魏源送,鄭利兵,張 春，郁達(dá)偉,王亞煒，鄭嘉熹,岳增剛,王 鋼

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100085;2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心水污染控制實驗室，北京 100085; 3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049; 4.北京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029； 5.華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟寧 272400)

隨著全球水資源短缺與水污染、水生態(tài)問題的不斷惡化，再生水回用的研究和應(yīng)用已有超過半個世紀(jì)的歷史，成為國際公認(rèn)的“城市第二水源”[1-2]。我國也積極推進(jìn)再生水的回用，2015年再生水產(chǎn)量達(dá)0.276 2億m3/d，回用量45.3億m3，再生水回用率達(dá)到10%左右[3-4]，“水十條”和 “十三五”規(guī)劃等明確要求進(jìn)一步提高污水處理率和再生水回用率，對工業(yè)的取水和用水做了顯著的限制。因此，再生水將成為我國工業(yè)用水的重要水源之一。

熱電廠是工業(yè)用水大戶，我國熱電廠用水占總用水量的8%[5], 在美國則是最大的工業(yè)用水戶[6]。熱電廠用水的80%～90%是循環(huán)冷卻水，水質(zhì)要求不如飲用水嚴(yán)格。隨著污水處理率的逐步提高和污水處理設(shè)施的擴大建設(shè)，大部分熱電廠可以獲取穩(wěn)定的中水水源，因此熱電廠中水回用在全球得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。熱電廠中水回用既解決了電廠水資源短缺問題又實現(xiàn)了城市污水的二次利用，既經(jīng)濟高效又節(jié)能環(huán)保[7-8]。我國采用中水作為熱電廠補給水源的研究與應(yīng)用起步較晚[9]，隨著水資源與水環(huán)境問題的惡化，國家頒布“水十條”等政策對熱電廠用水作了嚴(yán)格限制，并大力推廣熱電廠工業(yè)節(jié)水及水回用。因此越來越多的熱電廠特別是新電廠或電廠新建工程開始使用再生水，同時舊電廠的改造也勢在必行，再生水替代常規(guī)水源已成為解決水資源短缺的不可或缺的重要舉措。為解決水源轉(zhuǎn)換引起的新問題，再生水深度處理工藝的研究與推廣應(yīng)用將受到高度重視與關(guān)注。

本文在總結(jié)目前熱電廠中水回用的現(xiàn)狀、水源轉(zhuǎn)換所引起的主要問題、主流的中水深度處理工藝及其國內(nèi)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，重點分析了中水深度處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀、膜污染形成機制與控制策略，并對其應(yīng)用趨勢與發(fā)展前景進(jìn)行了分析和展望。

1 熱電廠中水回用存在的主要問題及其解決策略

熱電廠用水主要包括循環(huán)冷卻水、鍋爐補給水以及廠區(qū)生活用水，其中循環(huán)冷卻水約占用水總量的80%～90%。目前，中水已在國內(nèi)外熱電廠得到了廣泛應(yīng)用，是電廠非常重要的替代水源[8]。但熱電廠從新鮮水向中水進(jìn)行水源轉(zhuǎn)換時，中水中尚存的懸浮物、營養(yǎng)鹽、金屬離子、有機物及微生物等污染物在循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮后會顯著加劇腐蝕、結(jié)垢及微生物滋生等問題[10-12]。

腐蝕按照形成機制主要分為氯離子腐蝕、氨氮腐蝕和微生物腐蝕3類[10,13]。中水成分復(fù)雜，氯離子指標(biāo)未做限制，氨氮限值為5 mg/L，總糞大腸菌限值為1 000個/L，在循環(huán)系統(tǒng)中濃縮后會顯著加劇腐蝕現(xiàn)象。同時不同類型的腐蝕方式之間會形成協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而惡化腐蝕現(xiàn)象。解決腐蝕問題的主要策略包括去除污染物、殺菌消毒以及耐腐蝕性材料應(yīng)用等。

結(jié)垢是熱電廠中水回用過程的另一個棘手問題，中水中的鈣、鎂、鐵、磷酸鹽、二氧化硅、硅酸鹽等物質(zhì)在一定的堿度、硬度和溫度下在管道及冷凝器上結(jié)晶沉淀形成化學(xué)垢，導(dǎo)致管道輸水效率下降甚至堵塞，影響熱交換并降低熱效率。目前化學(xué)垢防治常采用如下策略：①降低硬度及結(jié)垢類離子的濃度；②調(diào)節(jié)pH值，降低結(jié)垢物質(zhì)的結(jié)垢潛勢；③投加阻垢劑，阻止或干擾難溶性無機鹽形成沉淀、結(jié)垢[14-15]。

微生物滋生是電廠中水水源轉(zhuǎn)換過程的另一個重要問題，中水中的有機物、營養(yǎng)鹽和懸浮物等會顯著地促進(jìn)微生物生長繁殖，并釋放胞外聚合物形成穩(wěn)定的生物膜，形成嚴(yán)重的生物垢并加劇腐蝕現(xiàn)象。防治措施主要是防止微生物生長和進(jìn)行微生物滅活[16-17]，主要包括使用殺菌劑和應(yīng)用消毒策略。

為保障電廠設(shè)施的穩(wěn)定運行，我國規(guī)定電廠循環(huán)冷卻水和鍋爐補給水的進(jìn)水水質(zhì)需滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，中水熱電廠回用必須進(jìn)行深度處理以去除中水中的污染物，減輕腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生等現(xiàn)象，中水深度處理核心工藝包括防腐、阻垢、有機物去除、脫鹽和殺菌等。

2 熱電廠中水回用深度處理技術(shù)及國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

中水深度處理是減緩腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生問題的最根本手段，由于中水水質(zhì)的復(fù)雜性與用水標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性[18-19]，一般需要組合不同工藝以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。工藝流程通常為“預(yù)處理—主體工藝(—深度處理)”，同時結(jié)合阻垢和殺菌工藝以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性及產(chǎn)水的水質(zhì)。中水深度處理主體工藝經(jīng)歷了從過濾沉淀、石灰混凝到雙膜工藝的演變，目前熱電廠中水回用采用的主體深度處理工藝包括石灰混凝、膜分離、曝氣生物濾池(BAF)等。隨著水處理技術(shù)的發(fā)展和用水標(biāo)準(zhǔn)特別是對脫鹽和有機物去除要求的提高，其他新型工藝包括高級氧化、膜生物反應(yīng)器(MBR)、電滲析(ED)、離子交換、微生物燃料電池、電吸附、電去離子脫鹽(EDI)等也在熱電廠中水回用的預(yù)處理或深度處理中得到了研究和應(yīng)用。此外，隨著熱電廠內(nèi)部水回用及零排放的要求，中水回用過程中濃水的深度脫鹽以提高水回用率的需求也在增加，熱法脫鹽技術(shù)、膜蒸餾(MD)、ED等技術(shù)也逐漸應(yīng)用于熱電廠中水回用深度處理系統(tǒng)。

表1 以石灰混凝工藝為主體工藝的熱電廠中水回用工程

2.1 石灰混凝工藝

石灰混凝工藝是以石灰除硬與混凝過程為核心的工藝，通過去除硬度物質(zhì)、懸浮物及少量有機物達(dá)到阻垢的目的，并一定程度上降低水中細(xì)菌和病毒的濃度。石灰混凝法是隨著中水回用鈣鎂結(jié)垢問題逐漸暴露出來后替代傳統(tǒng)的過濾或混凝工藝的第二代中水深度處理工藝，在國內(nèi)外熱電廠中得到了普遍應(yīng)用，其工藝流程如圖1所示。20世紀(jì)50年代，石灰混凝法就開始應(yīng)用于熱電廠循環(huán)冷卻水的處理[20]，國內(nèi)首次開展中水回用的華能熱電廠中水深度處理工藝采用了該方法[9]。

圖1 石灰混凝中水處理工藝流程

中水經(jīng)過石灰混凝后，需過濾或沉淀實現(xiàn)絮體的分離，其中變孔隙濾池[21]和機械攪拌澄清池[22]的應(yīng)用較多。混凝過程對有機物特別是小分子有機物的去除效率差，因此，結(jié)合生物工藝去除有機物等其他溶解性污染物可以保障中水的有效處理，是目前石灰混凝工藝的重要改進(jìn)，目前主要應(yīng)用的技術(shù)包括厭氧/好氧(A/O) 工藝和BAF工藝。內(nèi)蒙古華寧熱電公司采用A/O-石灰混凝組合工藝處理中水，有效去除有機物、懸浮物等污染物并降低堿度和硬度，保障熱電廠用水的穩(wěn)定性[23]。BAF也可有效去除中水的有機物和懸浮物，增加整體工藝的處理效率[24-25]。但石灰混凝工藝會引起pH值顯著增大(一般可達(dá)8～9)，提高了水中鈣鎂、磷酸鹽、硅類等的結(jié)垢潛勢。因此，中水經(jīng)石灰混凝后一般需加酸調(diào)節(jié)pH值。

石灰混凝工藝具有運行費用低、可有效去除污染物(有機物、懸浮物、硅類等)、無濃縮廢水排放且固體廢物便于處理的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)熱電廠循環(huán)冷卻水的中水回用工程，特別是早期建設(shè)投運的熱電廠中水回用工程(表1)[20-21,25-31]。由于石灰混凝法對有機物及鹽類的去除能力有限，腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生的問題仍然是中水回用的主要問題。隨著熱電廠用水標(biāo)準(zhǔn)的提高以及鍋爐和除氧器等補水也逐漸采用中水，對COD和脫鹽要求顯著提高，膜分離技術(shù)逐漸成為熱電廠中水深度處理的主流工藝。但石灰混凝法具有高效的除濁及除硬性能，仍廣泛用于膜工藝的預(yù)處理工藝，適用于舊工程項目的改造。

2.2 雙膜工藝

膜分離技術(shù)是以膜為過濾介質(zhì)在驅(qū)動力作用下進(jìn)行物質(zhì)分離的技術(shù)，具有分離效果好、分離速率快、操作管理簡單等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于中水深度處理。反滲透(RO)膜由于具有優(yōu)良的污染物(包括鹽類)截留效果，已成為中水深度處理的主流工藝，在熱電廠應(yīng)用中逐步替代石灰混凝工藝(表2)[32-45]。為減輕膜負(fù)荷和防止膜污染，RO過程對進(jìn)水水質(zhì)要求較高，一般要求淤泥密度指數(shù)(SDI)小于5，因此，為去除水中的膠體、有機污染物、懸浮物、大部分微生物等，通常采用微濾(MF)或超濾(UF)結(jié)合保安過濾器作為預(yù)處理工藝(即雙膜工藝)。雙膜工藝目前已成為熱電廠中水深度處理的主流工藝，得到了廣泛應(yīng)用[46-47]。

表2 以雙膜法為主體工藝的熱電廠中水回用工程

Jonas等[48]的研究發(fā)現(xiàn)，采用混凝-UF組合工藝可以有效控制RO膜污染，因此一般雙膜過程采用混凝沉淀/過濾工藝來保障工藝的穩(wěn)定運行。RO中水深度處理時，會有少量的離子跨膜傳質(zhì)，特別是在出現(xiàn)膜污染或膜破損的情況下。因此，為了進(jìn)一步保障產(chǎn)水的脫鹽效果，滿足除氧器用水或鍋爐補給水等更高的用水水質(zhì)要求，需進(jìn)一步進(jìn)行深度脫鹽處理，目前主要采用的工藝為離子交換和EDI。意大利某熱電廠[49]采用石灰混凝-UF-RO-離子交換工藝進(jìn)行中水深度處理與回用，發(fā)現(xiàn)雙膜工藝可顯著去除懸浮物、鐵、硅、磷、有機物和鹽離子等，而離子交換可以進(jìn)一步去除離子，實現(xiàn)超純水的生產(chǎn)，滿足熱電廠的回用要求。離子交換目前廣泛應(yīng)用于我國熱電行業(yè)，是雙膜工藝最常用的深度處理工藝[39，42]。湛江電力公司采用赤坎污水處理廠二級出水，經(jīng)雙膜+離子交換工藝深度處理后用作熱電廠鍋爐補給水，設(shè)計規(guī)模為8 400 t/h，處理后水的電導(dǎo)率和二氧化硅質(zhì)量濃度分別為0.069 μS/cm和2 μg/L，顯著低于鍋爐補給水的水質(zhì)要求[40]。張旭明[42]研究了多介質(zhì)過濾器-UF-一級RO-二級RO-混床組合工藝的深度處理中水效果，發(fā)現(xiàn)兩級RO和混床結(jié)合不僅顯著地脫鹽，而且降低了整體深度處理系統(tǒng)的運行維護(hù)成本。

ED和EDI是目前中水和工業(yè)廢水回用領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點方向，即通過離子交換膜與電場的結(jié)合實現(xiàn)高效的離子去除，作為雙膜法的深度處理工藝(即全膜法)。隨著熱電廠零排放概念的不斷深入和推廣，全膜法在熱電廠水處理中得到一定的研究與應(yīng)用[50-51]，滿足更高的用水需求，同時可實現(xiàn)濃水的濃縮和鹽回收。全膜法基本流程如圖2所示，預(yù)處理主要去除懸浮物、硬度物質(zhì)、部分有機物及氮磷等營養(yǎng)鹽，包括混凝、石灰除硬、吸附、高級氧化等工藝。RO過程進(jìn)一步去除鹽離子、有機物及其他污染物。后處理過程包括：①為滿足更高的水質(zhì)需求，對RO產(chǎn)水采用ED、離子交換、EDI等工藝進(jìn)一步脫鹽，并結(jié)合臭氧氧化和殺菌去除有機物和微生物；②為滿足零排放要求， RO濃水采用高級氧化、吸附等工藝去除有機物；采用熱法、ED、MD等技術(shù)深度脫鹽，實現(xiàn)更高的水回收率，回收鹽類，實現(xiàn)零排放或近零排放。目前隨著熱電廠用水要求的提高和零排放概念的普及，全膜法中水深度處理工藝在國內(nèi)熱電廠中受到了廣泛關(guān)注，并逐步得到了工程應(yīng)用。遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電公司采用BAF-雙膜-EDI組合工藝進(jìn)行中水深度處理，制備除鹽水用于鍋爐補給，除鹽水制水量為102 t/h，目前該系統(tǒng)已運行9年，仍可保障穩(wěn)定的產(chǎn)水[43]。大連泰山熱電廠采用雙膜-EDI工藝深度處理中水以滿足超高壓鍋爐補給水的水質(zhì)要求，每年節(jié)約淡水625萬m3，節(jié)省資金1 800多萬元[44]。

圖2 熱電廠全膜法中水深度處理工藝流程

2.3 其他中水回用深度處理工藝

熱電廠中水回用早期，中水深度處理主要關(guān)注懸浮物和有機物的去除，對水質(zhì)要求較低，因此一些基于微生物處理的技術(shù)也是熱電廠中水深度處理的常用工藝，最受關(guān)注的是BAF和 MBR。申亮等[52]采用BAF-高效混凝沉淀組合工藝處理污水處理廠二級出水，出水各項指標(biāo)均能達(dá)到熱電廠要求。國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司采用二級生物濾池去除有機物及氮磷，同時采用UF去除懸浮物，實現(xiàn)了中水回用系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[53]。浙能長興電廠3萬t/d 城市中水綜合利用項目、浙江浙能長興發(fā)電有限公司6萬t/d城市污水回用項目均采用曝氣生物流化床(ABFT)工藝，保障循環(huán)冷卻水的安全[54-55]。國電內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司采用兩級過濾膜生物反應(yīng)器(DF-MBR)深度處理城市中水，出水水質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)濟效益顯著，投資回報率高[56]。內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋發(fā)電廠以二級出水為補給水源，采用MBR-UF工藝實現(xiàn)了污水資源化[57-58]。由于BAF和MBR存在鹽離子類物質(zhì)去除效果的限制，隨著熱電廠用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，BAF和MBR工藝目前主要作為預(yù)處理工藝在熱電廠中應(yīng)用。BAF預(yù)處理技術(shù)既可以與石灰混凝法聯(lián)用，解決石灰混凝法對有機物去除能力有限的問題[21,31]；又可以作為膜過程的預(yù)處理工藝，降低膜過程的有機負(fù)荷，緩解膜污染問題[32,34,43]。MBR工藝在熱電廠主要作為RO的預(yù)處理，已被證明是優(yōu)于UF/MF的預(yù)處理工藝[59-60]，例如，MBR-RO工藝是新加坡NEWater項目的一項關(guān)鍵技術(shù)[61]，MBR工藝可以替代污水處理廠傳統(tǒng)的二級處理工藝，其出水采用RO深度處理，可簡化中水深度處理流程。

隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，其他新型技術(shù)也在熱電廠中水回用中得到了應(yīng)用，如前述的ED和EDI工藝，在全膜法工藝中廣泛應(yīng)用。納濾(NF)是介于UF和RO之間的壓力驅(qū)動膜工藝，具有良好的有機物去除和分鹽作用，逐漸應(yīng)用于中水深度處理。Li等[62]研究發(fā)現(xiàn)，采用NF處理城市中水可有效去除有機物和鹽類，滿足水回用要求與地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。NF也常與MBR組合用于中水的處理，MBR可顯著實現(xiàn)有機物和懸浮物的去除，進(jìn)而降低NF膜污染。Cartagena等[63]研究發(fā)現(xiàn)MBR-NF過程可以有效實現(xiàn)城市中水中鹽類、有機物和氮磷的去除，且表現(xiàn)出與MBR-RO過程相似的污染去除效果，因此MBR-NF可以有效地應(yīng)用于中水深度處理。尹星等[64]的研究也發(fā)現(xiàn)MBR-NF處理城市中水可以滿足循環(huán)冷卻水的水質(zhì)要求。在熱電廠應(yīng)用方面，NF已經(jīng)在脫硫廢水處理中得到了廣泛研究[65]，在循環(huán)冷卻水和鍋爐補給水方面也得到一定的關(guān)注。Colburn等[66]采用NF處理電廠洗刷廢水，發(fā)現(xiàn)超過10 g/L TDS的廢水可實現(xiàn)80%水回收，鈣、鎂、硫酸根及重金屬的截留率都高于91%。Dow等[67]采用NF處理某電廠循環(huán)水排污水，溶解性總固體和總硬度的去除率達(dá)90%以上，鹽類去除率達(dá)80%以上，出水水質(zhì)符合工業(yè)用水和循環(huán)水補水的水質(zhì)要求。李樂等[68]針對某電廠的水庫補水進(jìn)行NF深度處理研究，鹽類和有機物去除率分別高于80%和60%，其研究認(rèn)為采用NF產(chǎn)水作為循環(huán)水冷卻塔補水可大幅提高濃縮倍率，減少水庫水取水量140.2萬m3/a。目前NF在熱電廠中水回用深度處理工程中的應(yīng)用還未見報道，但鑒于NF對懸浮物、膠體、有機物、鹽類的高效截留效果及更低的操作壓力,及其可與RO組合實現(xiàn)高品質(zhì)產(chǎn)水與長期穩(wěn)定運行[69]，預(yù)期NF將在未來的熱電廠中水回用工程中得到廣泛應(yīng)用。

MD是一種熱驅(qū)動膜工藝，結(jié)合了熱法和膜法的優(yōu)勢，通過疏水膜實現(xiàn)水與溶質(zhì)的分離，是一種高效脫鹽技術(shù)。MD廣泛應(yīng)用于海水淡化和苦咸水軟化，近年來逐漸應(yīng)用于高濃高鹽廢水如工業(yè)廢水、RO/NF濃水等處理[70]，是再生水深度處理系統(tǒng)一種有效的零排放工藝。MD目前在脫硫廢水深度處理與零排放技術(shù)中得到了一定研究，是熱電廠工業(yè)水處理的重要儲備技術(shù)[71-72]。由于具有較高的污染物濃度適應(yīng)性且產(chǎn)水質(zhì)量優(yōu)良，MD常用來深度處理RO或NF的濃水，提高水回收率并實現(xiàn)零排放。Yan等[73-74]采用直接接觸式膜蒸餾(DCMD)深度處理RO濃水，發(fā)現(xiàn)可以有效地實現(xiàn)所有離子高于99%截留。Naidu等[75]考察了MD對RO中水回用系統(tǒng)的濃水處理效率，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)85%的水回收率和99%的鹽截留率，顯著提升了水利用率。目前，電廠零排放的概念逐漸深入，熱電廠對中水回用、工業(yè)廢水回用及水利用率的要求也在不斷提高，因此，膜濃水處理的要求愈加迫切，MD可以實現(xiàn)濃水的脫鹽與濃縮，進(jìn)而提高水利用率與實現(xiàn)零排放，未來將在熱電廠水回用深度處理中得到廣泛的關(guān)注。

針對中水深度處理問題，其他新型的工藝和材料也日益受到關(guān)注，包括物理法、高級氧化及催化氧化技術(shù)、微生物處理技術(shù)、新型膜技術(shù)、高效吸附材料、催化材料、復(fù)合材料和納米材料等。雖然目前大多處于實驗室階段，但可以預(yù)期隨著材料科學(xué)和水處理技術(shù)的發(fā)展，將會逐漸實現(xiàn)工程應(yīng)用，也將在熱電廠中水深度處理中得到應(yīng)用。

3 RO膜污染問題及控制

膜分離技術(shù)已經(jīng)成為熱電廠中水深度處理的主流工藝，但中水含有的微量懸浮物、有機物、陰陽離子、硅類、微生物等物質(zhì)會導(dǎo)致膜出現(xiàn)有機、無機、微生物的污染，造成顯著的污堵現(xiàn)象。RO膜為致密無孔膜，操作壓力高，污染物濃縮率高，更易出現(xiàn)膜污堵，導(dǎo)致反沖洗頻繁，降低膜的使用效率，甚至出現(xiàn)膜破損的風(fēng)險，是熱電廠雙膜法中水回用的限制因素。

3.1 膜污染機制研究

膜污染是中水深度處理過程的主要問題，影響處理工藝的效果、操作復(fù)雜度與運行成本及膜壽命。膜污染主要分為無機污染、有機污染和微生物污染，受地區(qū)水質(zhì)、污水處理廠處理工藝、中水輸運過程及中水預(yù)處理工藝等因素的影響，因此膜污染形成機制復(fù)雜，通常以復(fù)合污染形式出現(xiàn)。無機污染主要是無機鹽結(jié)晶，其主要原因是中水中無機鹽類在循環(huán)使用時會實現(xiàn)4～10倍的濃縮[76]，因此出現(xiàn)表面結(jié)晶和體相結(jié)晶的現(xiàn)象。同時，有機物和微生物的存在會顯著促進(jìn)無機結(jié)垢，主要原因是天然有機物和微生物胞外分泌物由于存在羥基和羧基等基團，易與無機鹽結(jié)合，促進(jìn)其沉積[77-79]。有機污染是RO中水處理過程非常重要的膜污染組成，大量研究表明中水中的有機物組成和天然水體中的有機物組成存在顯著差異[18,80]，特別是經(jīng)過循環(huán)濃縮后污染物濃度顯著增加，極易在膜表面沉積，形成致密覆蓋層。有機污染的主要組成包括天然有機物(NOM)、污水處理過程形成的有機物(EfOM)、微生物生長代謝形成的胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物聚合物(SMP)，疏水性有機物易與膜表面結(jié)合，可以作為微生物和無機物在膜表面沉積的橋梁，促進(jìn)微生物污染和無機污染。EPS和SMP類物質(zhì)保護(hù)微生物，可使微生物對殺菌劑的耐受性提高甚至高達(dá)1000倍[81]，也是微生物膜的主要成分。膠態(tài)物質(zhì)也是膜污染的重要組成，主要包括多糖、蛋白質(zhì)等有機大分子和硅、鋁、鐵等無機水解高分子[82]。

微生物污染是RO過程最難以解決的問題，也是最重要的膜污染組成，其在預(yù)處理階段難以得到有效控制，且微生物組成類型多，受多種外界條件影響，形成機制復(fù)雜，也是目前膜污染研究中理解最為粗淺的部分[83]。目前微生物污染研究存在很大的差異，未形成統(tǒng)一的觀點。Khambhaty等[84]認(rèn)為γ-Proteobacteria是RO過程最主要的微生物，包括Pseudomonas、Xanthomonas和Sphingomonas三類。一些其他研究也支持γ-Proteobacteria細(xì)菌是主要的微生物組成的觀點[85-86]，但也有研究者發(fā)現(xiàn)α-Proteobacteria或β-Proteobacteria是主要的微生物組成[87-88]。上述研究結(jié)果不同的主要原因是微生物群落結(jié)構(gòu)受水質(zhì)、阻垢劑、殺菌劑、環(huán)境及操作條件、化學(xué)清洗試劑等諸多因素的影響，因此難以達(dá)成一致觀點，也是膜污染形成機制復(fù)雜的最主要原因[89-90]。Tan等[86]研究發(fā)現(xiàn)使用非氧化性殺菌劑可以促進(jìn)Pseudoxanthomonas的生長，主要原因是γ-Proteobacteria對非氧化性殺菌劑具有更高的耐受性。Zheng等[91]研究發(fā)現(xiàn)微生物在膜污染層呈現(xiàn)顯著的垂直分布現(xiàn)象，認(rèn)為化學(xué)清洗和殺菌劑的投加是微生物群落垂直分布形成的催化劑，γ-Proteobacteria是膜污染形成的先鋒污染物，在污染層底部具有高豐度。因此建議采用多種殺菌劑復(fù)配使用或交替使用的策略，防止特定微生物形成成熟的生物膜。

膜污染是膜分離技術(shù)的限制性因素，但膜污染問題不可避免，膜預(yù)處理過程是解決膜污染的有效手段，預(yù)處理工藝的開發(fā)也是膜技術(shù)深度處理中水的重要研究方向；同時，膜污染的解析與形成機制分析、膜清洗策略的制定與實施也是膜技術(shù)用于中水深度處理的重要議題。膜法中水回用的第二個重點是系統(tǒng)管理，包括預(yù)處理系統(tǒng)和RO系統(tǒng)的運行工況實時監(jiān)測與控制，其中預(yù)處理系統(tǒng)的控制主要是預(yù)處理系統(tǒng)出水的水質(zhì)控制，保障RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。RO系統(tǒng)的控制主要包括膜產(chǎn)水水質(zhì)、跨膜壓差、膜污染的實時監(jiān)測以及膜反沖洗與清洗策略的制定與實施。

總體而言，膜污染機制研究依然是中水回用領(lǐng)域的重要研究方向，得到了廣泛關(guān)注。目前，隨著分析檢測技術(shù)的發(fā)展，一些新型測試方法如透射顯微鏡技術(shù)(TEM)、光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(OCT)、X射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜(RS)、盧瑟福背散射能譜(RBS)、電子自旋共振(ESR)、核磁共振譜(NMR)和微生物群落結(jié)構(gòu)分析與基因組學(xué)分析等逐步應(yīng)用于膜污染分析，促進(jìn)了膜污染形成機制研究的發(fā)展[92]。但膜污染受諸多條件影響且存在變化演替過程，因此很難得到非常一致的結(jié)論。為了實現(xiàn)膜污染控制，針對具體問題具體分析，需結(jié)合膜污染組成、分布與形成原因的分析制定有效的膜污染控制策略。

3.2 膜污染控制策略

膜污染控制是實現(xiàn)膜技術(shù)高效穩(wěn)定運行的有效保障。膜污染機制研究的主要目的之一是服務(wù)于膜污染控制，目前膜污染控制主要策略包括殺菌阻垢、中水預(yù)處理、膜在線和離線的化學(xué)清洗以及膜工藝的科學(xué)運行管理，其中預(yù)處理工藝是控制RO膜污染的最重要的控制措施。

RO對進(jìn)水有嚴(yán)格的限制，一般要求SDI小于5、余氯低于0.1mg/L、濁度低于1NTU等。預(yù)處理工藝主要是降低中水的懸浮物、膠體、有機物、微生物等濃度，調(diào)整溫度和pH值，抑制和控制微溶鹽、金屬氧化物和硅的沉積，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的膜污堵[93]。目前預(yù)處理工藝主要包括混凝沉淀、膜過濾、MBR、吸附、高級氧化等。

目前膜技術(shù)如MF、UF是RO最常用的預(yù)處理技術(shù)，可以有效截留懸浮物、微生物和有機物。微生物方法也是去除有機污染的常用方法，在熱電廠中水深度處理中得到了較多應(yīng)用，但微生物法的缺陷是無機污染物的去除能力有限，并易受水質(zhì)影響，導(dǎo)致微生物失活和去除效果不穩(wěn)定。微生物與膜結(jié)合的MBR工藝近年來在RO預(yù)處理過程中受到廣泛關(guān)注，也是污水處理廠升級工藝實現(xiàn)中水回用的主要技術(shù)改造手段。針對有機物問題，吸附和催化工藝也得到了廣泛應(yīng)用，新型的吸附材料、催化材料及復(fù)合材料目前得到越來越多的開發(fā)和應(yīng)用。針對微生物和無機結(jié)垢問題，殺菌阻垢是中水回用中防止管道及相關(guān)構(gòu)筑物腐蝕或結(jié)垢的重要手段，新型殺菌劑和阻垢劑的開發(fā)也是水回用領(lǐng)域的重點研究方向。由于微生物的多樣性和垂直分布特征[91]，高效復(fù)合殺菌劑及其復(fù)配應(yīng)用應(yīng)該在中水深度處理中得到重視。

總之，混凝-過濾-膜分離是最常見的RO預(yù)處理技術(shù)，具有技術(shù)成熟、操作簡單等優(yōu)點。隨著技術(shù)發(fā)展，目前MBR、活性炭吸附、高級氧化等技術(shù)的工程應(yīng)用也越來越多。為防止腐蝕和結(jié)垢，殺菌與阻垢是中水回用兩個不可缺少的環(huán)節(jié)，是保障RO系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段；同時，保安過濾器作為RO系統(tǒng)最后一道防線，在實際應(yīng)用中必須設(shè)置。

4 結(jié)語與展望

城市中水回用于熱電廠主要具有以下優(yōu)勢：①價格優(yōu)勢；②中水經(jīng)一定處理可滿足熱電廠的水質(zhì)要求；③中水資源豐富，特別是隨著城鎮(zhèn)污水處理率和處理規(guī)模的進(jìn)一步提高。因此，隨著我國對熱電廠用水的政策限制和工業(yè)零排放要求的日益嚴(yán)格，城市中水將成為今后熱電廠的重要水源，熱電廠中水回用的需求與比例將進(jìn)一步擴大。但中水所含的懸浮物、有機物、鹽類等污染物是限制熱電廠中水回用的主要因素，如何經(jīng)濟高效地緩解結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生將是實現(xiàn)熱電廠中水回用的關(guān)鍵。今后熱電廠中水回用的研究與應(yīng)用將在以下幾方面得到進(jìn)一步發(fā)展：

a. 新建熱電廠將全面實現(xiàn)中水回用，以雙膜法為主體的深度處理工藝將得到更為廣泛的推廣應(yīng)用，石灰混凝+雙膜工藝將是已建熱電廠中水回用升級改造的主流工藝。其他如吸附、高級氧化、微生物處理、MBR技術(shù)等也將逐步得到應(yīng)用，一些新型水處理技術(shù)包括磁混凝、MD、正滲透等將逐步應(yīng)用于熱電廠的中水回用，新型組合工藝開發(fā)將是實現(xiàn)中水深度處理的重要突破點。

b. RO膜污染控制及其穩(wěn)定運行是中水回用的重點，其預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)化及新型預(yù)處理技術(shù)的開發(fā)、膜污染機理及其控制研究等將成為中水回用領(lǐng)域的熱點。為滿足日益提高的水質(zhì)、水回用率和零排放需求，RO產(chǎn)水的深度脫鹽和RO濃水深度處理將是今后膜法深度處理工藝的難點與熱點。

c. 新型污水處理材料包括吸附劑、過濾介質(zhì)、催化劑、膜材料等將越來越多地應(yīng)用于熱電廠的中水回用，新型復(fù)合材料制備及其推廣應(yīng)用將是推動中水回用技術(shù)發(fā)展的重要突破點。同時，新型環(huán)保型阻垢劑與殺菌劑的研發(fā)與應(yīng)用也是熱電廠中水回用的一個重要研究方向。

d. 覆蓋預(yù)處理、膜處理和后處理的全過程智能化管理與監(jiān)控將是今后熱電廠中水回用研究與應(yīng)用的熱點。