探討正滲透膜技術在水處理中的應用與發展
【www.51dle.com.cn南京純水設備】正滲透(Forward osmosis, FO)是一種常見的物理現象，是指水通過半透膜從高水化學勢區域(或較低滲透壓)自發地向低水化學勢區域(或較高滲透壓)傳遞的過程。正滲透的概念存在已久，但直到二十世紀中期人們才開始在水處理中應用正滲透技術。隨著工藝的不斷進步以及膜成本的不斷降低，正滲透技術在海水淡化、污水處理等領域都得到了良好地應用。
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。與傳統的RO反滲透工藝使用壓力驅動不同，南京水處理設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入汲取液，最后將溶質從稀釋的汲取液中分離出來，得到最終產水。
正滲透膜生物反應器
膜生物反應器 ( MBR)將SRT和HRT分離，理論上具有出水水質高、活性污泥濃度高、剩余污泥產量低等優點。然而，膜污染問題和能耗問題一直是制約MBR進一步壯大市場的障礙：膜污染導致水通量降低，膜材料需要經常清洗和更換;并且MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力，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勢高的待處理液，而含有氯化鈉的高鹽度溶劑作為水化學勢較低的汲取液。正滲透膜將水由水化學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的反滲透工藝重新得到濃縮，從而實現污水的最終凈化。從一些角度來看，正滲透自身很難用作污水處理的終結端，其更像是一個高級的預處理工藝。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降低。進一步說，跟傳統MBR相比，OsMBR結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。
基于正滲透的優點，有人對新型浸入式滲透膜生物反應器(Os-MBR)進行了研究。OsMBR將FO正滲透技術引入MBR，FO和MBR一體化可以降低傳統MBR的能耗。在過去的五年中，已經開始研究新型FO-MBR或滲透膜生物反應器(OsMBR)。由于OsMBR中的FO膜不采用液壓壓力，具有較低的結垢傾向和較好的分離能力，OsMBR工藝不僅可以降低壓力驅動膜過程的能源成本(如微濾或超濾)，傳統MBR空氣沖刷的污染控制，而且還提供了一個更可持續的產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，產生的生物沼氣中的甲烷約占65%-78%，平均產率約0.21 L CH4 /g COD，且生物反應器中鹽度的累加并沒對生物過程產生抑制或毒性效應，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揮空間。
技術限制
根據ACS和Science Direct的統計顯示，正滲透的文獻在過去10年有了顯著的增長。盡管如此，真正的正滲透工程應用案例卻是鮮有出現，問題出在哪里呢?
這是由于工藝本身的一些內在屬性造成的。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)或者蒸發工藝(含銨溶液等)。合肥純水設備然而反滲透工藝和蒸發工藝本身存在很多應用方面的挑戰。
以蒸發工藝為例，這種工藝似乎可以通過和光伏太陽能結合解決能耗問題，但是因為氨的揮發性，使得在實際應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大規模應用的原因。
關于正滲透膜的研究，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計等方面。由于其抗氯等內在屬性，三醋酸纖維素(CTA)膜應用最為廣泛，與纖維素相比，對熱、化學、生物降解不敏感，但在污水環境下的水解還是會發生。
開發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。
除了膜的研發之外，汲取液也是提高系統性能的關鍵。由于溶解度高和適合反滲透回收，氯化鈉是應用最廣泛的汲取溶液之一。
Os-MBR由于其低膜污染率和相應降低的成本，其商業化前景被人看好，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合，使正滲透技術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。濃縮后的有機質其實有利于能量和營養物的回收，例如應用到市政污水里，解決主流厭氧氨氧化的一些技術限制。
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