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反渗透浓缩液:市政污水再生回用面临的新挑战

北极星水处理网  来源:环境纵横  作者:张晓媛  2021/1/15 9:32:50  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:市政污水 污水再生回用 ROC

北极星水处理网讯:市政污水再生回用可为城市提供新兴替代水源,缓解日益紧张的水资源短缺危机。生物处理耦合反渗透(RO)工艺,可将市政污水回用产生高纯水,具有技术可行性和经济有效性。然而,基于生物处理和RO相结合的工艺,市政污水中大部分的细菌、病毒、盐分、难降解有机物等都将在RO单元被截留,并最终进入RO浓缩液(ROC)。随着市政污水再生规模的快速增长,ROC的体积也不断增加,ROC的有效处理逐渐成为市政污水再生回用过程中不可忽视的新挑战。针对该问题,新加坡南洋理工大学的研究团队进行了思考,相关成果新进发表于Chemical Engineering Journal期刊。文章系统总结了目前市政污水再生回用的主导工艺,ROC的来源与特征,ROC带来的挑战,ROC后处理技术及其对回用工艺能耗的影响。最后,提出了一种创新的厌氧纳滤膜生物反应器(AnNFMBR)-RO工艺实现市政污水主流处理回用,并利用频繁倒极电渗析(EDR)和臭氧氧化技术处理ROC后使其回流到主流工艺,在可接受的能源需求下最终实现近零液体排放。

市政污水再生回用中ROC的来源和组成

水资源短缺是一项全球性挑战。通过探索替代水源,例如市政污水,将其回收为高质再生水可为未来的城市供水提供新途径。越来越多的国家,例如中国、瑞士、澳大利亚、新加坡、以色列等,都在积极探索将市政污水再生回用作为替代水源。目前,各种生物处理工艺与反渗透(RO)技术相结合,如常规活性污泥(CAS)工艺-微滤(MF)或超滤(UF)-RO,膜生物反应器(MBR)-RO组合工艺等,可将市政污水再生回用为高纯水,具有显著的技术和经济优势,近年来受到越来越多的关注。然而,应该意识到,市政污水中的细菌、病毒、盐分、难降解有机物等都将在RO单元被截留,并最终进入RO浓缩液(ROC)。目前,用于市政污水再生回用的RO装置的产水率通常约为50~85%。这意味着ROC中浓缩的污染物的浓度会是市政污水中初始浓度的约2~7倍。而随着市政污水回用工艺处理规模的增加,产生ROC的体积会进一步增加,成为市政污水再生回用系统中的新挑战。

ROC组成取决于上游处理工艺的类型和RO处理单元的性能。例如,典型市政污水中的总溶解固体(TDS)浓度约为500~1000 mg /L,由于CAS-MF/UF几乎无法有效去除TDS,因此ROC中的TDS浓度可能高达1000~5000 mg/L。此外,根据上游生物处理单元的性能,ROC中也可能含有氨氮和磷酸盐。一般而言,市政污水中氨氮和磷酸盐的平均浓度为40 mg N/L和5 mg P/L。在AnMBR-RO工艺中,由于AnMBR对氨氮和磷酸盐几乎没有去除,而RO单元截留95%以上的氨氮和磷酸盐。因此,ROC中的氨氮和磷酸盐浓度分别可达150 mg/L和20 mg/L。表1总结了市政污水再生回用过程中产生的ROC的水质特征。此外,ROC还包含约24.5~184 mg /L的残留COD,120 mg/L的二氧化硅,重金属和其他新兴的微污染物(例如病原体,抗药性细菌,消毒副产物,个人护理产品)等。

随着市政污水再生回用技术的发展,基于RO回用工艺产生的ROC体积不可再被忽略。在沿海城市,ROC可考虑直接排海。而对于内陆城市,理想的情况是将ROC回流到主流生物处理工艺中。但是,由于ROC中含有难降解有机物,且回流会显著提高盐度水平,影响生物处理效果。因此,对于市政污水回用过程中产生的ROC,迫切需要探索具有环保和经济效益的后处理方案及技术。

表1市政污水再生回用产生的ROC特征

ROC后处理技术

高级催化氧化工艺,包括UV、光催化、臭氧氧化、Fenton、电化学氧化等可被用于市政污水回用产生的ROC中难降解有机化合物和新型微污染物的处理。例如,Fenton、光催化、电化学氧化等可去除市政污水回用中产生的ROC中50%以上的有机物,臭氧可将ROC中有机物的生物降解能力提高1.8~3.5倍等。然而,高级催化氧化技术不能有效地去除ROC中的TDS和营养物质,而高盐分对高级氧化的效率也会产生负面影响。因此ROC的后处理工艺中还需进一步考虑盐分的去除。RO、电渗析(ED)和频繁倒极电渗析(EDR)工艺等可以对ROC进行脱盐处理。例如,对电导率为3.90至4.14 mS/cm的ROC,在30–50 A/m2的电流密度下,ED可去除约80%的盐度。与ED相似,EDR可以通过周期反转电极,去除离子交换膜上的膜污染。臭氧-生物活性炭-电容去离子(CDI)工艺可也有效降低ROC的盐度。正向渗透(FO)、压力延迟渗透(PRO)、膜结晶、膜蒸馏(MD)和蒸馏技术(机械蒸气压缩、多级闪蒸、多效蒸馏)等对ROC的处理,也引起了越来越多的关注。由于这些除盐技术具有较高的能耗,多用于高浓度盐分的去除,然而对于市政污水回用过程中产生的ROC,其处理的工程可行性和经济可行性尚待探索。文章第三节详细介绍了适用于市政污水再生工艺中产生的ROC后处理的工艺,并通过对比ROC后处理的能量需求,考虑市政污水再生工艺中产生的ROC的TDS的浓度范围,认为RO和ED/EDR似乎是在当前可用的脱盐工艺中的最实际可行的选择。

由于ROC的后处理过程需要不同的工艺组合,因此工艺的选择需要根据ROC的特征和所需处理的要求而定。需要注意的是,与ROC后处理相关的环境和经济成本必须系统评估,并纳入总体污水再生成本中(表2)。

表2 ROC后处理+市政污水再生回用工艺能耗分析

AnNFMBR-RO工艺耦合EDR和臭氧氧化技术:为实现闭合水循环提供了可能

从表2可以看出,ROC的后处理改变了市政污水再生的运行能耗。据此,文章认为提高主流市政污水处理工艺中RO的产水率,以减少ROC体积,无疑将有助于ROC的后处理,在可接受的能源需求下最终实现零液体排放。基于此,文章提出了一种新型厌氧纳滤膜生物反应器(AnNFMBR)-RO工艺以实现市政污水的主流处理回用,并利用EDR和臭氧技术处理ROC,使其回流到主流处理工艺,实现闭合水环路(图1)。此工艺可将市政污水进水中的COD直接在AnNFMBR单元中转化为沼气以回收能源,通过NF对二价离子和大分子有机物的出色截留,使得AnNFMBR的出水具有较低浓度的有机物和盐类,也有助于减少后续RO膜污染。RO单元可进一步截留AnNFMBR出水中95%的残留有机物、养分和主要盐分,并累积在ROC中。

在TDS浓度小于5000 mg/L的情况下,EDR作为ROC的后处理技术更具成本效益。与RO相比,EDR具有以下优点:更长的膜寿命、更高的膜阻垢性能、更强的化学清洗药剂(含氯药剂等)抵抗力。市政污水再生回用产生的ROC中的TDS平均浓度为2500 mg/L,假设EDR的水回收和脱盐率为90%,则EDR渗透液中的TDS可以降低至250 mg/L。但是ROC同时含有较高浓度的难生物降解COD,因此EDR渗透液需进一步通过臭氧处理,以提高残留COD的生物降解性能,同时杀死或破坏细菌、病毒和抗性基因等。经过臭氧进一步处理的ROC可返回到主流生物处理单元。剩下的1.0%的高盐度浓水可通过盐水结晶等工艺进行最终结晶。同时,文章第五节对AnNFMBR-RO与EDR和臭氧化技术相结合工艺的能耗进行了分析估算。这为实现市政污水处理的零液体排放提供了重要参考与借鉴。

图1 AnNFMBR-RO耦合EDR和臭氧氧化技术

展望

面对全球水资源日益短缺的严峻形势,市政污水作为一种潜在的宝贵资源可通过可再生循环成为新兴水源。然而,在市政污水再生过程中产生的ROC因其TDS、难降解的有机物、养分、新兴的微污染物等高含量逐渐成为新的污染源,对水资源的环境可持续性提出了新的挑战。因此,针对ROC的后处理势在必行。但是,随着ROC的后处理,不可避免地会增加与市政污水再生相关的总体设备与运行成本。解决ROC的可行工程方案是通过提高RO的水回收率,以便最大程度地减少ROC的体积。在这一理念的基础上,文章所提出的新型的厌氧AnNFMBR-RO结合EDR和臭氧化技术,有望能实现99%的水循环利用,最终实现近零液体排放。随着各国大力推进清洁能源的开发与利用,可以预见在不久的将来RO和EDR可以由可再生能源(例如太阳能)提供动力,大大减少对化石燃料的依赖。同时,富含各种矿物质的EDR浓缩液可视为一种可持续的资源,以实现最大化的资源回收。

综上,本文关于ROC的思考可为未来城市构建闭路水循环系统提供重要的参考,助推城市的可持续性发展。

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