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正渗透是否能够成为解决MBR膜污染和能耗问题的途径?

2016-12-06|发布者:久吾高科转自网络

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        正渗透(Forward osmosis,缩写:FO)是一种常见的物理现象,是指水通过半透膜从高水化学势区域(或较低渗透压)自发地向低水化学势区域(或较高渗透压)传递的过程。正渗透的概念存在已久,但直到二十世纪中期人们才开始在水处理中应用正渗透技术。随着工艺的不断进步以及膜成本的不断降低,正渗透技术在海水淡化、污水处理等领域都得到了良好地应用。



        正渗透膜生物反应器

        膜生物反应器(MBR)将SRT和HRT分离,理论上具有出水水质高、活性污泥浓度高、剩余污泥产量低等优点。然而,膜污染导致水通量降低,膜材料需要经常清洗和更换,并且MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力,增加了能耗和运营成本。膜污染问题和能耗问题是制约MBR进一步壮大市场的障碍。1481010544971599EhIA.jpg

        正渗透是否能够成为解决MBR膜污染和能耗问题的途径呢?基于正渗透的优点,有人对新型浸入式渗透膜生物反应器(Os-MBR)进行了研究。Os-MBR将FO正渗透技术引入MBR,FO和MBR一体化可以降低传统MBR的能耗。在过去的五年中,已经开始研究新型FO-MBR或渗透膜生物反应器(Os-MBR)。由于Os-MBR中的FO膜不采用液压压力,具有较低的结垢倾向和较好的分离能力,Os-MBR工艺不仅可以降低压力驱动膜过程的能源成本(如微滤或超滤),传统MBR空气冲刷的污染控制,而且还提供了一个更可持续的产水通量和更可靠的污染物去除性能。

        简单来说,Os-MBR的原理就是污水作为水化学势高的待处理液,而含有氯化钠的高盐度溶剂作为水化学势较低的汲取液。正渗透膜将水由水化学势较高的一端向较低的一端运送,这样一来待处理液得到了浓缩,汲取液被稀释;而汲取液可以通过后续的反渗透工艺重新得到浓缩,从而实现污水的最终净化。

        从一些角度来看,正渗透自身很难用作污水处理的终结端,其更像是一个高级的预处理工艺。而与采用微滤和超滤膜的MBR相比,基于正渗透的MBR能用更低的水力压力(hydraulic pressure)取得更高的截留率。同时正渗透工艺可以一定程度地减少膜污染,也就是说反洗率可以相应降低。进一步说,跟传统MBR相比,Os-MBR结合反渗透作深度处理时,能降低RO膜的污染概率以及获得更好的出水水质。

        除此Os-MBR,还有更具“黑科技感”的工艺整合——渗透厌氧MBR(Os-AnMBR)。新加坡南洋理工大学和中国哈工大科研人员合作的研究显示,正渗透与厌氧MBR组合成的Os-AnMBR工艺能去除96%的COD、接近100%的磷和62%的氨氮,产生的生物沼气中的甲烷约占65~78%,平均产率约0.21 L CH4 /g COD,且生物反应器中盐度的累加并没对生物过程产生抑制或毒性效应,这显示Os-AnMBR可能在未来的污水厂能源回收方面有很大的发挥空间。


        技术限制

        根据ACS和Science Direct的统计显示,正渗透的文献在过去10年有了显著的增长。尽管如此,真正的正渗透工程应用案例却是鲜有出现,问题出在哪里呢?

        这是由于工艺本身的一些内在属性造成的。就像之前说,正渗透本很更多是一种高级的“预处理”,它还需配合回收汲取液的反渗透工艺(针对高盐溶液)或者蒸发工艺(含铵溶液等)。然而反渗透工艺和蒸发工艺本身存在很多应用方面的挑战。

以蒸发工艺为例,这种工艺似乎可以通过和光伏太阳能结合解决能耗问题,但是因为氨的挥发性,使得在实际应用时最终出水含有大量碳酸铵,这需要安装多阶蒸馏工艺来解决问题,会使最终造价成本变得过高。此外,较高的内部浓差极化(Concentration Polarisation)使OsMBR也有膜通量低等问题,另外还有汲取溶液反向渗透等问题。这些都是阻碍正渗透实现大规模应用的原因。


        突破关键

        膜的改进和汲取液的选取是实现突破的关键所在。荷兰和比利时研究人员曾做过以下统计:

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        关于正渗透膜的研究,主要还是集中在膜材料、膜制造工艺、半透膜和支撑层的位置设计等方面。由于其抗氯等内在属性,三醋酸纤维素(CTA)膜应用最为广泛,与纤维素相比,对热、化学、生物降解不敏感,但在污水环境下的水解还是会发生。

        开发高性能正渗透膜材料一直是科研人员的探索方向。例如能承受高压的复合薄膜(thin-film composite,缩写:TFC)、疏水性能好的CA/CTA膜、具有低接触角的TFC-聚酰胺(PA)膜陆续被研制出来。但目前大部分膜还是由美国的HTI公司垄断, TFC因为其高污染率还不能得到普及。

除了膜的研发之外,汲取液也是提高系统性能的关键。由于溶解度高和适合反渗透回收,氯化钠是应用最广泛的汲取溶液之一。

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        Os-MBR由于其低膜污染率和相应降低的成本,其商业化前景被人看好,但其成功与否很大程度上取决于是否能找到经济效益更高的汲取液。研究人员可以对能量平衡做分析,然后再对症下药,例如将污水处理和海水淡化结合,使正渗透技术和污水处理变得更加有商机吸引力。

最后,浓缩液也需得到妥善处置,特别是含有重金属的浓缩液。浓缩后的有机质其实有利于能量和营养物的回收,例如应用到市政污水里,解决主流厌氧氨氧化的一些技术限制。