正滲透技術(shù)在污水資源化中的研究進(jìn)展

許陽(yáng)宇，周 律，賈奇博

（清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

特約述評(píng)

正滲透技術(shù)在污水資源化中的研究進(jìn)展

許陽(yáng)宇，周 律，賈奇博

（清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

正滲透技術(shù)（FO）是一種以半透膜兩側(cè)溶液滲透壓之差作為水分子跨膜驅(qū)動(dòng)力的綠色膜分離技術(shù)。介紹了FO的原理及其對(duì)污染物的截留率較高、能耗小、膜壽命較長(zhǎng)、不易發(fā)生膜污染且污染后的膜清洗更簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。綜述了FO在污水資源化領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了目前應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題，指出完善基礎(chǔ)理論、研發(fā)膜材料、回收驅(qū)動(dòng)液等是未來(lái)FO的主要發(fā)展方向。

正滲透；污水資源化；膜材料；膜污染；驅(qū)動(dòng)液

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，污水的處理與資源化越來(lái)越受到人們的重視。正滲透技術(shù)（FO）作為一種綠色的膜分離技術(shù)在污水處理與資源化中有著很大的應(yīng)用潛能。FO以半透膜兩側(cè)的滲透壓差作為水的跨膜驅(qū)動(dòng)力，無(wú)需外加壓力，低能耗甚至零能耗。相對(duì)于反滲透技術(shù)（RO），F(xiàn)O對(duì)膜的預(yù)處理要求較低，對(duì)污染物的截留率較高［1-2］，對(duì)于成分復(fù)雜且常規(guī)方法難以處理的污水有較好的處理效果［3］。

本文介紹了FO的原理及其優(yōu)點(diǎn)，綜述了FO在污水資源化領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了目前存在的主要問(wèn)題，指出了FO在污水資源化領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 FO的原理及其優(yōu)點(diǎn)

FO以半透膜兩側(cè)溶液滲透壓之差作為水分子跨膜的驅(qū)動(dòng)力。采用高濃度的溶液作為驅(qū)動(dòng)液，使原水中的溶劑（水）自發(fā)地通過(guò)半透膜進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液中，使原水被濃縮。同時(shí)，稀釋后的驅(qū)動(dòng)液可以通過(guò)其他手段，如 RO、膜蒸餾（MD）、熱分解等加以回收，進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)［4-5］。

由于FO膜本身的特性及其溫和的操作條件，F(xiàn)O相對(duì)于目前其他處理復(fù)雜成分污水的技術(shù)有著如下優(yōu)點(diǎn)：1）膜孔徑?。?.25～0.37 nm），對(duì)于水中的顆粒物、病原體、污染物及溶解性物質(zhì)有很高的截留率［6］；2）無(wú)需外加高壓，F(xiàn)O過(guò)程能耗小，F(xiàn)O膜材料強(qiáng)度要求低［7］；3）相對(duì)于RO和納濾，F(xiàn)O可省去復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程，膜壽命較長(zhǎng)；4）與RO相比，不易發(fā)生膜污染，且污染后的清洗更簡(jiǎn)單［8］；5）可濃縮成分復(fù)雜的污水，便于后續(xù)的資源化利用（如厭氧發(fā)酵后沼液的濃縮等）。

2 FO在水處理中的應(yīng)用

近年來(lái)，人們對(duì)FO在水處理中的應(yīng)用開(kāi)展了較為廣泛的研究，取得了顯著的進(jìn)展。

2.1 正滲透膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（MBR）運(yùn)行過(guò)程中的膜污染較嚴(yán)重，導(dǎo)致水通量迅速下降，膜材料需要經(jīng)常清洗及更換，增加了MBR運(yùn)行的技術(shù)難度［9］。為克服與改進(jìn)MBR存在的問(wèn)題，將FO膜引入MBR中代替原有的微濾/超濾膜，并結(jié)合RO進(jìn)行后處理，這一組合被稱(chēng)為正滲透膜生物反應(yīng)器（OsMBR）。OsMBR的工作過(guò)程是在驅(qū)動(dòng)液驅(qū)動(dòng)下污水中的水分子通過(guò)FO膜進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液，污水與活性污泥得到濃縮；被稀釋的驅(qū)動(dòng)液采用RO進(jìn)行回收，驅(qū)動(dòng)液濃縮過(guò)程的同時(shí)產(chǎn)出高品質(zhì)再生水［10-11］。

OsMBR表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，采用FO和RO的雙重屏障，出水水質(zhì)非常好；FO膜對(duì)有機(jī)碳和NH3-N的截留率分別達(dá)到99%和98%，高于MBR的98%和90%；在5.5 g/L MLSS條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的水通量?jī)H下降18%，而相同條件下MBR長(zhǎng)期運(yùn)行的水通量下降可達(dá)75%；膜清洗產(chǎn)生的凈通量的降幅很??；膜污染可逆，每周一次的反沖洗可恢復(fù)到初始通量的90%［11-13］。OsMBR對(duì)于成分復(fù)雜的污水與廢水，如垃圾滲濾液、厭氧消化液等也同樣適用。

2.2 正滲透微生物燃料電池

對(duì)污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量的回收也日益受到人們的重視。微生物燃料電池（MFC）能利用污水中營(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)電潛能，是一種前景良好的水處理技術(shù)。并且MFC還具有多種功能：陽(yáng)極可處理市政污水、工業(yè)廢水、石油廢水等；陰極可用于污水脫鹽或去除重金屬［14-15］。但MFC存在產(chǎn)電效率較低、出水還需進(jìn)一步處理及對(duì)清潔水的提取效果不理想等缺點(diǎn)。

與傳統(tǒng)的MFC相比，正滲透微生物燃料電池（OsMFC）以FO膜代替了質(zhì)子交換膜（IEM）。OsMFC的原理［16］見(jiàn)圖1。

圖1 OsMFC的原理

OsMFC可從污水中回收再生水，水通量為2～3 L/（m2·h）；對(duì)污水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行了濃縮，有利于污水后續(xù)資源化利用；碳源為1 g/L 醋酸鹽條件下的能量密度為43 W/m3（同等條件下使用陽(yáng)離子交換膜時(shí)能量密度為40 W/m3；使用陰離子交換膜時(shí)能量密度為23 W/m3），處理生活污水可產(chǎn)生能量密度為4.5 W/m3的電能；FO膜的傳質(zhì)效果優(yōu)于IEM，因而能量產(chǎn)生效率較傳統(tǒng)MFC有一定的提高［16-19］。

2.3 污泥脫水

近年來(lái)，研究人員開(kāi)展了采用FO膜對(duì)污泥進(jìn)行脫水的應(yīng)用研究［20］。FO膜用于污泥脫水的工藝流程見(jiàn)圖2。剩余污泥中的水透過(guò)膜組件進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液（36 g/L NaCl溶液），污泥得到濃縮。被稀釋的驅(qū)動(dòng)液通過(guò)投加NaCl保持高滲透壓，以循環(huán)使用。

圖2 FO膜用于污泥脫水的工藝流程

研究結(jié)果表明，F(xiàn)O膜對(duì)污泥脫水的效果良好，能將MLSS從7 g/L增加至39 g/L；以MLSS和MLVSS計(jì)的減容率分別達(dá)到64%和80%；此外FO膜對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的截留效果也十分突出，NH3-N去除率達(dá)96%，磷酸鹽去除率達(dá)98%，DOC去除率達(dá)99%；膜污染主要來(lái)自于污泥一側(cè)的污泥沉積及濃差極化，經(jīng)過(guò)物理沖洗即可恢復(fù)大部分的膜通量［20-21］。以上優(yōu)點(diǎn)使得FO用于污泥脫水具有很大的應(yīng)用潛力。

2.4 其他應(yīng)用

還有研究者將FO應(yīng)用于海水淡化［22-23］、藻類(lèi)的濃縮［24］以及灌溉施肥［25］等水處理與資源化領(lǐng)域。

3 存在的問(wèn)題

已有研究表明FO具有優(yōu)越的物質(zhì)回收性能，但該技術(shù)要取得更好的應(yīng)用效果還需要解決一些關(guān)鍵性的問(wèn)題。

3.1 濃差極化

無(wú)論對(duì)于外壓還是滲透壓驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，濃差極化都是不可避免的問(wèn)題。濃差極化分為外濃差極化（ECP）和內(nèi)濃差極化（ICP）。由于濃差極化現(xiàn)象的存在，使得有效的跨膜滲透壓差顯著減小，膜通量也隨之減小，導(dǎo)致膜處理效率降低［5，26-27］。此外，濃差極化還會(huì)強(qiáng)化膜兩側(cè)的溶質(zhì)傳輸過(guò)程（包括正向和反向），降低膜對(duì)污染物的截留率（正向），也導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)滲漏，降低跨膜壓差（反向）。

非對(duì)稱(chēng)FO膜的濃差極化現(xiàn)象的示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 非對(duì)稱(chēng)FO膜的濃差極化現(xiàn)象的示意圖

由圖3a可見(jiàn)，當(dāng)活性層朝向驅(qū)動(dòng)液（AL-DS模式）時(shí)，存在濃縮ICP 和稀釋ECP，分別出現(xiàn)在支撐層中和活性層外，使得靠近膜表面的原液濃度升高，驅(qū)動(dòng)液濃度下降，有效壓差減小。由圖3b可見(jiàn)，當(dāng)支撐層朝向驅(qū)動(dòng)液（AL-FS 模式）時(shí)，存在稀釋ICP 和濃縮ECP，分別出現(xiàn)在支撐層中和活性層外，使得靠近膜表面的驅(qū)動(dòng)液濃度下降，原液濃度升高，有效壓差減小。

濃差極化可通過(guò)選擇合適的驅(qū)動(dòng)液溶質(zhì)及濃度、增加膜活性層親水性、減小膜支撐層厚度、增加膜兩側(cè)湍流程度等方法減輕。

3.2 回收驅(qū)動(dòng)液的能耗

雖然FO過(guò)程本身幾乎不消耗外界能量，在無(wú)需對(duì)驅(qū)動(dòng)液進(jìn)行回收的條件下（如海邊、施肥灌溉）具有較大的能耗優(yōu)勢(shì)，但若要重新濃縮回收被稀釋的驅(qū)動(dòng)液則需要較大的能量。在多數(shù)情況下，F(xiàn)O系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)液的回收是必不可少的，而驅(qū)動(dòng)液回收的能耗很大程度上影響了FO的適用性。目前驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)主要有無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)化合物、磁性蛋白等，而回收方法有RO、MD、熱分解、磁性回收等。這些回收方法的能耗均較高，因此開(kāi)發(fā)易于分離回收的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)，研究低能耗的驅(qū)動(dòng)液回收方法，是FO的重要研究方向之一［28-32］。不同海水脫鹽技術(shù)的能耗比較見(jiàn)表1。

表1 不同海水脫鹽技術(shù)的能耗比較

由表1可見(jiàn)，雖然理論上FO的能耗低于RO，且由于原水得到濃縮，原水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能量回收后可對(duì)FO能耗進(jìn)行一定的補(bǔ)償，但目前由于缺乏成熟的材料和技術(shù)，理論上的低能耗還難以實(shí)現(xiàn)。

3.3 驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的反向滲透

驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的反向滲透增加了料液側(cè)膜表面的溶質(zhì)濃度，減小了驅(qū)動(dòng)滲透壓差。此外，驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的反向滲透還可能引起膜污染，影響FO過(guò)程中的水通量。如果驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)具有污染特性，反向滲透進(jìn)入原水可能對(duì)原水造成污染，還需對(duì)原水進(jìn)行額外的處理；若驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)具有生物毒性，則對(duì)于OsMBR等會(huì)降低反應(yīng)器中的生物活性，影響水處理效果［33-34］；若驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)價(jià)格較高，反向滲透造成了驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的損失，則會(huì)降低該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 膜污染

FO膜的污染程度比其他壓力驅(qū)動(dòng)的膜小，膜的耐久性好，同時(shí)污染膜的可恢復(fù)性好［12，27，35-37］。但膜污染的存在仍然是FO發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的問(wèn)題。研究復(fù)雜水質(zhì)條件下FO膜的污染特性與污染機(jī)理，建立污染模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FO膜污染，將有助于FO膜的研究發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，延長(zhǎng)膜在高通量下的操作時(shí)間，縮短反沖洗的時(shí)間間隔，可減輕膜污染所帶來(lái)的負(fù)面影響。

4 發(fā)展方向

4.1 完善基礎(chǔ)理論

雖然FO也屬于滲透膜分離過(guò)程，在原理上與較為成熟的RO有許多相同之處。但FO的傳質(zhì)及膜污染理論仍有許多尚不完善之處，原有的理論難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FO過(guò)程的傳質(zhì)模型與膜污染行為［38-39］，需要進(jìn)一步完善FO基礎(chǔ)理論。

4.2 研發(fā)膜材料

膜材料對(duì)水通量、膜污染的產(chǎn)生與控制、膜對(duì)外界條件的耐受性能以及膜壽命都有很大的影響。理想的FO膜應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1）有致密且超薄的活性分離層，以提高污染物的截留率；2）支撐層通透性與親水性較好，盡可能薄的同時(shí)又能提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，可減小ICP；3）膜表面活性層親水性好，增大水通量的同時(shí)可減輕膜污染。

膜材料可向著膜表面改性、支撐層優(yōu)化、雙層膜、仿生生物膜（水通道蛋白膜）等多方向發(fā)展。

目前應(yīng)用較多、較為成熟的FO膜為三乙酸纖維素（CTA）膜。新一代商品化的超薄復(fù)合膜比CTA膜的通透性更好，可適用的pH范圍更廣［40］。雙活性層的醋酸纖維素膜外表面活性層結(jié)構(gòu)致密，在污水回用中有很大的潛力［41］。還有一些強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好的高分子材料（如聚苯并咪唑）具有較高的鹽截留率，表面親水性強(qiáng)，產(chǎn)生膜污染的傾向較低［42］。常見(jiàn)FO膜材料的照片見(jiàn)圖4［41-43］。

4.3 回收驅(qū)動(dòng)液

研發(fā)具有高滲透性且便于回收的滲透溶質(zhì)，以及發(fā)展高效率、低能耗的驅(qū)動(dòng)液回收方法，是FO發(fā)展的重要方向。FO中常用的驅(qū)動(dòng)液及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2［44-46］。

4.4 其他

對(duì)于FO的實(shí)際應(yīng)用，合適的操作條件、合理的膜形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、必要的預(yù)處理技術(shù)等也是不可或缺的。

圖4 常見(jiàn)FO膜材料的照片

表2 FO中常用的驅(qū)動(dòng)液及其優(yōu)缺點(diǎn)

5 結(jié)語(yǔ)與展望

FO具有的突出優(yōu)點(diǎn)使其在污水資源化領(lǐng)域中擁有巨大的應(yīng)用潛力。雖然目前技術(shù)的成熟度還有待提高，但通過(guò)對(duì)膜材料、驅(qū)動(dòng)液等的研究開(kāi)發(fā)與基礎(chǔ)理論的總結(jié)完善，相信在不久的將來(lái)，F(xiàn)O在水處理及資源化領(lǐng)域會(huì)發(fā)揮更好的作用。

致謝 本研究得到比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的資助，在此表示感謝。

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（編輯 祖國(guó)紅）

·信息與動(dòng)態(tài)·

棕櫚仁殼和聚乙烯廢料摻混料通過(guò)流化床催化蒸汽共氣化過(guò)程生產(chǎn)合成氣

Energy，2014，75(10):40

研究人員通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了催化作用對(duì)生物質(zhì)/塑料廢棄物摻混料在流化床中氣化的影響，在不同的溫度、不同的蒸汽-生物質(zhì)和聚乙烯-生物質(zhì)的比例下試驗(yàn)，確定最佳條件來(lái)提高氫氣和合成氣的產(chǎn)量。

預(yù)期來(lái)自可再生資源的能源將補(bǔ)充由化石燃料資源產(chǎn)生的能源。氣化是一種用于固體廢物燃料轉(zhuǎn)換的通用熱化學(xué)工藝。對(duì)棕櫚仁殼（PKS）和聚乙烯廢料摻混料以催化蒸汽氣化工藝生產(chǎn)合成氣進(jìn)行了研究。為了獲得生產(chǎn)合成氣的最佳條件，研究人員通過(guò)Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究和優(yōu)化了主要變量（如反應(yīng)溫度、蒸汽-原料質(zhì)量比、聚乙烯廢料-生物質(zhì)質(zhì)量比）對(duì)合成氣生產(chǎn)的影響。在800℃、聚乙烯廢料-生物質(zhì)的質(zhì)量比為0.3和蒸汽-原料的質(zhì)量比為1的優(yōu)化條件下，原料的總合成氣產(chǎn)率和氫氣產(chǎn)率分別達(dá)到422.40 g/kg和135.27 g/kg。

（以上由彭琳供稿）

有盈利潛力的將城市固體廢棄物轉(zhuǎn)化為直鏈烷烴的工藝

Chem Eng，2014-11-01

美國(guó)得克薩斯州A&M大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種工藝，將城市有機(jī)固體廢棄物（MSW）轉(zhuǎn)化成直鏈烷烴（汽油中的主要組成部分）。這種4步工藝開(kāi)始于一種成熟的工業(yè)廢物分類(lèi)方法（使用振動(dòng)、磁性和氣流）從MSW中成功提取出有機(jī)可消化部分（通常是食物殘?jiān)?、紙張、木材和庭院廢棄物）。接著，逆流發(fā)酵步驟中采用天然存在的細(xì)菌消化垃圾的有機(jī)部分，將其轉(zhuǎn)化成各種羧酸（碳鏈長(zhǎng)度從2個(gè)到8個(gè)碳原子）。發(fā)酵過(guò)程在地面上的塑料或混凝土襯里孔中就地發(fā)生。因此，任何類(lèi)型的有機(jī)材料都可以處理，并且不需要在無(wú)菌條件下。酸性發(fā)酵液隨后被轉(zhuǎn)移到一個(gè)連續(xù)的膜提取器中。鏈羧酸被選擇性地提取并在堿性環(huán)境中回收，得到富含羧酸鹽的溶液。最后，該羧酸鹽通過(guò)科爾貝電解結(jié)合兩種有機(jī)酸，形成烷烴。這些烷烴分開(kāi)出售，而剩余的水溶液再循環(huán)回到所述的提取裝置。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛的可行性分析，以確定該4步驟生產(chǎn)烷烴工藝的盈利能力。盡管這一工藝高度依賴(lài)于地理位置，該團(tuán)隊(duì)研究確定該工藝的確可以有投資回報(bào)，并且在合適的條件下是有利可圖的。但未來(lái)仍需要進(jìn)一步研究和資金的支持，以證明這些步驟串聯(lián)連續(xù)運(yùn)行的效果，并進(jìn)一步研究膜提取步驟的傳質(zhì)行為。此外，為了優(yōu)化結(jié)果，該集團(tuán)計(jì)劃探討除了科爾貝過(guò)程的其他轉(zhuǎn)化方法。該公司已經(jīng)與地球能源可再生能源公司就這一工藝的進(jìn)展和商業(yè)化進(jìn)行合作。

（以上由趙淑戰(zhàn)供稿）

Application of Forward Osmosis Technology in Resource Utilization of Wastewater: A Review

Xu Yangyu，Zhou Lü，Jia Qibo
（School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Forward osmosis（FO）technology is a promising green technology using the osmotic pressure difference between solutions across semi-permeable membrane as the driving force for water trans-membrane. The mechanism of FO and the advantages of FO are introduced, such as: high rejection rate of pollutants, low energy consumption, long lifetime of membrane, less membrane fouling, easy cleaning of polluted membrane, and so on. The research progresses and application status of FO in resource utilization of wastewater are summarized and the existing problems in the application are analyzed. The directions for further research are pointed out as follows: improving the basic theory, developing new membrane material and recovering the draw solution.

forward osmosis；wastewater resource utilization；membrane material；membrane fouling；draw solution

X703.1

A

1006-1878（2015）02-0109-07

2014 - 12 - 20；

2015 - 01 - 15。

許陽(yáng)宇（1991—），女，四川省成都市人，碩士生，電話 15201312314，電郵 xu-yy14@mails.tsinghua.edu.cn。聯(lián)系人：周律，電話010-62773079，電郵zhou2001@263.net.cn。