香港大学汤初阳/武汉大学邵森林等ACS ES&T Eng.：超低通量纳滤膜生物反应器——可用于污水回用的低碳工艺

英文原题： Nanofiltration-Based Membrane Bioreactor Operated under an Ultralow Flux: Fouling Behavior and Feasibility toward a Low-Carbon System for Municipal Wastewater Reuse

通讯作者 ：汤初阳,香港大学；邵森林，武汉大学

作者 ：Chu Zhou, Senlin Shao, Keying Xiong, and Chuyang Y. Tang

污水回用已经成为缓解全球水危机的重要途径，MBR+NF是污水回用常常采用的工艺之一。该工艺出水水质好，纳滤膜可以有效去除有机污染物和多价金属离子，若辅以高级氧化，甚至可以实现直饮，因而广受大家青睐。然而，能耗高、膜污染严重是限制这一工艺发展的主要原因。纳滤工艺往往需要较高的驱动压力以克服自身阻力，因而能耗较高；控制膜污染往往需要频繁的化学清洗，而化学清洗药剂，尤其是含氯药剂，会大大缩短纳滤膜的寿命，提高膜更换频率，降低该工艺的经济性。

为了解决上述问题， 武汉大学邵森林 副教授团队联合 香港大学汤初阳 教授团队受重力驱动膜工艺超低的稳定运行通量的启发，将商业纳滤膜的运行通量降低一个数量级（2-4 L/m ² .h），提出了用于污水回用的超低通量纳滤工艺（ULF MBRNF）。由于采用了超低的通量，跨膜驱动压力很低，因此可以直接将纳滤膜浸没在生物反应器中抽吸运行，单步实现净水。相比于传统的MBR _MF +NF，超低通量的应用有效减轻了膜污染，在长达145天的运行过程中，ULF MBR _NF 跨膜压力只增长了25 kPa；大大降低了膜清洗频率，实现了长期低维护运行。生命周期评价（LCA）计算结果表明，相对于MBR _MF +NF，这种一步式纳滤工艺可以降低45.2%的碳排放。

图1：ULF MBR _NF 对有机物、无机物、难降解有机物的去除效果。

图2：通量对NF截留污染物性能的影响。

ULF MBR _NF 可以高效去除进水中的有机污染物（>95%），而且可以有效去除磷和难降解有机物。相比于MBR _MF +NF，ULF MBR _NF 对污染物的去除率降低，这是由于采用了超低通量的运行条件。进一步结合溶解-扩散模型分析了通量对NF截留污染物的影响，发现超低通量运行对磺胺甲恶唑、卡马西平、磷等截留率较高的物质影响较小。值得注意的一点是，ULF MBR _NF 对总离子（用电导率表示）的去除率明显降低，这在一定程度上避免了盐离子在生物反应器中的累积，有利于反应器的稳定运行。

图3：不同通量运行的MBR _NF 和MBR _MF 的膜污染变化。

ULF MBR _NF 的膜污染较轻。在145天的运行过程中，ULF MBR _NF 的跨膜压力仅增加了~25 kPa，超低通量运行的MBR _MF 也表现出较低的膜污染速率。但是当在较高的通量下运行MBR _NF 和MBR _MF 时，二者都表现出较快的膜污染速率。

图4：ULF MBR _NF 膜污染层的形貌和组成。

分析不同通量下的MBR _NF 的污染层形貌发现，ULF MBR _NF 的污染层较薄，且最终稳定在~40 µm，较高通量下运行的MBR _NF 污染层较厚，且呈现持续增长的趋势。进一步分析污染层的组成，发现单位体积ULF MBR _NF 污染层中的EPS含量更高，意味着ULF MBR _NF 污染层的密度较大，这是因为污染层中疏松的部分容易被曝气提供的剪切力冲走，只有粘附性较高的部分会留在膜表面，因而最终可以维持一个薄且厚度稳定的污染层。

图5：通量对膜污染层与膜之间黏附状态的影响。

超低通量（2 LMH）运行下的NF与无通量的NF形貌相似，与膜表面之间的黏附不紧密，这样的污染层在曝气条件下容易被冲走。 当在较高通量下运行时，污染层被压缩并紧紧黏附在膜表面，难以被冲走，因而沉积物持续累积，阻力也会持续增加。

图6：ULF MBRNF和MBRMF+NF的碳排放和运行成本对比。

通过LCA分析发现能耗是碳排放的主要来源，ULF MBRNF跨膜压力较低，能耗显著减少，因而碳排放较少。ULF MBR _NF 中，生产1m ³ 水泵吸产生的碳排放仅有0.011 kg CO ₂ -eq ，而在MBR _MF +NF中，这一数据是0.299 kg CO ₂ -eq。综合比较，ULF MBR _NF 可以降低45.2%的碳排放。超低通量运行使相同产水规模所需的膜面积增加，这会增加运行成本。但是超低通量使膜污染速率降低，清洗频率下降，膜寿命会有效延长，这在一定程度上弥补了由于膜面积增加导致的运行成本增加。

图7：RO膜在浸没式工艺中的应用展望。

RO膜具有用于浸没式MBR中以提升出水水质的潜力。当初始跨膜压力设为30 kPa，初始通量设为2 LMH时，膜的透水性需要高于6.7 LMH/bar，而当初始通量设为1 LMH时，膜的透水性只需要高于3.3 LMH/bar，这时部分SWRO膜也可以满足要求。

综上所述，ULF MBR _NF 是一种低污染、低维护、低碳排放的污水回用工艺，其中，超低通量的运行条件是实现这些目标的关键。NF膜和对应的卷式膜组件通常是为高盐水脱盐处理设计的，当处理对象是盐度较低的市政污水时，原有的工艺设计可能并不是最优方案。本文有意降低了运行通量，提出了一种可以用于市政污水回用的MBRNF工艺，解决了传统MBR+NF工艺中长流程、高能耗、膜污染严重的问题，为纳滤工艺在市政水处理中的应用提供了新思路。