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城市污水再生处理反渗透系统RO浓水处理方式

浏览:308 时间:2021-05-17 13:29:00

污水再生利用是解决水资源短缺的重要战略和必要途径。但是城市污水成分复杂,除含有常规化学污染物外,还存在多种多样的微量有毒有害化学污染物和致色致臭物质。由于城市污水再生处理反渗透(municipal wastewater reclamation reverse osmosismWRRO)系统对污水中有机物、病原微生物、硝酸盐氮以及难降解有机物(如内分泌干扰物等)具有良好的去除效果,已逐渐在城市污水再生利用领域得到推广利用。但是,mWRRO系统在生产高质量再生水的同时,会有副产物——RO浓水产生。




RO浓水的水量通常占进水量的25%~50%,具体取决于RO系统的回收率(RO产品水与RO进水的比值)。随着世界范围内mWRRO工艺使用范围和数量的不断扩大,RO浓水水量也不断增加,RO浓水的直接排放除了水资源浪费外,还会严重影响日益严峻的水环境系统。由于海水淡化反渗透(seawater reverse osmosis,SWRO)和苦咸水脱盐反渗透(brackish water reverse osmosis,BWRO)历史较久,一些学者针对SWRO和BWRO系统的RO浓水环境风险已进行了较多的研究,发现若直接排放水体会对地表水、海洋等带来生态风险,有研究者在阿拉伯海湾盐度变化建模表明,沿海海水淡化装置的增加可能增加海湾的盐度,引起当地的氧含量和温度变化;RO 浓水若排放至城市污水二级处理系统,过高的总溶解性固体对活性污泥的生长也非常不利。不同于SWRO和BWRO系统,污水再生处理水源成分极其复杂,产生的RO浓水含有危害人类健康和生态环境的难生物降解有机物质以及高风险有毒物质。目前,多数国家对于RO浓水的排放政策要求越来越严格,RO 浓水的出路问题已成为再生水处理领域关注的热点和难点。


1、mWRRO系统的RO浓水


mWRRO系统一般以微滤(MF)或超滤(UF)为预处理设施,典型工艺流程如图1所示。主要包括预处理、RO装置、后处理、清洗系统、高压泵、计量控制设备等。在mWRRO工艺运行过程中,需要投加多种药剂,如混凝剂、杀菌剂、阻垢剂等,以改善进水水质,避免膜受到微生物、物理或化学损伤,保证膜过滤系统的正常运行及出水水质。


mWRRO系统RO浓水中的化学污染物不仅包含mWRRO工艺进水(二级处理出水)中的污染物和工艺运行过程投加的化学药剂,还包含二级出水与所添加的化学药剂发生可能的反应生成新的污染物,如卤代或者亚硝胺类消毒副产物。以城市污水处理厂二级出水为水源的mWRRO 系统RO 浓水的水质特征明显不同于SWROBWRORO浓水(见表1)。mWRRO系统RO浓水中的总含盐量(TDS)、电导率和阴阳离子浓度明显低于SWROBWRORO浓水。mWRRO系统RO浓水相比被关注的污染物指标更多,包括无机盐和阴阳离子,有机物、氮磷等营养物质,以及高风险有毒物质;SWROBWRO系统的RO浓水则主要关注无机盐和阴阳离子以及一些特殊元素(如海水中的溴离子和硼,苦咸水中的SiO2等)。


除了污染物常规水质指标外,mWRRO 系统RO浓水中存在高风险有毒物质,如药物及个人护理用品(PPCPs),内分泌干扰物(EDCs)和消毒副产物(DBPs)等。已有报道从RO 浓水中检出多种PPCPs,如卡马西平、碘美普尔、Beta受体阻剂(比索洛尔)和萘普生的浓度可分别高达34μg/L39μg/L39μg/L 922μg/LNghiem Schfer的研究表明当进水EDCs浓度为100ng/L时,RO系统的去除率达90%,但是在RO浓缩水中EDCs的浓度为370ng/L,还有部分的EDCs随系统的化学清洗液排出。此外,反渗透工艺进水端采用氯消毒会产生的卤代或者亚硝胺类消毒副产物也会进入RO浓水中。mWRRO系统RO浓水的这些特点也对其RO浓水的处理技术提出了更高的要求,不能简单的遵循SWROBWRO系统RO浓水的处理与处置方式。



1、污水再生处理RO浓水的处理方式


不同于SWROBWRO系统,mWRRO系统RO浓水中的化学污染物成分异常复杂,且污染物的浓度水平也明显不同。目前世界范围内对mWRRO系统RO浓水的处理率处于较低水平,其处理方式也成为当今研究的热点。本文根据大量调研,系统总结和分析了mWRRO系统RO浓水的处理方式。

mWRRO系统RO浓水可根据不同处置目标选择相应的处理方式,主要包括:中间处理方式(A):对于两段mWRRO系统,将Ⅰ段RO浓水进行中间处理,处理后再进入Ⅱ段反渗透,以提高RO系统的产水率,减少Ⅱ段RO 浓水水量。循环处理方式(B):RO浓水经过一定的处理后回流至城市污水处理厂生物处理。厂外排放处理方式(C):RO浓水经过一定的处理后就近排入其他污水处理厂二级处理前端(C1),或达到排入城市下水管道要求后,排入城市排水管道系统(C2)。直接排放处理方式(D):RO浓水经过处理后,可厂区内再回用,或者外排至河道及其他自然水体。


2.1 中间处理


中间处理以降低Ⅰ段RO浓水中的过饱和难溶盐、溶解性有机物(Dissolved Organic MatterDOM)及其高分子生物聚合物等致膜污染物质的浓度为处理目标,继而降低Ⅱ段膜污染和结垢趋势的处理方式。其结果可提高RO系统的产水率,降低RO浓水水量,从而减少后续RO 浓水处理处置所产生的费用。

有关SWROBWRO系统中间处理方式的报道较多。SWROBWRO系统的回收率(RO产品水与RO进水的比值)主要受到微溶盐(如CaCO3CaSO4BaSO4SrSO4SiO2等)结垢甚至阻垢剂的影响,如美国加利福尼亚州圣华金谷(2 00030 000mg/L TDS)用于农业灌溉的BWRO 系统,由于矿物质结垢使其回收率只能达到50%~75%;一般情况下,BWRO系统的回收率很难超过85%,RO浓水尤其在内陆地区的处理和处置是RO系统应用的重要瓶颈。Subramani等研究了受污染地下水的RO处理系统(其产品水用于补充饮用水源)的中间处理方法,由于该受污染地下水中高浓度Ca2+SiO2的影响,导致RO系统的回收率最高仅为60%。采用化学软化/电絮凝-滤料过滤处理Ⅰ段RO浓水,发现化学软化和电絮凝对Ⅰ段RO浓水中的Ca2+SiO2的去除率均达到90%以上,但是电絮凝可有效去除浓水中的金属如汞和硒。通过中间处理,该两段RO系统的回收率可达到90%。


传统的中间处理脱盐一般采用软化沉淀法降低硬度,但是,反渗透浓缩液中阻垢剂的存在,对无机过饱和浓缩液起着稳定作用,增大了降低浓水中过饱和难溶盐的处理难度。因此,在降低浓缩液中的成垢离子浓度和结垢趋势时,首先要考虑减小阻垢剂的影响,从而提高中间处理效率。


Lauren等采用阻垢剂降解-盐沉淀-固液分离三步进行BWRO系统RO浓水的中间处理,发现采用高级氧化法(臭氧+H2O2)有助于提高后续钙盐的沉淀,去除阻垢剂(该研究采用膦酸盐)对沉淀物的粒度分布和颗粒形态的影响,而且还可改善微滤性能。前端的臭氧催化氧化可以将RO系统的回收率从90%提高到94%。McCool等采用化学强化晶体沉淀法(chemicallyenhanced seeded precipitationCESP)降低苦咸水RO 系统产生浓水中的过饱和盐CaCO3CaSO4,即首先通过应用少量石灰或碱性药剂诱导CaCO3沉淀去除浓水中的阻垢剂聚丙烯酸,然后在反渗透浓缩液中投加充足的晶种(方解石和石膏等),让溶液中过饱和的CaCO3CaSO4等在晶种上生长,从而降低溶液中成垢离子的浓度。


以城市污水处理厂二级出水为水源的mWRRO系统RO浓水的水质特征明显不同于SWROBWRO系统,因此其中间处理的处理目标除了考虑过饱和难溶盐和阻垢剂外,还需要着重于溶解性有机物、微生物代谢产物及其高分子生物聚合物等致膜污染物质。这也对mWRRO 系统RO 浓水的中间处理方法提出了更多的要求。目前,针对mWWRO系统,Sanciolo等采用中试研究了钙盐晶体沉淀-陶瓷超滤膜过滤法对过饱和盐的去除,以提高RO系统的产水率;对于Ⅰ段RO浓水中溶解性有机物、微生物代谢产物及其高分子生物聚合物的相关处理方法研究还未见报道。尽管二级出水中DOM成分(溶解性微生物产物和类腐殖质物质等)及其酸碱/极性组分对MF/UF膜渗透性影响的研究较多,但是对RO膜的影响特征及其产生膜污染的优先成分和组分目前还少见报道。


22 循环处理


循环处理主要针对有二级污水处理设施的mWRRO再生水厂,RO浓水经过一定的预处理后回流至污水处理厂生物处理单元,该方法既可实现RO浓水的最小量排放,甚至零排放,又可节约由于处理RO浓水所产生的投资和运行费用。


mWRRO系统RO浓水循环处理方法的选择需要考虑RO浓水中的无机盐离子浓度、营养盐平衡、难降解有机物以及阻垢剂等对生物处理系统中的影响,以及无机盐、难降解有机物和阻垢剂在系统中的累积作用及其对膜寿命的影响。


Zhang等针对城市污水经过生物—UF—RO处理后回灌地下水的工艺系统,研究了采用电渗析—臭氧氧化—回流至生物处理的RO浓水循环处理技术,电渗析用来去除浓水中的过饱和盐,臭氧氧化提高浓水的可生化性,该系统获得95%的产水率。Joss等将90%的RO浓水臭氧氧化后循环回流于生物处理,发现臭氧氧化还可明显降低RO浓水中的微生物污染物,该系统获得90%以上的产水率;而且臭氧氧化可明显降低浓水中的部分PPCPs的浓度,而且有臭氧氧化(085gO3/gDOC)循环回流的RO系统产品水(相比臭氧氧化循环系统)中部分PPCPs也明显降低或不检出(如卡巴西平、普荼洛尔和双氯芬酸)。


23 厂外排放处理


厂外排放处理主要适用小型mWRRO再生水厂附近有其他城市污水处理厂或城市排水管道系统可以收集的情况。目前,在我国mWRRO再生水厂RO浓水大多未经过处理直接排入附近其他城市污水处理厂或城市排水管道系统,有关RO浓水对污水处理厂二级生物处理的影响,RO浓水对城市排水管道及其内部生物膜结构的影响目前还不清晰,相关的报道还很少。


RO浓水的厂外排放处理就是将RO浓水经过一定的处理,使其主要污染指标达到排入城市污水处理厂或城市排水管道系统的限值。其水质控制指标可参考我国城镇建设行业标准《污水排入城镇下水道水质标准》(CJ 343—2010)或者地方相关标准,如上海市《污水排入城镇下水道水质标准》(DB 31/445—2009)。


根据已有文献所报道的mWRRO 系统RO 浓水的水质指标,结合上述标准相关指标的排放限值,本文建议对于厂外排放处理以氮(如TNNH3-NNO3-)、磷(TPPO43-)和无机盐(如TDS、氯化物、硫酸盐和Na+)为主要控制目标(如表2所示)。由于不同文献所述mWRRO进水水质的不同和RO系统操作参数和回收率等的不同,导致了同一指标在RO浓水中的浓度差异较大。表2只列了一些在RO浓水中浓度超出污水排入城镇下水道水质标准限值的指标,以便明确厂外排放处理方式的重点控制目标。另外,TDSNa+在上述两个标准中没有提及,但是考虑到盐度、密度较高的浓缩水排入管道会在底部积累分层,而且Na+浓度太高会引起植物毒性,如175mg/LCl-115mg/LNa+是滴灌中一些敏感植物的安全值,因此建议这两个指标也作为厂外排放处理的控制目标。

若出水就近排入其他城市污水处理厂二级处理单元,RO浓水的厂外排放处理方法的选择,除了考虑排放限值外,需要结合污水处理厂的稀释容量,考虑生化单元微生物对有机物、氮、磷和无机营养盐的浓度要求,以及盐度对污泥处置的影响。


24 直接排放处理


直接排放处理是针对就近排入地表水、补充河道或者再生水厂内回用的情况,将RO浓水进行达标处理。目前,对于RO浓水的排放尚无相关标准可循,可参考的水质标准有《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)、《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)、《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》(GB/T 18920—2002),以及相关的地方标准。


不同于城市生活污水,mWRRO系统RO浓水的BOD5/COD 值极低、具有较高的TDSNO3-PO43-和碱度(见表1),使得RO浓水的处理不同且难于城市生活污水。目前,研究报道的处理方法主要有吸附法、电渗析、絮凝法、高级氧化以及组合技术等,基本都处于实验室小试研究阶段,处理目标主要针对RO浓水中的CODDOC开展,也有一些文献报道了对RO浓水中氮、磷、重金属和微量有机物等的研究。


3、结语


城市污水再生处理反渗透(mWRRO)系统RO浓水中除了常规化学污染物外,还含有危害人类健康和生态环境的难生物降解有机物和高风险有毒物质。本文针对mWRRO系统RO浓水的水质特征,在大量调研的基础上,系统总结和分析了mWRRO系统RO浓水的中间处理、循环处理、厂外排放处理和直接排放处理四种处理方式,及其适用条件、处理目标、控制方法和目前已报道的处理技术。在实际操作中可根据不同处理方式的适用性和RO浓水的处置目标进行选择。


由于中间处理方式既可降低Ⅱ段的膜污染和结垢趋势,又可提高mWRRO 产水率,同时降低RO浓水水量;循环处理方式既可实现RO浓水的零排放(或最小量排放),又可节约由于处理浓水所产生的投资和运行费用。因此,在条件允许的情况下,本文建议mWRRO系统采用中间处理和循环处理相结合的RO浓水综合处理模式,以期实现mWRRO系统产水量最大化,浓水处理费用最小化。


对于每种处理方式所涉及的具体处理技术也已经有相关的文献报道,但是目前的大部分处理技术仍停留于实验室小试研究阶段,如何实现mWRRO系统RO浓水的安全有效处理,提高mWRRO系统的产水率,减少由RO浓水所产生的管理费用,降低由于RO浓水引起的水环境风险,相关的研究还有待系统开展。



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