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纳滤膜生物反应器（NF-MBR）thorn;反渗透（RO）水回收工艺的可行性：对比超滤膜生物反应器（UF-MBR）thorn;RO工艺
关键词：
能源消耗
溶解有机物质
膜污染
纳滤
反渗透
水回收
摘要
本研究探讨了新型纳滤膜生物反应器（NF-MBR）反渗透（RO）过程的可行性，回收率为90％，使用超滤MBR（UF-MBR）thorn;RO作为比较的基准。两种MBR都采用相同的外部中空纤维膜配置和操作件。随后将收集的MBR的渗透物进料至相应的RO系统。结果显示NF-MBR（在10L / m 2h的恒定通量下操作），由于增强的生物降解和高的排斥能力，实现了优异的MBR渗透质量NF膜，与UF-MBR相比，导致RO污染率降低（~3.3倍）。进一步分析表明蛋糕层结垢导致蛋糕增强渗透压（CEOP）效果主要影响NF-MBR的跨膜压（TMP）增加，而不可逆孔隙污垢是UF膜污染的主要原因。此外，它被发现生物聚合物（即MWgt; 10kDa的有机物）是存在于的主要成分NF / UF膜和RO膜的污垢中。分析表明NF-MBRthorn;RO系统处于90％的回收率和回收率为75％的UF-MBRthorn;RO系统的能耗相当。我们的研究结果证明了NF-MBRthorn;RO在高回收率下用于水回收的可行性。
1.引言
21世纪，全球人口增长迅速城市化和不断增长的经济活动导致水资源短缺是其中的一个主要问题。 除了地表水，地下水，和海水一样，开垦水已成为重要的替代方案用于间接或直接饮用（Bartels等，2005）。通常，水回收是指通过渗透（RO）过程将废水或废水处理成适合反向回收水的质量。例如，新加坡NEWater概念涉及活性污泥（AS）工艺采用低压膜工艺如RO之前的微滤/超滤（MF / UF）（Qin等，2006）对常规废水的预处理。 或者，来自膜生物反应器的出水（MBR）可以直接用作RO的给水（Chen et al。，2012;Qin等，2006）。MBR废水处理与AS工艺相比，由于其优点：有更好的出水水质，更小的影响，更好的消毒，减少污泥产量（Yamamoto，2001），已经成为一种更可行的选择。此外，与ASthorn;MF / UFthorn;RO水回收工艺相比（Qin et al。，2006）。MBR和RO的成功整合也证明了更一致的去除性能和更低的RO污染率这一点。
通常，在废水回收过程中，使用两个或更多个RO系列（Wetterau等，2011）回收水平为75e85％。 虽然有前景的技术可实现超过90％的水平，例如半批RO过程或称为闭路脱盐（CCD）Septon和Efraty，2016年; Warsinger等，2016; Werber等，2017）， 高效节能反渗透（EERO）（Chong et al，2015a，b），实际回收水平受到膜污染的限制，包括无机结垢，如磷酸钙，碳酸钙,二氧化硅，有机污垢和生物污垢（Antony等，2011; Kent等，2011; Moreno et al。，2013; Ridgway等，1984;赵等人，2010）。通常在RO中添加阻垢剂或消毒剂。然而，一些阻垢剂可以用水来减少RO污垢提高反渗透系统的生物污染潜力（Antony等，2011）和消毒剂可能最终导致降解膜长期（Antony等，2010）。新兴技术如流量反转（FR）技术是一个有吸引力的选择通过周期性地切换流动方向来工作的秤精准控制在RO压力容器阵列中扰乱了动力学成核/结晶（即结垢）过程（Lu等，2012）。它已被证明对硫酸钙和效碳酸盐有效结垢，但其对其他类型结垢没有效果的。
防止RO膜污染的一个途径是改善RO给水的质量。 尽管使用MF / UF或MF / UF-MBR，溶解的有机碳（DOC）和结垢溶质/离子由于相对较大，可以很容易地穿过膜MF / UF膜的孔径。 特别是传统的MBR在去除各种痕量有机物方面有其自身的局限性碳（TrOCs）如杀虫剂，内分泌干扰化学品（EDCs），激素和药物活性化合物（PhACs）（Tadkaew等，2011）。 几项研究发现，疏水性TrOCs可以吸附到生物质上，导致其在生物反应器中有更长的保留时间，从而提高了去除效率。 相反，亲水性TrOCs如卡马西平和双氯芬酸被发现在AS和MBR过程中都是持久的（Radjenovi c et al。，2009; Tadkaew et al。，2011; Wijekoon et al。2013）。 然而，这些化合物几乎不被保留MF / UF膜上。实现高质量渗透，高整合度保留膜分离过程，如用生物反应器的膜蒸馏（MD）、正渗透（FO）和纳滤（NF）形成MD-MBR，FO-MBR。近年来，（Choi等，2002; Cornelissen等，2008; Goh等，2013; 罗等人，2015; Qiu et al。，2016）称为已经探索了OMBR和NF-MBR配置。高保留MBR和传统MBR 两者之间的主要区别总结如下表格1。
这种高度保留MBR具有增强由于停留时间延长而难以处理的有机物的生物降解作用且有效排斥无机化合物（即Ca2 ）。然而，高保留MBR仍存在若干技术挑战，例如盐积累，低渗透通量（即lt;10 L / m2 h），和膜稳定性（Lay et al。，2010; Luo et al。，2014; 2016）。特别在FO-MBR中，挑战包括（i）逆转盐扩散效应导致吸引溶质的损失并且要求不断补充吸引溶质以保持通量; （ⅱ）由于盐的积累和盐逆向扩散导致生物反应器的盐度增加以及降低溶质扩散引起的溶液吸附浓度会降低净驱动力水渗透，从而导致通量随时间下降;（iii）升高的盐可以增加可溶性微生物产物（SMP）和4种聚合物（EPS）混合导致更多膜污染的液体（Luo et al。，2017）; （iv）它需要额外的步骤（即RO或其他过程）来分离吸收溶液和水。更重要的是，与传统的MBRthorn;RO工艺相比，由于FO和绘制解决方案恢复过程之间的权衡（Shaffer等，2015），FO-MBR和RO联合生产水的过程不能减少对能量的需求。而在MD-MBR中，所耗费热和膜润湿度仍然是瓶颈。
与MD-MBR和FO-MBR相比，NF-MBR更为可行。这归因于（i）NF是压力驱动的事实类似于MF / UF的过程，与FO或MD相比没有那么复杂;（ii）NF具有较低的单价盐排斥，从而使得生物反应器中较低的盐积累。最大的盐浓度因子可以通过调节污泥停留时间/水力停留时间比例来控制（SRT / HRT，参见补充数据中的图S1（详情）（Lay et al。，2010）;（ⅲ） NF拥有大量的全面设备，应用于地表水和地下水处理成熟。但是，应该指出，废水处理的NF-MBR仍处于起步阶段。在先前对NF-MBR的尝试中，使用商业醋酸纤维素NF获得了0.042L / m2h或相当于0.5L / m 2 h bar的极低通量（Choi等人，2007a; Choi等人，2002， 2006; 2007a）。获得适当通量所需的低渗透性或高操作压力使NF-MBR缺乏吸引力。然而，先前由新加坡膜技术中心（SMTC）开发的用于水软化应用的新型低压中空纤维NF膜可用于克服该挑战。新型NF膜具有带正电荷的薄膜选择层，纯水渗透率为~17 L / m2 h $ bar，分子量截止（MWCO）lt;500Da，并且排斥Mg2 和Ca2 ~90％和Na lt;15％（Liu等人，2015; Rajabzadeh等人，2014）。市场上的大多数商业膜（如补充数据中的表S1所总结）要求操作压力gt; 5巴（1bar=100000pa），但是我们的膜仅需要lt;2巴来实现这种性能。 Na 离子的极低排斥性同时保持二价离子的高排斥性是实现这种低操作压力条件的关键。
在这项研究中，我们的目标是使用SMTC内部制造的低压中空纤维NF膜（内向外配置）开发高通量NF-MBR（即10 L / m2h），并集成NF-MBR采用RO工艺进行高回收水回收（即回收率的90％）。 本研究的主要目标是（1）评估NF-MBRthorn;RO对高回收率水回收的性能；（2）说明膜污染机理并检查NF-MBR和RO膜中的污垢特征；（3）估算NFMBR不同恢复水平thorn;RO的能耗。 UF-MBRthorn;RO系统是用作比较的基线。 这项研究为进一步改进和扩大NFMBRthorn;RO系统提供了有意义的信息。
2.材料与方法
2.1 UF-MBR，NF-MBR和RO设置和操作
两种相同的实验室规模移动床生物膜生物反应器（以下简称MBR）采用侧流超滤（为UF-MBR）和纳米过滤（定义为NFMBR）膜组件分别如图S2（补充数据）所示建立。每个生物反应器的总有效工作体积为7.0L，并填充117个K3生物载体（即填充率为10％）。生物载体的尺寸为12Oslash;25（mm，W D），表面积为500 m2 / m3（中国平阴化工包装）。在生物反应器中没有接种活性污泥。生物反应器的通气速率设定为3L / min。生物反应器的污泥停留时间（SRT），水力停留时间（HRT），pH值和温度保持在30天（即每天排放0.233升污泥，仅占进料流量的3％，因此假设NF-MBR的恢复为~100％，分别为22小时，6.8plusmn;0.5,20plusmn;0.5℃。生物反应器持续使用从新加坡处理厂Ulu Pandan废水中收集的城市废水（用1毫米开孔网筛分后）。两个MBR的渗透通量通过安装在渗透物流上的质量流量控制器维持在10L / m2h。 通过连接到数据记录系统（LabVIEW，National Instrument，USA）的数字压力传感器（Ashcroft，USA）记录进料，渗余物和渗透物的压力。 UF-MBR和NF-MBR的操作参数以及城市废水的特性分别总结在表2和表3中。
在这项研究中，使用了SMTC的内部制造聚醚砜（PES）中空纤维UF膜和以PES为基材的低压中空纤维NF膜，其特性总结在表4中。每个膜组件由25根中空纤维组成（0.46） m长;总有效面积0.031m2）并在内部（内腔） - 外（壳）构造中进行过滤。 由于膜污染当跨膜压（TMP）达到预设上限时，进行定期的物理膜清洗。 用自来水以500mL / min冲洗中空纤维膜的内腔侧2分钟后，进行反洗（15分钟）对于UF和NF膜，分别使用压力为0.5和2巴的蒸馏水。 当膜清洗后未达到所需的TMP时，污染的膜组件为换成新模块。 在NF-MBR中，串联使用三个新的NF膜组件，在下文中，定义为NF1，NF2和NF3; 而在UF-MBR中，有两个新的UF膜组件串联使用，下文定义为UF1和UF2。
使用两个相同的RO系统来研究来自两个MBR的渗透物的结垢潜力。之前描述了RO系统的细节（图S3，补充数据）（Suwarno等，2016; Wu等，2013）。简而言之，RO装置包括进料罐，高压泵（Hydra Cell D-03-S，USA），配备有温度控制器的冷却装置（PolyScience 9106，USA），平板RO测试电池，背压调节器（SS-4R3A，Swagelok），质量流量控制器（LIQUI-FLOWL30，Bronkhorst，荷兰），压力传感器（EUTECH Instruments，USA）和电导率仪（EUTECH Instruments，USA）。在RO测试电池中使用具有0.0186m 2的有效膜面积的RO膜（BW-30，DOW FilmTec，USA）。 RO系统的横流速率保持在18L / h（即，相当于0.10m / s的横流速度），并且质量流量控制器将渗透通量保持在20L / m2h。在该研究中，将RO浓缩物和RO渗透物再循环至进料罐，并且每天补充进料罐中的测试溶液。
2.2 分析测量
2.2.1 水质参数
每周两次取样MBR的给水，混合液和渗透物用于分析。 通过在4000g下离心10分钟然后在分析之前通过0.45mm膜过滤器过滤来获得进料水和混合液的上清液。 通过TOC / TN-V分析仪（Shimadzu，Japan）测定总有机碳（TOC）和总氮（TN）。 化学需氧量（COD），氨，亚硝酸盐，氮和总磷（TP）使用比色法用分光光度计（DR 3900，HACH，USA）测量。 阳离子浓度（即Ca2 ，Mg2 ）通过电感耦合等离子体发射光谱法测定（ICP-OES，Optima）8000，Perkin Elmer，USA）。 通过分析细胞外聚合物（EPS）的浓度和MBR渗透物中的多糖和蛋白质来确定细胞外聚合物（EPS）的含量。多糖浓度根据苯酚 - 硫酸法以葡萄糖作为标准测定，并使用光谱仪（HACH，USA）在490nm处测量吸光度（Dubois等，1956）。 蛋白质浓度通过Bradford方法测定，牛血清白蛋白（BSA）为标准，吸光度测量为595 nm（Bradford，1976）液相色谱 - 有机碳检测器（LC-OCD）分析仪（LC-OCD Model 8，DOC-LABOR，德国），尺寸排阻色谱系统，结合有机碳检测和有机氮检测，用于量化样本中溶解的有机组分。根据分子量和分配将有机物主要部分分离成不同的馏分组，如生物聚合物（通常MWgt; 10 kDa），腐殖质（MW~500 Da），构件（MW~300Da），低分子量有机酸（MW~200e250Da）和中性（MW lt;200Da）。 LC-OCD系统和分析的细节在文献中描述（Huberet al。，2011）。
2.2.2总生物量浓度
生物反应器中的总生物质浓度定义为混合液悬浮固体（MLSS）和生物载体上的总附着生长生物质的总和。 通过超声（10分钟）和涡旋（1分钟）提取生物载体上附着的生长物质。 通过将每个生物载体提取的附着生长生物质与生物反应器中生物载体的总数相乘来估计总附着生长生物量。 根据标准方法（American Public Health et al。，2005）测量MLSS和生物质浓度。
2.2.3 膜解剖
在膜过滤测试结束时，将
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