李 旭，李彩鳳，巫寅虎，徐雨晴，張宏宇，胡洪營(yíng)，3

（1.北京亦莊水務(wù)有限公司，北京 100176； 2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境前沿技術(shù)北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇蘇州 215163）

我國(guó)水資源短缺，北京等北方城市尤為突出，導(dǎo)致北京市工業(yè)用自來(lái)水價(jià)格高達(dá)9.0～9.5元/m3，加重了各工業(yè)企業(yè)乃至電子信息等高精尖企業(yè)的生產(chǎn)成本負(fù)擔(dān)。為解決水資源短缺問(wèn)題，國(guó)家大力推動(dòng)再生水利用，出臺(tái)了《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》等一系列重要文件，要求缺水地區(qū)工業(yè)企業(yè)優(yōu)先使用再生水。目前，再生水（包括城市污水廠和工業(yè)園區(qū)綜合污水廠出水等）已成為電子信息、電力、熱力等高精尖行業(yè)和支柱行業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)純水制備的重要水源。

反滲透（RO）工藝對(duì)無(wú)機(jī)物、有機(jī)物和病原微生物等均能實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)去除，是工業(yè)純水制備的必備單元。目前，我國(guó)工業(yè)級(jí)反滲透工藝的應(yīng)用規(guī)模已經(jīng)超過(guò)5000萬(wàn)m3/d，以再生水作為水源的比例超過(guò)70%〔1〕。該工藝最初用于海水淡化和以地表水、地下水為水源的純水制備過(guò)程，用于再生水處理起步較晚。并且，由于再生水中有機(jī)污染物組分復(fù)雜、濃度比海水和常規(guī)水源高5～ 10倍〔2-3〕，在工程實(shí)踐中面臨比海水淡化和常規(guī)水源凈化更復(fù)雜、更突出的膜污堵問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

筆者從系統(tǒng)構(gòu)成、工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性等方面對(duì)北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的再生水高標(biāo)準(zhǔn)處理與工業(yè)利用進(jìn)行了系統(tǒng)分析，從工藝運(yùn)行穩(wěn)定性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度探討了反滲透膜污堵控制的可行方案。

1 北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)再生水利用概況

1.1 開(kāi)發(fā)區(qū)再生水利用系統(tǒng)

北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，又名亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)發(fā)區(qū)），總規(guī)劃面積46.13 km2，主要?jiǎng)澐譃楹诵膮^(qū)、路東區(qū)和河西區(qū)等區(qū)域。該開(kāi)發(fā)區(qū)享受?chē)?guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)雙重優(yōu)惠政策，目前已經(jīng)集聚了一大批競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、知名度高、科技領(lǐng)先的企業(yè)，逐步形成了電子信息、生物醫(yī)藥、汽車(chē)和裝備制造4大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

該開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)用水量大，且水質(zhì)要求高。由于北京市水資源短缺問(wèn)題突出，市政府要求開(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)用新水零增長(zhǎng)。為了支撐開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的東區(qū)和經(jīng)開(kāi)再生水廠分別以園區(qū)外污水處理廠（XHM污水處理廠）和園區(qū)綜合污水處理廠的二級(jí)出水（C級(jí)再生水）〔4〕為水源，采用“微濾-反滲透”（MF-RO）工藝生產(chǎn)A 1級(jí)再生水。生產(chǎn)的A 1級(jí)再生水通過(guò)再生水配套管網(wǎng)輸送給開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)，替代自來(lái)水作為工藝生產(chǎn)用水和非工藝生產(chǎn)用水（如循環(huán)冷卻用水等），實(shí)現(xiàn)了再生水在區(qū)域范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用。目前，園區(qū)內(nèi)A 1級(jí)再生水的用量達(dá)到 1368萬(wàn)m3/a，占工業(yè)用水總量的40%，已成為開(kāi)發(fā)區(qū)的工業(yè)第一水源。

1.2 再生水高標(biāo)準(zhǔn)處理工藝

開(kāi)發(fā)區(qū)再生水廠采用的高標(biāo)準(zhǔn)處理工藝見(jiàn)圖 1。

圖 1 傳統(tǒng)微（超）濾-反滲透工藝Fig.1 Traditional microfiltration（ultrafiltration）-reverse osmosis process

該工藝以微濾和反滲透“雙膜”單元為核心，利用反滲透膜對(duì)水分子的選擇性透過(guò)作用，生產(chǎn)A 1級(jí)再生水。為了維持雙膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在核心處理單元前設(shè)置消毒、介質(zhì)過(guò)濾、保安過(guò)濾器等預(yù)處理單元。其中，各處理單元的核心功能如下：

（1）消毒預(yù)處理單元：通常采用氯消毒等滅活進(jìn)水中的微生物，防控微生物生長(zhǎng)并分泌代謝產(chǎn)物而導(dǎo)致的反滲透膜生物污堵。

（2）介質(zhì)過(guò)濾預(yù)處理單元（自清洗過(guò)濾器）：通常采用活性炭、石英砂等作為過(guò)濾介質(zhì)，去除水中的顆粒物、部分溶解性有機(jī)物，防止對(duì)后續(xù)微濾膜和反滲透膜的污堵。

（3）微濾（超濾）單元：采用中空纖維微濾（超濾）膜截留水中細(xì)微顆粒物，防止對(duì)反滲透膜的污堵。

（4）保安過(guò)濾器單元：通常設(shè)置在反滲透單元之前，防止較大的顆粒物（通常粒徑為5μm以上）進(jìn)入反滲透單元，對(duì)反滲透膜造成不可逆損傷。

（5）反滲透單元：利用反滲透膜的選擇透過(guò)性，理論上可截留水中除水分子外的其余物質(zhì)，從而生產(chǎn)純水（A 1級(jí)再生水）。

為了防控膜污堵、維持雙膜工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，各處理單元需要投加大量化學(xué)藥劑。消毒預(yù)處理單元需要投加氯（通常是次氯酸鈉）作為消毒劑，微濾單元需要采用次氯酸鈉、檸檬酸、氫氧化鈉等藥劑進(jìn)行化學(xué)清洗，反滲透單元之前需要投加還原劑（防止反滲透膜氧化損傷）、阻垢劑（防止結(jié)垢）、非氧化性抑菌劑（防止生物污堵），反滲透膜需要采用氫氧化鈉、檸檬酸等進(jìn)行化學(xué)清洗。

2 反滲透處理工藝運(yùn)行狀況

2.1 處理效果

開(kāi)發(fā)區(qū)再生水廠雙膜工藝進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表 1。

表 1 反滲透工藝進(jìn)水與產(chǎn)水水質(zhì)（第三方檢測(cè)）Table 1 Water quality of feedwater and product water of ROprocess from third party

由表 1可知，經(jīng)過(guò)反滲透處理后，產(chǎn)水的總有機(jī)碳（TOC）為0.3 mg/L，濁度低于0.5 NTU，TDS為97 mg/L，總硬度為 18.5 mg/L（0.185 mmol/L），堿度為 25.8 mg/L（0.258 mmol/L），均達(dá)到《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T 1576— 2018）對(duì)鍋爐水水質(zhì)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足了開(kāi)發(fā)區(qū)各企業(yè)對(duì)工業(yè)用水水源的需求。

2.2 工藝運(yùn)行穩(wěn)定性

雖然開(kāi)發(fā)區(qū)再生水廠的產(chǎn)水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但反滲透工藝在運(yùn)行過(guò)程中仍然面臨較為嚴(yán)重的膜污堵問(wèn)題。為了維持產(chǎn)水的水量水質(zhì)穩(wěn)定，反滲透單元的運(yùn)行壓力隨著膜污堵程度的加重而不斷升高，且定期需對(duì)反滲透膜進(jìn)行化學(xué)清洗，減輕膜污堵的影響，因此系統(tǒng)能耗、藥耗較高。除增加運(yùn)行成本外，頻繁的化學(xué)清洗也會(huì)對(duì)反滲透膜造成不可逆的損傷，降低系統(tǒng)的脫鹽效率。再生水廠反滲透單元使用的清洗藥劑如表 2所示。

表 2 再生水廠反滲透單元清洗藥劑使用情況（ 2020年）Table 2 Addition of cleaning agent in ROprocess（2020）

對(duì)再生水廠長(zhǎng)期運(yùn)行后發(fā)生嚴(yán)重污堵的反滲透膜進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)微生物及其代謝分泌產(chǎn)物是導(dǎo)致膜污堵的重要原因。為防控生物污堵，再生水廠對(duì)反滲透單元的預(yù)處理工藝進(jìn)行了改造，采用氯-紫外線組合消毒工藝替代了原有的氯消毒預(yù)處理。主要工藝流程如圖 2所示。

預(yù)處理工藝改造前后，反滲透單元的進(jìn)水壓力變化如圖3所示。

由圖3可知，采用氯消毒預(yù)處理時(shí)，易出現(xiàn)反滲透單元進(jìn)水壓力急劇升高的現(xiàn)象。在系統(tǒng)運(yùn)行的第 20～70天（50 d內(nèi)），進(jìn)水壓力由約0.9 MPa升高至 1.4 MPa以上，升高比例達(dá)55%；第 150～ 180天（30 d內(nèi)），進(jìn)水壓力由0.78 MPa升高至 1.4 MPa以上，升高比例超過(guò)60%；第 245～ 265天（20 d內(nèi)），由約0.9 MPa升高至 1.3 MPa，升高比例達(dá)44%。這種短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行壓力急劇升高的現(xiàn)象，是反滲透膜生物污堵的顯著特征，也表明僅采用氯消毒預(yù)處理難以有效控制生物污堵。采用氯-紫外線組合消毒預(yù)處理后，運(yùn)行初期仍然出現(xiàn)了進(jìn)水壓力急劇升高的現(xiàn)象。第308～335天，進(jìn)水壓力由約0.8 MPa上升至 1.19 MPa。但在進(jìn)行化學(xué)清洗后（運(yùn)行壓力由較高值突然下跌），系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性顯著提高，進(jìn)水壓力的升高速度顯著減緩，且最高運(yùn)行壓力再未超過(guò) 1.2 MPa。同時(shí)，化學(xué)清洗的間隔周期顯著延長(zhǎng)。

上述結(jié)果表明，對(duì)消毒預(yù)處理工藝進(jìn)行改造后，反滲透膜污堵得到了一定程度的控制，工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性提升。這可能是由于紫外線與氯對(duì)細(xì)菌細(xì)胞的損傷靶點(diǎn)和機(jī)制不同，部分在氯消毒后存活的耐氯細(xì)菌經(jīng)過(guò)紫外線消毒后被有效滅活，從而控制反滲透膜的生物污堵。

與本研究類(lèi)似的組合消毒工藝也被應(yīng)用于生活污水的再生處理。目前，北京市高碑店等再生水廠采用臭氧-紫外線-氯組合消毒工藝，利用不同消毒技術(shù)對(duì)細(xì)菌的殺傷機(jī)制不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)再生水中復(fù)雜混合菌群的高效滅活。

3 反滲透處理工藝運(yùn)行效能分析

圖4為預(yù)處理單元改造前后反滲透工藝運(yùn)行效能對(duì)比。

由圖4（a）～（b）可知，工藝改造前，平均進(jìn)水壓力為 1.0 MPa，中位數(shù)為0.98 MPa，污堵較嚴(yán)重時(shí)，最高運(yùn)行壓力可超過(guò) 1.4 MPa。工藝改造后，平均進(jìn)水壓力和中位數(shù)均下降至0.9 MPa，且最高運(yùn)行壓力未超過(guò) 1.2 MPa?；瘜W(xué)清洗周期方面，工藝改造前約 1～ 2個(gè)月（平均55 d）需要對(duì)反滲透膜進(jìn)行一次大規(guī)模化學(xué)清洗；工藝改造后，約 2～3個(gè)月（平均81 d）進(jìn)行一次化學(xué)清洗。

采用氯-紫外線消毒預(yù)處理后，反滲透膜污堵得到控制，工藝運(yùn)行的電耗和藥耗均有所下降〔圖4（c）〕。采用氯消毒預(yù)處理時(shí)，再生水廠電耗為 1.2～ 1.4元/m3，藥耗為0.3～0.4元/m3；而采用氯-紫外線消毒預(yù)處理后，電耗下降至 1.1～ 1.15元/m3，藥耗下降至0.2～0.3元/m3。綜合考慮電耗和藥耗，氯-紫外線消毒預(yù)處理使再生水廠的噸水運(yùn)行成本降低約 22%。

4 結(jié)論

反滲透膜的生物污堵是再生水反滲透處理工程實(shí)踐中最難以控制的膜污堵類(lèi)型之一。通過(guò)對(duì)北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)再生水廠的工程案例分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的氯消毒預(yù)處理無(wú)法有效控制生物污堵，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行難、能耗藥耗高。將消毒預(yù)處理改造為氯-紫外線組合消毒后，反滲透膜污堵得到有效控制，再生水反滲透處理工藝的電耗、藥耗顯著降低。上述工程案例為反滲透膜生物污堵的控制提供了新思路和新視角。