化工廢水一般具有可生化性差、高鹽等特點，若直接進入生化系統，會給生化處理帶來很大難度，難以實現達標排放。
膜生物反應器(membrane bioreactor，MBR)具有污泥齡長、運行穩定、水力剪切力大、F/M值(供給污泥的食料與污泥質量比)較小等特點，其微生物群落結構與傳統活性污泥有很大不同。MBR可憑借其優良的微生物菌體截留能力，實現多種難降解有機物的有效去除。反滲透膜(RO膜)在廢水處理中常用作脫鹽處理的主要單元，RO膜幾乎能去除水中全部溶解性物質和微生物，產生優質回用水。研究表明，水中的Ca2+，Mg2+等無機物和硅類有機物容易在RO膜表面形成沉積物。膜集成工藝可以使系統中不同的水處理方法在各自最適合的工況下發揮最大的效率，產生遠勝于單個處理單元的最佳效果。
目前，國內關于采用MBR+RO膜集成工藝深度處理廢水再生利用的報道較少。本研究以經過混凝沉淀+A2/O處理后的某工業園區化工廢水為研究對象，采用MBR+RO集成膜工藝進行深度處理，實現再生利用，分析了MBR+RO系統的處理性能，考察了MBR膜和RO膜的污染情況，研究了系統能耗，為MBR+RO組合工藝深度處理及再生利用化工廢水提供技術支持。
1、實驗過程
1.1 工藝流程
MBR+RO組合工藝流程如圖1所示。廢水經過混凝沉淀+A2/O常規處理后進入MBR+RO組合工藝進行深度處理，MBR出水作為RO的進水。MBR系統主要包括膜池和MBR膜組件，RO系統主要包括增壓泵、保安過濾器、高壓泵以及RO膜組件，經過RO膜組件后的濃縮液被直接排放。
1.2 用水水質
化工園區以化工企業為主，對各個化工企業排入園區污水管道的廢水要嚴格執行國家頒布的《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T31962—2015)和《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)，凡不符合排污要求的企業必須在廠內對廢水進行預處理，達到要求后方可排入園區污水管網。化工園區廢水呈堿性，色度、含鹽量、NH+4-N和COD濃度均較高，BOD/COD<0.1，屬于難生化降解性水質，廢水水質如表1所示，廢水經過常規處理后可作為組合工藝MBR+RO的進水。
1.3 膜組件性能參數及運行條件
中試研究采用的MBR膜組件和RO膜組件的性能參數及運行條件如表2和表3所示。
采用的MBR膜面積為40m2，在10～15L/(m2·h)膜通量條件下運行，MBR膜組件產水量為400～600L/h，將MBR膜池出水作為RO膜進水，操作壓力不超過1.5MPa，設定回收率不低于70%，則RO膜產水量為280～420L/h，濃水排放量為120～180L/h。
1.4 檢測方法
MBR出水污泥密度指數(SDI)，亦稱污染指數，以評價其作為RO進水的可行性。根據式(1)計算SDI：
式中：t0為初始時收集500mL水樣所需要的時間，s;tT為經過T時刻后收集500mL水樣所需的時間，s;T為過濾時間，min。
計算RO膜的滲透系數(β)，用以評價RO膜的滲透性，反映膜污染的變化特征。根據式(2)計算β：
式中：β為滲透系數(25℃)，L/(min·MPa);Q為RO膜滲透流速，L/min;ν為25℃時水的黏度校正系數;P為RO膜進水端和濃水端的平均壓力，MPa。
COD，SS，NH+4-N，TP及色度、含鹽量、硬度均采用國標方法測定，pH值采用pH計(上海PHS-3C)進行測定。
2、結果與討論
2.1 污染物去除效果及分析
2.1.1 COD去除效果及分析
不同工藝出水COD變化情況如圖2所示。原水COD質量濃度平均值為(450±100)mg/L，可生化性差。采用混凝沉淀預處理，可有效減少下游生化處理的有機負荷。A2/O生化處理工藝運行穩定，厭氧池的水解酸化作用可有效提高廢水的可生化性，經過好氧池，有機物進一步降低，出水COD濃度平均值為(90±18)mg/L，達不到再生水用作工業用水水源的水質標準。經過MBR膜過濾，將非溶性有機物和活性污泥截留在生化池中，進一步降低了出水COD的濃度，達到再生水回用標準。進一步經過RO膜過濾，產水COD的質量濃度可降到5mg/L左右。這說明對于難生化降解的化工廢水，經過常規處理很難達到回用標準;經過MBR+RO組合系統進行深度處理，能夠有效去除COD，達到工業用水水源標準。
2.1.2 SS去除效果及分析
不同工藝出水水質SS的變化情況如圖3所示。原水SS質量濃度平均值為(45±6)mg/L。經過常規處理階段，出水SS質量濃度平均值為(25±3)mg/L，達到再生水用作工業用水水源的水質標準。在常規處理過程中，混凝具有很好的去除SS的效果，但經過A2/O工藝，SS略有升高，這是因為經過生物處理出水中帶有少量污泥造成的。經過MBR膜過濾，將活性污泥截留在生化池中，進一步降低了出水SS的質量濃度;經過RO膜過濾，產水SS質量濃度可降到1mg/L以下。經過MBR膜及RO膜過濾，出水清澈透明，膜出水濁度<0.2NTU。這說明，經過MBR+RO組合系統進行深度處理，能夠有效去除SS，達到工業用水水源標準。
2.1.3 氨氮去除效果及分析
不同工藝出水水質氨氮的變化情況如圖4所示。原水氨氮質量濃度較低，平均值為(9±3)mg/L，已滿足再生水用作工業用水水源的水質標準。經過常規處理階段，出水氨氮質量濃度小于5mg/L;經過MBR膜過濾、降解氨氮等污染物，進一步降低了出水氨氮的質量濃度;經過RO膜過濾，產水氨氮質量濃度可降到2mg/L以下。原水氨氮質量濃度較低，經過MBR+RO組合系統進行深度處理，能夠進一步有效去除氨氮，這說明MBR+RO組合工藝能有效降低氨氮的濃度。
2.1.4 TP去除效果及分析
不同工藝出水水質TP的變化情況見圖5。原水TP質量濃度平均值為(2.5±0.5)mg/L，經過常規處理階段，由于A2/O工藝的較強除磷效果，出水TP質量濃度降低至(1.5±0.3)mg/L，但不滿足工業用水水源的水質標準;經過MBR膜過濾及微生物的分解作用，出水TP質量濃度仍保持在1.5mg/L，此過程對于低濃度的TP基本沒有去除作用;經過RO膜過濾，產水TP質量濃度可降到0.8mg/L左右，滿足工業用水水源的水質標準。經過MBR+RO組合系統進行深度處理，特別是RO膜的反滲透過濾作用，能夠進一步有效去除TP。
2.1.5 色度去除效果及分析
不同工藝出水水質色度的變化情況如圖6所示。原水色度平均值為(175±25)倍，經過常規處理階段，出水色度降低至35倍左右。經過MBR膜過濾及微生物的分解作用，出水色度進一步降低至25倍左右，去除效果不是很明顯。這是由于廢水中的色度主要是由于溶解性的污染物引起的。經過RO膜過濾，產水色度可降到8倍左右，出水清澈透明，出水濁度<0.2NTU，滿足工業用水水源水質標準。經過MBR+RO組合系統進行深度處理，特別是RO膜的反滲透過濾作用，能夠進一步有效去除色度。
2.1.6 溶解性總固體(TDS)去除效果及分析
不同工藝出水TDS的變化情況如圖7所示。原水TDS平均值為(2700±500)mg/L，經過常規處理階段，TDS的去除效果有限，出水TDS仍高達(2400±450)mg/L;經過MBR膜過濾作用，出水ρ(TDS)≥2000mg/L;而RO膜對TDS有很好的截留作用，去除了大部分的TDS，RO出水TDS降到50mg/L以下。RO膜的反滲透過濾過程為脫鹽的主要環節，表明RO膜的脫鹽能力強。
2.1.7 系統總體去除性能評價
原水在經過常規處理后，COD，TP及含鹽量不能滿足再生水用作工業用水的水質標準。MBR膜可進一步截留分解部分污染物，RO膜對所有的污染物均有很強的截留能力，出水中的離子濃度已相當低了。從檢測指標可以看出，RO系統出水水質完全可以滿足城市污水再生利用工業用水的水質標準。
2.2 MBR膜和RO膜污染情況及分析
2.2.1 MBR膜本系統
從開始產水運行之日起，連續運行60天，MBR膜跨膜壓差(TMP)和通量變化如圖8所示。結果表明，在運行初期，MBR膜通量為7.5L/(m2·h)，TMP由開始時的4kPa逐漸增大，穩定在7kPa左右;當膜通量瞬間提高到15.0L/(m2·h)后，TMP也迅速提高到16kPa，穩定4天后進一步增大，最終穩定在18kPa左右，直到運行結束。
在穩定的膜通量條件下，跨膜壓差基本穩定，處于低壓狀態，說明在此運行期間沒有發生嚴重的膜污染情況。
2.2.2 RO膜
污泥密度指數(SDI)通常用來表征RO過濾水中顆粒物和膠體的含量，RO和NF一般要求原水SDI小于5。中試期間，測得MBR出水SDI平均值小于4，可完全滿足RO原水的要求，這說明MBR工藝用于RO膜的前處理是完全可行的。
RO膜的滲透性可采用標準化的滲透系數來表示。滲透系數指示了RO膜的滲透特性，反映出膜污染的特征變化。運行期間RO膜產水量穩定在280～420L/h，產水壓力穩定在1.0MPa，滲透系數保持在4L/(min·MPa)，這說明RO膜在運行期間沒有發生污染，系統運行穩定。
2.3 系統能耗分析
中試采用“混凝沉淀+A2/O+MBR+RO”的組合式工藝流程，設備累計運行60天，運行費用主要為耗電費。本次中試處理設備單位水量電耗為1.890kW·h，噸水藥劑費為0.005元。
目前，生活污水的MBR處理噸水能耗為0.450～0.910kW·h，比常規工藝處理同類污水的噸水能耗(0.240～0.370kW·h)高出1倍～2倍。北京清河再生水廠采用A2/O+MBR工藝，系統研究了污水處理廠的能耗，其平均噸水能耗為(0.920±0.130)kW·h。本次中試研究在深度處理中加入了RO反滲透膜，使出水達到了回用標準。雖然難處理的化工廢水會相應增加運行費用，使得整個工藝的噸水電耗達到1.890kW·h，但高性能的回用水取代新鮮水(工業園區工業用水水費7.87元/t)，又降低了企業的運行成本，更有利于地區節約水資源。此外，本次中試研究生化系統及膜池污泥的質量濃度為3500～5000mg/L，試驗過程中沒有排泥，比傳統活性污泥法的污泥產率低，實現了污泥減量化，減少了污泥處置費用。影響膜生物反應器能耗的主要因素是膜污染，本次中試由于進行了系列前處理，因而沒有出現嚴重的膜污染，也相應降低本研究的能耗。
3、結論
1)化工廢水經過混凝沉淀+A2/O工藝常規處理后進入MBR+RO組合工藝再進行深度處理，可有效去除廢水中的污染物，出水水質可達到城市污水再生利用工業用水標準。
2)MBR工藝用于RO膜的前處理是完全可行的，運行期間沒有發生嚴重的膜污染，MBR膜及RO膜污染可得到有效控制。
3)將MBR+RO組合式工藝用于化工廢水回用的技術途徑完全可行，高性能的再生水可有效降低企業的運行成本，節約水資源。
4)本研究還有一些不足之處：由于化工園區廢水處理難度較高，為實現較好的運行效果，需要嚴格控制裝置運行參數。下一步可在保證組合系統運行穩定及出水達標的前提下，探索更加節能高效的運行參數，優化清洗膜污染的有效方法。(來源：河北和騰城鄉規劃設計有限責任公司，河北省城鄉規劃設計研究院，河北建筑工程學院能源與環境工程學院)
