随着人口增长和气候变化，越来越多的国家和地区面临着水资源短缺、供水不足的问题。城市污水作为重要的潜在淡水资源，其高效处理与有效回用的闭路水循环理念得到了越来越多的重视。回用水可直接用于工业生产、间接非饮用水用途、灌溉、地下水补给、地表水补充等。新加坡南洋理工大学研究团队提出一种好氧颗粒污泥膜生物反应器-反渗透（aerobic granular sludge membrane bioreactor-reverse osmosis，AGSMBR-RO）耦合工艺（见图1）用于实现市政污水的高效处理与高品质水回用。研究表明，添加亚铁盐可显著提高好氧颗粒污泥的稳定性和污水磷去除率，且可显著缓解耦合工艺膜系统的污染问题。
图1 AGSMBR-RO工艺示意图
如表1所示，在第一阶段（无额外铁投加）和第二阶段（亚铁投加量为6 mg-Fe/L）中，AGSMBR单元中的溶解有机碳浓度（DOC）平均去除率分别为92.9％和95.3％。研究发现第一阶段的混合液中小分子量物质占总DOC的83％以上，而第二阶段大分子生物聚合物占主导地位，为46.1％。因此，在第二阶段中微滤膜对于DOC的截留效率显著提升。AGSMBR单元中氨氮的去除率稳定为95.4％，出水氨氮，亚硝氮和硝氮的平均浓度分别为1.62 mg/L，0.55 mg/L和16.6 mg/L。此外，AGSMBR中的出水磷浓度在第一阶段从5.3±0.6 mg/L降至3.8±0.6 mg/L，在第二阶段进一步降至2.0±0.4 mg / L。这些表明通过添加亚铁离子可显着提高除磷效果。反渗透装置进一步去除了AGSMBR出水中95.5％的DOC，91.0％的硝氮和92.4％的氨氮。总体而言，AGSMBR-RO工艺可以去除将近99.9％的DOC，99.7％的氨氮和几乎100％的磷酸盐，出水可达新加坡新生水水质标准，可用作工业用水和间接饮用水。
表1 AGSMBR-RO工艺出水水质
n.d.: not detectable.
迄今为止，越来越多的国家采用了日益严格的磷排放标准。在中国许多地区，PO43--P的地表水排放浓度已低于0.3 mg/L。另一方面，传统的强化生物除磷工艺出水不能产生满足如此低的磷排放标准。因此，近年来化学除磷重新回到水处理视野。本研究表明，在AGSMBR-RO工艺中投加亚铁离子后，其磷酸盐去除率为64％，而99％的剩余磷被后续的RO单元进一步截留，并实现近完全去除。另一方面，在铁离子的絮凝作用下，AGSMBR中悬浮污泥造成的膜污染明显减低。与第一阶段相比，第二阶段AGSMBR的运行周期可以延长三倍（见图2），这意味着与AGSMBR中的膜清洁相关的能耗和运行成本可以大大降低。此外，添加的亚铁还可以作为絮凝剂使AGSMBR中可溶性小分子量物质团聚，强化AGSMBR反应器对DOC的截留率，并降低其对后续RO单元的膜污染速度。
图2 AGSMBR单元中TMP变化图
当前，用于废水处理的AGS工艺多以SBR模式运行，而在连续流系统中，AGS的稳定性仍然具有较大挑战。在AGSMBR中添加亚铁可改善AGS的稳定性。据报道，包括铁在内的多种多价阳离子能够与多糖和蛋白质交联，从而形成高度稳定的胞外聚合物基质（见图3），有利于维持AGS的稳定性。
图3 取自第0天（a），第30天（b）和第60天（c）AGS的激光共聚焦图.（紫色:total cell; 红色: α-Mannopyranosyl andα-glucopyranosyl sugars; 绿色:protein and amino-sugars; 蓝色: β-1,4and β-1,3 polysaccharides）
由此可知，在AGSMBR-RO系统中投加一定量的亚铁可以起到一石三鸟的作用，即降低膜污染速率、改善除磷去除率以及提高AGS稳定性。本研究报道的亚铁盐投加强化MBR-RO组合工艺的技术可为市政污水回用提供可行的技术方案，推动水资源可持续发展。
原文信息：
Wang, S., Chew, J.W. and Liu, Y. (2020) Development of an integrated aerobic granular sludge MBR and reverse osmosis process for municipal wastewater reclamation. Sci. Total Environ. 748, 141309.
