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正渗透的应用和技术优势姓名：窦蒙蒙班级：硕士1608班学号：16121229指导教师：于海琴I正渗透的应用和技术优势摘要：作为一种新型膜处理技术，正渗透技术自20世纪50年代建立以来，在环保、能源、海水淡化等领域受到越来越广泛的关注;其经历了从实验室研究，中试实验，到少量的商业化应用，技术日臻完善。正渗透技术是利用自然渗透压差为驱动力的一种净水技术，为水资源和环境问题提供了低能耗、高效率的解决方法。该文介绍了正渗透的技术优势，以及正渗透在海水淡化、废水处理、污水回用、能源开发以及食品加工等领域的应用。关键词：正渗透、技术优势、海水淡化、废水处理-1-1.引言正渗透（Forwardosmosis,FO）是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术，它是依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程，是目前世界膜分离领域研究的热点之一。1.1正渗透技术的原理和技术特点1.1.1正渗透技术的原理正渗透是浓度驱动型的膜过程，它依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力来自发的实现水在膜中的传递。也就是指水从较高的水化学势（或较低渗透压）一侧区域通过选择透过性膜流向较低水化学势（或较高渗透压）一侧区域的过程。在具有选择透过性膜的两侧分别放置两种具有不同渗透压的溶液，一种为具有较低渗透压的原料液(feedsolution，FS)，另一种为具有较高渗透压的汲取液(drawsolution，DS)。正渗透正是依靠正渗透膜两侧的汲取液(drawsolution，DS)和原料液(feedsolution，FS)间的自然渗透压差，使水分子自发地从低渗透压侧(FS侧)传输到高渗透压侧(DS侧)而污染物被截留的膜分离过程，具体如图1所示。图1.正渗透过程示意图不同于传统膜分离过程，正渗透利用低水化学势的DS从高水化学势的FS吸取纯水，无需投入额外的驱动压力，因而其能耗低[1]。1.1.2正渗透技术的技术特点正渗透不同于压力驱动膜分离过程，它不需要额外的水力压力作为驱动力，而依靠汲取液与原料液的渗透压差自发实现膜分离。这一过程的实现需要几个必要条件：（1）可允许水通过而截留其他溶质分子或离子的选择性渗透膜及膜组件；（2）提供驱动力的汲取液；（3）对稀释后的汲取液再浓缩途径[2]。早期关于正渗透过程研究均采用反渗透复合膜，发现膜通量普遍较低，主要原因是复合膜材料的多孔支撑层产生了内浓差极化现象，大大降低了渗透过程的效率。20世纪90年代，Osmotek公司（HydrationTechnologiesInc.(HTI)公司前-2-身）开发了一种支撑型高强度正渗透膜，已被应用于多种领域，是目前最好的商业化正渗透膜[2]。正渗透膜组件形式主要有：板框式、卷式、管式和包式。各种组件形式各有优缺点，如板框式具有结构简单，易装填的优点，但又存在密封和完整性检查困难的缺点。因此应根据不同的应用领域选择合适的膜及膜组件。近年来，许多研究致力于发展高性能的正渗透膜及组件，取得了一定成果。汲取溶液是具有高渗透压的溶液体系，由溶质和溶剂(一般是水)组成。如果驱动溶液中的溶质可以通过简单、低能耗的方法分离后循环利用，那么正渗透过程就能够形成一个封闭的循环体系。文献中报道过的驱动溶质主要有：盐类如NaC1、MgC12、A12(SO4)3、NH4HCO3等，糖类如葡萄糖、果糖等，和气体如SO2等。其中应用较普遍的溶质是NaCl，因为它溶解度高并且其溶液很容易通过反渗透过程再浓缩。值得一提的是，McCutcheon等采用NH4HCO3为溶质，通过简单热挥发冷凝的方法实现产品水的分离和溶质的循环利用。2.正渗透的技术优势正渗透膜技术是相对于反渗透技术而提出来的，与反渗透技术相比较，正渗透技术具有得天独厚的优势：独有的驱动液体系，不需要外界的压力推动分离过程，能耗低，同时由于正渗透膜材料的亲水性，因此可以有效降低膜污染，可应用于反渗透技术难以实现的废水处理中，例如染色废水、垃圾沥出液以及膜生物反应器等；在降低膜污染的同时，可降低膜清洗费用和化学清洗剂对环境的污染。正渗透过程的回收率高，避免了浓盐水的排放，环境友好；在脱盐过程中，通过选择合适的汲取液，其水回收率可达到75%，而普通反渗透水回收率为35%～50%,如此高的回收率可实现浓盐水的再浓缩，即回收率高，没有浓盐水的排放，实现零排放，是环境友好型技术；正渗透操作由于具有低温低压的特点，可以广泛应用于液体食品的浓缩和药物释放等方面；另外渗透压本身就是一种绿色能源，可以通过正渗透压技术将渗透压转换为电能[3]。3.正渗透技术的应用正渗透具有低能耗、低污染、高回收等特点，其运用范围非常广泛，涉及工业生产和日常生活的各方面。正渗透技术海水脱盐、发电、工业废水处理、食品工业、航空航天、制药工业得到了进一步发展，还凭借抗污染、低能耗的特点不断向传统生产工艺中渗透，与其他技术相互融合，形成创新的工业技术。本节将对正渗透在主要几个领域的应用进行介绍。3.1在废水处理中的应用3.1.1工业废水浓缩最早关于应用正渗透技术处理工业废水的可行性研究报道发表于1974年-3-和1977年，其目的是使用这种低能耗的过程处理微重金属污染的工业废水。他们采用序批式系统，以商业化的醋酸纤维反渗透膜为膜单元，以合成海水为汲取液，来浓缩含低浓度铜或铬离子的水，具有一定的可行性。但由于膜通量非常低（0～4.5L/(m2·h)），盐的截留率也不太理想，没有开展进一步的研究。3.1.2垃圾渗滤液浓缩垃圾渗滤液主要来源于垃圾填埋场降水和垃圾本身的内含水，是一种成分复杂的高浓度的有机废水，若不加以处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染。主要的污染物质分4种类型：有机物、溶解性重金属离子、有机和无机氮类化合物、以及溶解性固体物质（TDS）。垃圾渗滤液毒性强、可生化性差，因此生物处理效率不高，而其他的处理方法一般对TDS去除率不高。1998年，Osmotek公司建立了一套中试规模的正渗透系统用于浓缩垃圾渗滤液。该系统采用Osmotek的CTA膜，以NaCl为汲取液，对污染物截留率高，出水产率可以达到94%～96%[4]。且各污染物去除率高，在连续实验的过程中虽然有一定的水通量减少（30%～50%），但经过膜清洗后，水通量又基本恢复至初始。并且在处理原垃圾渗滤液时，膜通量没有明显降低。在此基础上，Osmotek公司建立了大型装置处理垃圾渗滤液，将该技术应用到年产2万～4万m3垃圾渗滤液的美国CoffinButte垃圾填埋厂的垃圾渗滤液处理，其工艺流程如图2，实际运行中采用75g/L的NaCl作为DS在近一年的运行期中，共处理渗滤液1.85万m3，平均产水率达到91.9%，除pH值降低30%外，诸如COD、CL—、F－、NH3－N、TKN、TDS等污染物的去除率均大于97.5%最终出水平均电导率为35μS/cm。表明正渗透技术处理垃圾渗滤液是较理想的处理方法[5]。图2.正渗透垃圾渗滤液处理流程图-4-3.1.3污泥消化液浓缩和污泥脱水废水生物处理厂产生大量的剩余污泥，一般采用厌氧消化来处理剩余污泥，产生的污泥消化液具有氮、磷、重金属和有机污染物高，色度和固体含量高的特点，需要浓缩和进一步的处理。采用正渗透系统处理这类废水目前已有报道。Holloway等设计了正渗透和反渗透组合系统处理污泥消化液。采用如下流程：污泥消化液先经过150目格栅预处理，再经过采用三醋酸纤维正渗透膜，以NaCl为汲取液的正渗透系统，最后稀释的汲取液通过反渗透系统获得出水。由于系统很高的污泥浓度，在运行过程中，膜通量明显下降，需要进行膜清洗恢复膜通量。系统对磷酸盐、氨氮和凯氏氮的截留率分别为99%、87%和92%，几乎完全截留色度和恶臭物质，浓缩干化的污泥消化液可用作肥料。近年来，研究人员开展了采用FO膜对污泥进行脱水的应用研究。FO膜用于污泥脱水的工艺流程见图3。剩余污泥中的水透过膜组件进入驱动液（36g/LNaCl溶液），污泥得到浓缩。被稀释的驱动液通过投加NaCl保持高渗透压，以循环使用。图3.正渗透膜用于污泥脱水的工艺流程研究结果表明，FO膜对污泥脱水的效果良好，能将MLSS从7g/L增加至39g/L；以MLSS和MLVSS计的减容率分别达到64%和80%；此外FO膜对营养物的截留效果也十分突出，NH3-N去除率达96%，磷酸盐去除率达98%，DOC去除率达99%；膜污染主要来自于污泥一侧的污泥沉积及浓差极化，经过物理冲洗即可恢复大部分的膜通量。以上优点使得FO用于污泥脱水具有很大的应用潜力[6-9]。3.1.4正渗透膜生物反应器膜生物反应器（MBR）是膜分离技术与生物技术有机结合的新型水处理技术，与传统活性污泥法相比，具有出水水质好、设备占地面积小、活性污泥浓度-5-高、剩余污泥产率低和便于自动控制等优点，是最有前途的废水处理新技术之一。传统MBR系统采用的膜均为压力驱动型膜如超滤、微滤膜，目前制约MBR技术广泛应用的瓶颈是膜污染问题。正渗透由于过程本身具有低压、低能耗和低污染的特点，从理论上讲适合于作为膜生物反应器中的膜过程。Achilli等发展了如图4所示的一套正渗透膜生物反应器系统处理高浓度人工配水，对有机物和氨氮的去除率分别为99%和98%。运行过程中，膜通量较高，膜污染较轻并可通过对膜面反冲洗进行有效控制[10-12]。Cornelissen等发展了类似的系统并着重研究膜污染过程，发现可逆的和不可逆的膜污染均没有明显发生。图4.正渗透膜生物反应器示意图之后许多研究者着眼于用FO替代MBR中的微滤以及超滤的可行性，成为渗透膜生物反应器（OsMBR）。渗透膜生物反应器（OsMBR）具有诸如低能耗、抗膜污染能力强、对离子及TrOCs截留率高等众多优势。OsMBR通常使用高浓度盐水或者预处理过的海水作为DS。在一些研究中，研究者们将反渗透过程与OsMBR组成混合系统，利用反渗透过程来再生稀释后的DS，并生产产品水。尽管OsMBR具有一些得天独厚的优势，但研究表明其主要不足是溶质及其他可溶解物会在原料液侧的逐步累积。此外，由于DS溶质反向渗透现象的存在，溶质也会在反应内累积。这些物质的累积将降低FO膜两侧渗透压差而导致膜通量的降低，并且微生物活性也会受到抑制。Wan等以及Holloway等提出一种将微滤或者超滤过程与正渗透并联再与MBR整合的混合系统。该系统中的MF/UF膜组件能够连续不断地从反应器中去除可溶解成分以及氮、磷等有益营养成分，还能降低生物反应器中的浓度，从而提高微生物的活性，并最终提升活性污泥对总有机碳（TOC）以及NH3-N的去除效果。UF-OsMBR-RO混合系统长达4个月的长周期实验表明，当开启UF膜组件时，系统的通量可以稳定在4.8L/m2·h超过80天，并且在124天的操作周期内不需要对膜组件进行清洁。此外，该混合系统总氮、总磷的平均去除率以及化学需氧量分别高于82%、99%、96%，并能产生符合饮用标准的产品水。这些优势足以弥补因增加超滤组件导致的投资和-6-操作费用增加。这些研究表明，正渗透膜生物反应器可作为传统膜生物反应器的替代技术，具有显著优势和广泛应用前景。3.1.5正渗透微生物燃料电池对污水中营养物质和能量的回收也日益受到人们的重视。微生物燃料电池（MFC）能利用污水中营养物的产电潜能，是一种前景良好的水处理技术。并且MFC还具有多种功能：阳极可处理市政污水、工业废水、石油废水等；阴极可用于污水脱盐或去除重金属。但MFC存在产电效率较低、出水还需进一步处理及对清洁水的提取效果不理想等缺点。与传统的MFC相比，正渗透微生物燃料电池（OsMFC）以FO膜代替了质子交换膜（IEM）。OsMFC的原理见图5。图5.OsMFC的原理OsMFC可从污水中回收再生水，水通量为2～3L/（m2·h）；对污水中的营养物质进行了浓缩，有利于污水后续资源化利用；碳源为1g/L醋酸盐条件下的能量密度为43W/m3（同等条件下使用阳离子交换膜时能量密度为40W/m3；使用阴离子交换膜时能量密度为23W/m3），处理生活污水可产生能量密度为4.5W/m3的电能；FO