反渗透浓缩液：市政污水再生回用面临的新挑战

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。