ACS ES&T Engineering | 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

近日，武汉大学邵森林副教授和香港大学汤初阳教授团队提出将纳滤通量降低一个数量级（2-4 L/m2.h），构建超低通量纳滤MBR工艺。在超低通量下，跨膜压力很低，可实现一步浸没式运行；膜污染也可减轻（0.18 kPa/d），大幅降低膜清洗频率。另外，该工艺还可降低碳排45.2%。

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/m2.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MBRMF+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 MBRNF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MBRMF+NF，这种一步式纳滤工艺可以降低45.2%的碳排放。

ULF MBRNF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MBRMF+NF，ULF MBRNF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 MBRNF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。

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

分析不同通量下的MBRNF的污染层形貌发现，ULF MBRNF的污染层较薄，且最终稳定在~40 µm，较高通量下运行的MBRNF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 MBRNF污染层中的EPS含量更高，意味着ULF MBRNF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。

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。

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 MBRNF中，生产1m3水泵吸产生的碳排放仅有0.011 kg CO2-eq，而在MBRMF+NF中，这一数据是0.299 kg CO2-eq。综合比较，ULF MBRNF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。

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 MBRNF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。

相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，武汉大学博士研究生周初和副教授邵森林为文章的共同第一作者，香港大学汤初阳教授和武汉大学邵森林副教授为共同通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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