处理带来很大难度，很难达到排放标准。
膜生物反应器具有泥龄长、运行稳定、水力剪切力大、F/M值(食物与污泥质量之比)小的特点，其微生物群落结构与传统活性污泥有较大差异。MBR凭借其优良的微生物细胞截留能力，可以有效去除多种难降解有机物。反渗透膜(RO膜)常用作废水处理中脱盐的主要单元。RO膜可以去除水中几乎所有的溶解物质和微生物，产生高质量的循环水。研究表明，水中的Ca2+、Mg2+等无机物和含硅有机物容易在RO膜表面形成沉淀。集成膜工艺可以使系统中不同的水处理方法在各自适宜的工作条件下发挥更大的效率，产生比单一处理单元更好的效果。
目前，国内关于MBR+RO膜集成工艺深度处理废水的报道较少。本研究以某工业园区经混凝沉淀+A2/O处理后的化工废水为研究对象，采用MBR+RO一体化膜工艺进行深度处理，实现资源化利用。分析了MBR+RO系统的处理性能，考察了MBR膜和RO膜的污染情况，研究了系统能耗，为MBR+RO组合工艺对化工废水的深度处理和回用提供了技术支持。
1.实验过程
1.1工艺流程
MBR+RO组合工艺流程如图1所示。经过混凝沉淀+A2/O常规处理后，废水进入MBR+RO组合工艺进行深度处理，MBR出水作为RO进水。MBR系统主要包括膜池和MBR膜组件。反渗透系统主要包括增压泵、保安过滤器、高压泵和反渗透膜组件。通过RO膜组件的浓缩液直接排放。
1.2水质
化工园区以化工企业为主，各化工企业排入园区污水管道的废水必须严格执行国家颁布的《污水排入城市下水道水质标准》(GB/T31962—2015)和《污水综合排放标准》(GB8978—1996)。凡不符合污水排放要求的企业，必须对厂内废水进行预处理，达标后才排入园区污水管网。园区化工废水呈碱性，色度、含盐量、NH+4-N和COD浓度、BOD/COD较高
1.3膜组件的性能参数和操作条件
中试中使用的MBR膜组件和RO膜组件的性能参数和操作条件见表2和表3。
采用的MBR面积为40m2，在10 ~ 15l/(m2·h)膜通量条件下运行，MBR膜组件产水量为400 ~ 600 L/h，MBR膜池出水作为RO膜进水，运行压力小于1.5MPa，设定回收率不低于70%，则RO膜产水量为280 ~ 420 L/h，浓水排放量为10%。
1.4检测方法
MBR出水的污泥密度指数(SDI)也称为污染指数，用于评价其作为RO进水的可行性。根据公式(1)，计算SDI:
式中:t0为采集500mL水样所需的初始时间，s；TT是时间t，s后采集500mL水样所需的时间；t为过滤时间，min。
计算RO膜的渗透系数(β)来评价RO膜的渗透性，反映膜污染的变化特征。根据公式(2)计算β:
式中:β为渗透系数(25℃)，l/(min·MPa)；q为RO膜的渗透流速，L/min；ν是水在25℃时的粘度修正系数；为RO膜入口端和浓水端的平均压力，MPa。
COD、SS、NH+4-N、TP、色度、含盐量、硬度均采用国标法测定，pH值采用pH计(上海PHS-3C)测定。
2.结果和讨论
2.1污染物去除效果及分析
2.1.1 COD去除效果及分析
图2显示不同工序的污水中化学需氧量的变化。原水中COD的平均质量浓度为(450±100)mg/L，可生化性差。混凝沉淀预处理可以有效降低下游生化处理的有机负荷。A2/O生化处理工艺运行稳定。厌氧池的水解酸化能有效提高废水的可生化性。经过好氧池后，有机物进一步降低，出水COD平均浓度为(90±18)mg/L，达不到再生水作为工业水源的水质标准。MBR膜过滤后，不溶性有机物和活性污泥被截留在生化池中，进一步降低了出水COD浓度，达到了中水回用标准。经过进一步的RO膜过滤，产出水中COD的质量浓度可降至5 mg/L左右，这说明难生物降解的化工废水经过常规处理后很难达到回用标准。经MBR+RO组合系统深度处理后，可有效去除COD，达到工业水源标准。
2.1.2 SS去除效果及分析
不同工艺的出水水质SS变化如图3所示。原水中ss的平均质量浓度为(45±6)mg/L，经过常规处理阶段后，出水SS的平均质量浓度为(25±3)mg/L，符合再生水作为工业水源的水质标准。在常规处理工艺中，混凝对ss的去除效果较好，但经过A2/O工艺后，SS略有升高，这是由于生物处理出水含有少量污泥所致。MBR膜过滤后，活性污泥被截留在生化池中，进一步降低了出水ss的质量浓度。反渗透膜过滤后，产出水中ss的质量浓度可降至1mg/L以下。经过MBR膜和RO膜过滤后，出水清澈透明，膜出水浊度
2.1.3氨氮去除效果及分析
不同工艺的出水水质中氨氮的变化如图4所示。原水中氨氮质量浓度较低，平均值为(9±3)mg/L，已达到再生水作为工业水源的水质标准。常规处理阶段后，出水氨氮质量浓度小于5mg/L；经过MBR膜过滤和氨氮等污染物的降解，出水氨氮质量浓度进一步降低。反渗透膜过滤后，产水中氨氮的质量浓度可降至2 mg/l以下，原水中氨氮的质量浓度较低。经过MBR+RO组合系统深度处理后，氨氮可以进一步有效去除，说明MBR+RO组合工艺可以有效降低氨氮浓度。
2.1.4总磷去除效果及分析
不同工艺的出水水质TP变化见图5。原水中TP的平均质量浓度为(2.5±0.5)mg/L，经过常规处理阶段后，由于A2/O工艺较强的除磷效果，出水TP的质量浓度降至(1.5±0.3)mg/L，但不符合工业水源水质标准。经过MBR膜过滤和微生物分解后，出水TP的质量浓度保持在1.5mg/L，该工艺对低浓度TP的去除影响不大。反渗透膜过滤后，产水TP浓度可降至0.8mg/L左右，符合工业水源水质标准。MBR+RO组合系统深度处理，尤其是RO膜反渗透过滤，可以进一步有效去除TP。
2.1.5色度去除效果及分析
图6显示了不同工艺的出水水质色度的变化。原水平均色度为(175±25)倍，经常规处理后，出水色度降至35倍左右。经过MBR膜过滤和微生物分解后，出水色度进一步降低到25倍左右，去除效果不明显。这是因为废水中的色度主要是由可溶性污染物引起的。反渗透膜过滤后，出水色度可降至8倍左右，出水清澈透明，出水浊度< 0.2NTU，符合工业水源水质标准。经过MBR+RO组合系统的深度处理，特别是RO膜的反渗透过滤，可以进一步有效去除色度。
2 . 1 . 6 TDS的去除效果及分析
不同工艺流出物的TDS变化如图7所示。原水平均TDS为(2700±500)mg/L/L，经过常规处理阶段后，TDS的去除效果有限，出水TDS仍高达(2400±450)mg/L/L；MBR膜过滤后，出水ρ(TDS)≥2000mg/L；而RO膜对TDS有很好的截留效果，去除了大部分TDS，RO出水TDS降至50 mg/L以下，RO膜的反渗透过滤过程是脱盐的主要环节，说明RO膜具有很强的脱盐能力。
2.1.7系统整体去除性能评估
原水经常规处理后，COD、TP、盐含量达不到再生水用作工业用水的水质标准。MBR可以进一步截留分解部分污染物，RO膜对所有污染物都有很强的截留能力，出水离子浓度相当低。从检测指标可以看出，RO系统的出水水质完全可以达到城市污水再生利用工业用水的水质标准。
2.2 MBR膜和RO膜污染及分析
2.2.1 MBR膜系统
从产水运行开始，连续运行60天后，MBR膜的跨膜压差(TMP)和通量变化如图8所示。结果表明，运行初期，MBR膜通量为7.5l/(m2·h)，TMP从开始的4kPa逐渐升高，并稳定在7kPa左右。当膜通量瞬间增加到15.0 L/(m2·h)时，TMP也迅速增加到16kPa，稳定4天后进一步增加，最终稳定在18kPa左右，直至运行结束。
在膜通量稳定的情况下，跨膜压差基本稳定，处于低压状态，说明在此运行期间没有严重的膜污染。
反渗透膜
污泥密度指数(SDI)通常用于表征RO过滤水中的颗粒物和胶体含量。RO和NF一般要求原水的SDI小于5。中试期间，MBR出水的平均SDI小于4，完全可以满足RO原水的要求，说明MBR工艺用于RO膜预处理是完全可行的。
反渗透膜的渗透率可以用标准化渗透系数来表示。渗透系数反映了反渗透膜的渗透特性，反映了膜污染的特征变化。运行过程中，RO膜产水量稳定在280 ~ 420 L/h，水压稳定在1.0MPa，渗透系数保持在4l/(min·MPa)，说明运行过程中RO膜无污染，系统运行稳定。
2.3系统能耗分析
中试装置采用“混凝沉淀+A2/O+MBR+RO”组合工艺。设备已经运行了60天，主要的运行成本是电耗。中试处理设备单位水量电耗为1.890 kw·h，吨水药费为0.005元。
目前MBR处理每吨生活污水的能耗为0.450 ~ 0.910 kw·h·h，比常规工艺处理同类污水(0.240 ~ 0.370 kw·h)高1 ~ 2倍。北京清河再生水厂采用A2/O+MBR工艺，系统研究污水处理厂的能耗。吨水平均能耗为(0.920±0.130)kW·h·h，本次中试研究在深度处理中加入RO反渗透膜，出水达到回用标准。虽然难处理的化工废水会相应增加运行成本，使得全流程吨水消耗达到1.890 kw·h，但高性能再生水替代淡水(工业园区工业水费7.87元/t)，降低了企业运行成本，更有利于节约区域水资源。此外，本次中试研究的生化系统和膜池污泥质量浓度为3500 ~ 5000 mg/L，试验期间无污泥排放，低于传统活性污泥法的污泥产量，实现了污泥减量化，降低了污泥处置成本。影响膜生物反应器能耗的主要因素是膜污染。由于进行了一系列预处理，本中试装置不存在严重的膜污染，本研究的能耗也相应降低。
3.结论
1)化工废水经混凝沉淀+A2/O工艺常规处理后，进入MBR+RO组合工艺进行深度处理，可有效去除废水中的污染物，出水水质可达到城市污水回用工业用水标准。
2)MBR工艺对RO膜进行预处理是完全可行的。运行中未发生严重的膜污染，MBR膜和RO膜污染得到有效控制。
3)MBR+RO组合工艺用于化工废水回用是完全可行的。高效再生水能有效降低企业运营成本，节约水资源。
4)本研究还存在一些不足之处:由于化工园区废水处理难度大，需要严格控制工厂的运行参数，才能达到较好的运行效果。下一步，我们可以在保证组合系统稳定运行和满足出水标准的前提下，探索更多节能高效的运行参数，优化清洗膜污染的有效方法。(来源:河北和腾城乡规划设计有限公司、河北省城乡规划设计研究院、河北建筑工程学院能源与环境工程学院)
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