水是自然资源的重要组成部分，随着社会经济与工农业不断发展、气候变化和全球人口激增，造成水资源短缺，而用水需求量和污水产生量均飞速增长。我国水资源匮乏和水资源污染问题十分突出，已成为制约我国经济社会可持续发展的瓶颈。城市污水厂的尾水，作为一种水质稳定的水源，可用于河湖、景观水体的补水，以解决水少的问题，但其水质仍属于GB3838—2002《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类水，不适合长期补给河湖和景观水体。尾水作为再生水具有显著的经济、社会、生态效应，如减少污染物排放，节约成本，提高水资源的综合利用率，减小河湖水体的污染负荷等。城市污水再生化已逐渐成为缓解水资源供需矛盾的重大举措。
目前国内外的再生水处理技术主要有物化和生化2类：物化技术包括混凝过滤、活性炭吸附、臭氧氧化、膜分离、氯消毒等，生化技术包括生物滤池、膜生物反应器、A/A/O、氧化沟、序批式生物反应器(SBR)和AB法等。处理工艺有混凝-沉淀过滤-消毒、超滤-活性炭、臭氧-活性炭-反硝化生物滤池、膜生物反应器-反渗透、膜生物反应器-臭氧消毒、微滤-反渗透等。同时，城镇污水处理厂目前也面临污泥处置的难题，污泥的产量大、成分复杂，大部分的污泥并未经过稳定化和无害化的处理处置，易造成二次污染。推广污泥减量化的技术，从源头上减少污泥的产量也不容忽视。相较于传统的活性污泥法，膜生物反应器(membranebioreactor，MBR)通过膜分离取代二沉池，使其泥水分离效果更为明显，且高效截留活性污泥和大分子物质而无污泥膨胀之虞。由于其具有出水水质好、污泥浓度高、剩余污泥产量低和占地少等优点，使其可能实现以零污泥排放的方式运行，同步实现污水和污泥的处理。
传统纳滤作为介于超滤和反渗透之间的膜分离技术，因具有操作压力较低，节能，出水水质好，对无机物、有机物和病毒均有良好的分离效果等优势，被广泛用于水质改善、水软化、污水处理及回用、染料和重金属的浓缩等方面。超低压纳滤(DF)与传统纳滤相比，具有更低的操作压力(<0.4MPa)和运行成本，在相同的操作压力下具有较高的出水量，截留分子量为100～500Da，广泛应用于再生水深度处理。
近期研究表明，MBR在与其他传统脱氮除磷的工艺(AO、SBR、A2/O、移动床等)结合后，可有效提高脱氮除磷的效果，且有助于MBR膜污染的缓解与控制。针对污泥的减量化和再生水的高品质化问题，笔者建立一套MBR-DF中试系统和传统活性污泥法处理工艺(CAS)系统，分析其运行特性及对城镇污水的处理效果。
1、材料与方法
1.1 试验装置
于北京市海淀区某再生水厂内构建了2套中试系统，分别为MBR-DF系统和CAS系统，工艺流程如图1所示。其中，MBR系统出水作为DF系统进水，DF系统外排的浓水通过回流至MBR系统的厌氧池内，使MBR-DF系统以浓水零排放的方式运行。2套系统设计进水量均为25m3/d。其中MBR系统以恒通量的模式运行，采用变频泵进行间歇抽吸出水，抽停时间比为7min/1min。2套系统中的厌氧池和缺氧池均设置潜流搅拌器，好氧池内设置微孔曝气装置，并在MBR膜池内设置穿孔曝气管，为池内微生物供氧和吹扫膜组件表面的污染物。2套系统中厌氧池、缺氧池、好氧池的水力停留时间(HRT)均分别为2.2、3.8和5.0h，而MBR膜池和二沉池的HRT均为3.0h。试验选用北京市某单位生产的型号为DF30-8040的超低压纳滤膜，材质为聚哌嗪酰胺复合材料。
1.2 监测指标及方法
各系统的常规监测指标包括进出水的COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP、PO43-、pH、TDS、总硬度、DOM、内分泌干扰素(EDCs)、HCO3和SO42-。各指标的检测方法与主要仪器如表1所示。
1.3 DOM三维荧光光谱分析
采用三维荧光光谱(EEM)技术进行DOM分析，EEM被广泛用于污水或天然水体的DOM以及藻类荧光识别等研究中。其原理是，具有荧光特征的基态能级的有机物在受到紫外-可见光激发后，跃迁到激发态，因不稳定，跃迁回到基态能级，并以光的形式(荧光)释放能量。EEM既可定性分析DOM的组分，亦可结合数学分析方法进行半定量分析。
采用荧光分光光度计(F-7000FL，Hitachi，日本)测定样品的三维荧光光谱，选用3-DScan模式，激发波长(Ex)为200～450nm，发射波长(Em)为260～550nm，激发扫描间距为5nm，发射扫描间距为5nm，扫描速度1200nm/min，激发和发射的狭缝宽度均为5nm，设置PMT电压为700V，响应速度0.5s。空白水样为Milli-Q超纯水(电阻率为18.2MΩ·cm)。用寻峰(peak-picking)法分析EEM谱图中有机物的荧光特征。
1.4 EDCs分析
采集的水样于24.0h内完成富集。采用OasisHLB通过固相萃取(solidphaseextraction，SPE)的方法完成对水样中EDCs的提取与富集，主要步骤参照文献。富集前，先将0.7μm玻璃纤维滤膜(GF/F，Whatman)置于450℃的马弗炉中灼烧2.0h，然后用其过滤水样，以去除水样中的杂质。
对提取富集后的样品进行GC-MS分析，所用载气为高纯氦气(纯度大于99.999%)，毛细管色谱柱为HP-5MS(30m×250μm×0.25μm)。GC-MS条件设置：初始温度150℃保持2min，以10℃/min升温至260℃，再以15℃/min升至300℃保持1min，进样1μL，进样时进样口温度保持在280℃，辅助加热区温度保持在310℃。先用全扫描(fullscan)模式对样品进行定性分析，再用选择离子监测(SIM)模式对样品进行定量分析。
1.5 试验方法
试验采用北京市海淀区某再生水厂的膜格栅后的城市污水作为原水，其进水水质：COD为87.0～165.7mg/L、NNH4+-N浓度为14.0～31.0mg/L、TN浓度为14.2～32.4mg/L、TP浓度为2.5～3.3mg/L。采集MBR-DF系统进水、MBR出水和DF出水置于1.0L的棕色样品瓶中，置于4℃冰箱保存，待测。
2、结果与讨论
2.1 MBR-DF系统对主要污染物的去除
2.1.1 COD的去除
进水中大部分的COD由MBR系统的微生物代谢消耗和纳滤膜截留共同去除。MBR-DF系统对总进水COD的平均去除率为95.7%，其中MBR系统对总进水COD的平均去除率为88.1%，而DF系统对总进水的COD去除率为7.6%，出水COD小于10.0mg/L，满足GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质要求。
2.1.2 氮、磷和TOC的去除NH4+-N和NO3--N的去除
如图2所示。从图2(a)可以看出，进水NH4+-N浓度为14.0～31.0mg/L，MBR出水和DF出水NH4+-N浓度分别低于1.0和0.1mg/L，表明MBR对NH4+-N的去除效果好且出水稳定，而DF系统可进一步提高出水的水质，去除率达到99.0%以上，MBR-DF系统出水NH4+-N满足地表水Ⅱ类水质要求。从图2(b)可以看出，进水NO3--N浓度很低，而MBR出水NO3--N浓度达10.5mg/L左右，经DF系统后出水NO3--N浓度略微下降。表明在MBR系统好氧阶段NH4+-N经硝化作用转化成NO3--N，使MBR系统出水中NO3--N浓度升高，DF系统对NO3--N的截留效果不明显。