探討正滲透膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用與發(fā)展
【m.34dn.com南京純水設(shè)備】正滲透(Forward osmosis, FO)是一種常見的物理現(xiàn)象，是指水通過半透膜從高水化學(xué)勢區(qū)域(或較低滲透壓)自發(fā)地向低水化學(xué)勢區(qū)域(或較高滲透壓)傳遞的過程。正滲透的概念存在已久，但直到二十世紀(jì)中期人們才開始在水處理中應(yīng)用正滲透技術(shù)。隨著工藝的不斷進(jìn)步以及膜成本的不斷降低，正滲透技術(shù)在海水淡化、污水處理等領(lǐng)域都得到了良好地應(yīng)用。
自1930年，正滲透(Forward Osmosis, FO)作為一種實用的水處理工藝得到了廣泛的研究。與傳統(tǒng)的RO反滲透工藝使用壓力驅(qū)動不同，南京水處理設(shè)備正滲透利用高濃度的汲取液，與待處理液之間形成滲透壓，使待處理液中的水分子通過半透膜進(jìn)入汲取液，最后將溶質(zhì)從稀釋的汲取液中分離出來，得到最終產(chǎn)水。
正滲透膜生物反應(yīng)器
膜生物反應(yīng)器 ( MBR)將SRT和HRT分離，理論上具有出水水質(zhì)高、活性污泥濃度高、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點。然而，膜污染問題和能耗問題一直是制約MBR進(jìn)一步壯大市場的障礙：膜污染導(dǎo)致水通量降低，膜材料需要經(jīng)常清洗和更換;并且MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動壓力，增加了能耗和運營成本。
正滲透是否能夠成為解決MBR膜污染和能耗問題的途徑呢?
簡單來說，OsMBR的原理就是污水作為水化學(xué)勢高的待處理液，而含有氯化鈉的高鹽度溶劑作為水化學(xué)勢較低的汲取液。正滲透膜將水由水化學(xué)勢較高的一端向較低的一端運送，這樣一來待處理液得到了濃縮，汲取液被稀釋;而汲取液可以通過后續(xù)的反滲透工藝重新得到濃縮，從而實現(xiàn)污水的最終凈化。從一些角度來看，正滲透自身很難用作污水處理的終結(jié)端，其更像是一個高級的預(yù)處理工藝。而與采用微濾和超濾膜的MBR相比，基于正滲透的MBR能用更低的水力壓力(hydraulic pressure)取得更高的截留率。同時正滲透工藝可以一定程度地減少膜污染，也就是說反洗率可以相應(yīng)降低。進(jìn)一步說，跟傳統(tǒng)MBR相比，OsMBR結(jié)合反滲透作深度處理時，能降低RO膜的污染概率以及獲得更好的出水水質(zhì)。
基于正滲透的優(yōu)點，有人對新型浸入式滲透膜生物反應(yīng)器(Os-MBR)進(jìn)行了研究。OsMBR將FO正滲透技術(shù)引入MBR，FO和MBR一體化可以降低傳統(tǒng)MBR的能耗。在過去的五年中，已經(jīng)開始研究新型FO-MBR或滲透膜生物反應(yīng)器(OsMBR)。由于OsMBR中的FO膜不采用液壓壓力，具有較低的結(jié)垢傾向和較好的分離能力，OsMBR工藝不僅可以降低壓力驅(qū)動膜過程的能源成本(如微濾或超濾)，傳統(tǒng)MBR空氣沖刷的污染控制，而且還提供了一個更可持續(xù)的產(chǎn)水通量和更可靠的污染物去除性能。
除此OsMRB，還有更具“黑科技感”的工藝整合--滲透厭氧MBR(Os-AnMBR)。正滲透與厭氧MBR組合成的Os-AnMBR工藝能去除96%的COD、接近100%的磷和62%的氨氮，產(chǎn)生的生物沼氣中的甲烷約占65%-78%，平均產(chǎn)率約0.21 L CH4 /g COD，且生物反應(yīng)器中鹽度的累加并沒對生物過程產(chǎn)生抑制或毒性效應(yīng)，這顯示Os-AnMBR可能在未來的污水廠能源回收方面有很大的發(fā)揮空間。
技術(shù)限制
根據(jù)ACS和Science Direct的統(tǒng)計顯示，正滲透的文獻(xiàn)在過去10年有了顯著的增長。盡管如此，真正的正滲透工程應(yīng)用案例卻是鮮有出現(xiàn)，問題出在哪里呢?
這是由于工藝本身的一些內(nèi)在屬性造成的。就像之前說，正滲透本身更多是一種高級的“預(yù)處理”，它還需配合回收汲取液的反滲透工藝(針對高鹽溶液)或者蒸發(fā)工藝(含銨溶液等)。合肥純水設(shè)備然而反滲透工藝和蒸發(fā)工藝本身存在很多應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。
以蒸發(fā)工藝為例，這種工藝似乎可以通過和光伏太陽能結(jié)合解決能耗問題，但是因為氨的揮發(fā)性，使得在實際應(yīng)用時最終出水含有大量碳酸銨，這需要安裝多階蒸餾工藝來解決問題，會使最終造價成本變得過高。此外，較高的內(nèi)部濃差極化(Concentration Polarisation)使OsMBR也有膜通量低等問題，另外還有汲取溶液反向滲透等問題。這些都是阻礙正滲透實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因。
關(guān)于正滲透膜的研究，主要還是集中在膜材料、膜制造工藝、半透膜和支撐層的位置設(shè)計等方面。由于其抗氯等內(nèi)在屬性，三醋酸纖維素(CTA)膜應(yīng)用最為廣泛，與纖維素相比，對熱、化學(xué)、生物降解不敏感，但在污水環(huán)境下的水解還是會發(fā)生。
開發(fā)高性能正滲透膜材料一直是科研人員的探索方向。例如能承受高壓的復(fù)合薄膜(thin-film composite, TFC)、疏水性能好的CA/CTA膜、具有低接觸角的TFC-聚酰胺(PA)膜陸續(xù)被研制出來。但目前大部分膜還是由美國的HTI公司壟斷, TFC因為其高污染率還不能得到普及。
除了膜的研發(fā)之外，汲取液也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。由于溶解度高和適合反滲透回收，氯化鈉是應(yīng)用最廣泛的汲取溶液之一。
Os-MBR由于其低膜污染率和相應(yīng)降低的成本，其商業(yè)化前景被人看好，但其成功與否很大程度上取決于是否能找到經(jīng)濟效益更高的汲取液。研究人員可以對能量平衡做分析，然后再對癥下藥，例如將污水處理和海水淡化結(jié)合，使正滲透技術(shù)和污水處理變得更加有商機吸引力。
最后，濃縮液也需得到妥善處置，特別是含有重金屬的濃縮液。濃縮后的有機質(zhì)其實有利于能量和營養(yǎng)物的回收，例如應(yīng)用到市政污水里，解決主流厭氧氨氧化的一些技術(shù)限制。
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