正渗透技术在污水资源化中的研究进展

许阳宇，周 律，贾奇博

（清华大学 环境学院，北京 100084）

特约述评

正渗透技术在污水资源化中的研究进展

许阳宇，周 律，贾奇博

（清华大学 环境学院，北京 100084）

正渗透技术（FO）是一种以半透膜两侧溶液渗透压之差作为水分子跨膜驱动力的绿色膜分离技术。介绍了FO的原理及其对污染物的截留率较高、能耗小、膜寿命较长、不易发生膜污染且污染后的膜清洗更简单等优点。综述了FO在污水资源化领域的研究进展和应用现状，分析了目前应用中存在的主要问题，指出完善基础理论、研发膜材料、回收驱动液等是未来FO的主要发展方向。

正渗透；污水资源化；膜材料；膜污染；驱动液

随着社会的发展和人们环保意识的增强，污水的处理与资源化越来越受到人们的重视。正渗透技术（FO）作为一种绿色的膜分离技术在污水处理与资源化中有着很大的应用潜能。FO以半透膜两侧的渗透压差作为水的跨膜驱动力，无需外加压力，低能耗甚至零能耗。相对于反渗透技术（RO），FO对膜的预处理要求较低，对污染物的截留率较高［1-2］，对于成分复杂且常规方法难以处理的污水有较好的处理效果［3］。

本文介绍了FO的原理及其优点，综述了FO在污水资源化领域的研究进展和应用现状，分析了目前存在的主要问题，指出了FO在污水资源化领域的发展方向。

1 FO的原理及其优点

FO以半透膜两侧溶液渗透压之差作为水分子跨膜的驱动力。采用高浓度的溶液作为驱动液，使原水中的溶剂（水）自发地通过半透膜进入驱动液中，使原水被浓缩。同时，稀释后的驱动液可以通过其他手段，如 RO、膜蒸馏（MD）、热分解等加以回收，进入系统循环［4-5］。

由于FO膜本身的特性及其温和的操作条件，FO相对于目前其他处理复杂成分污水的技术有着如下优点：1）膜孔径小（0.25～0.37 nm），对于水中的颗粒物、病原体、污染物及溶解性物质有很高的截留率［6］；2）无需外加高压，FO过程能耗小，FO膜材料强度要求低［7］；3）相对于RO和纳滤，FO可省去复杂的预处理过程，膜寿命较长；4）与RO相比，不易发生膜污染，且污染后的清洗更简单［8］；5）可浓缩成分复杂的污水，便于后续的资源化利用（如厌氧发酵后沼液的浓缩等）。

2 FO在水处理中的应用

近年来，人们对FO在水处理中的应用开展了较为广泛的研究，取得了显著的进展。

2.1 正渗透膜生物反应器

膜生物反应器（MBR）运行过程中的膜污染较严重，导致水通量迅速下降，膜材料需要经常清洗及更换，增加了MBR运行的技术难度［9］。为克服与改进MBR存在的问题，将FO膜引入MBR中代替原有的微滤/超滤膜，并结合RO进行后处理，这一组合被称为正渗透膜生物反应器（OsMBR）。OsMBR的工作过程是在驱动液驱动下污水中的水分子通过FO膜进入驱动液，污水与活性污泥得到浓缩；被稀释的驱动液采用RO进行回收，驱动液浓缩过程的同时产出高品质再生水［10-11］。

OsMBR表现出了优越的性能，采用FO和RO的双重屏障，出水水质非常好；FO膜对有机碳和NH3-N的截留率分别达到99%和98%，高于MBR的98%和90%；在5.5 g/L MLSS条件下长期运行的水通量仅下降18%，而相同条件下MBR长期运行的水通量下降可达75%；膜清洗产生的净通量的降幅很小；膜污染可逆，每周一次的反冲洗可恢复到初始通量的90%［11-13］。OsMBR对于成分复杂的污水与废水，如垃圾渗滤液、厌氧消化液等也同样适用。

2.2 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［14-15］。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［16］见图1。

图1 OsMFC的原理

OsMFC可从污水中回收再生水，水通量为2～3 L/（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1 g/L 醋酸盐条件下的能量密度为43 W/m3（同等条件下使用阳离子交换膜时能量密度为40 W/m3；使用阴离子交换膜时能量密度为23 W/m3），处理生活污水可产生能量密度为4.5 W/m3的电能；FO膜的传质效果优于IEM，因而能量产生效率较传统MFC有一定的提高［16-19］。

2.3 污泥脱水

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［20］。FO膜用于污泥脱水的工艺流程见图2。剩余污泥中的水透过膜组件进入驱动液（36 g/L NaCl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2 FO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7 g/L增加至39 g/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［20-21］。以上优点使得FO用于污泥脱水具有很大的应用潜力。

2.4 其他应用

还有研究者将FO应用于海水淡化［22-23］、藻类的浓缩［24］以及灌溉施肥［25］等水处理与资源化领域。

3 存在的问题

已有研究表明FO具有优越的物质回收性能，但该技术要取得更好的应用效果还需要解决一些关键性的问题。

3.1 浓差极化

无论对于外压还是渗透压驱动的膜分离过程，浓差极化都是不可避免的问题。浓差极化分为外浓差极化（ECP）和内浓差极化（ICP）。由于浓差极化现象的存在，使得有效的跨膜渗透压差显著减小，膜通量也随之减小，导致膜处理效率降低［5，26-27］。此外，浓差极化还会强化膜两侧的溶质传输过程（包括正向和反向），降低膜对污染物的截留率（正向），也导致驱动溶质渗漏，降低跨膜压差（反向）。

非对称FO膜的浓差极化现象的示意图见图3。

图3 非对称FO膜的浓差极化现象的示意图

由图3a可见，当活性层朝向驱动液（AL-DS模式）时，存在浓缩ICP 和稀释ECP，分别出现在支撑层中和活性层外，使得靠近膜表面的原液浓度升高，驱动液浓度下降，有效压差减小。由图3b可见，当支撑层朝向驱动液（AL-FS 模式）时，存在稀释ICP 和浓缩ECP，分别出现在支撑层中和活性层外，使得靠近膜表面的驱动液浓度下降，原液浓度升高，有效压差减小。

浓差极化可通过选择合适的驱动液溶质及浓度、增加膜活性层亲水性、减小膜支撑层厚度、增加膜两侧湍流程度等方法减轻。

3.2 回收驱动液的能耗

虽然FO过程本身几乎不消耗外界能量，在无需对驱动液进行回收的条件下（如海边、施肥灌溉）具有较大的能耗优势，但若要重新浓缩回收被稀释的驱动液则需要较大的能量。在多数情况下，FO系统中驱动液的回收是必不可少的，而驱动液回收的能耗很大程度上影响了FO的适用性。目前驱动溶质主要有无机盐、有机化合物、磁性蛋白等，而回收方法有RO、MD、热分解、磁性回收等。这些回收方法的能耗均较高，因此开发易于分离回收的驱动溶质，研究低能耗的驱动液回收方法，是FO的重要研究方向之一［28-32］。不同海水脱盐技术的能耗比较见表1。

表1 不同海水脱盐技术的能耗比较

由表1可见，虽然理论上FO的能耗低于RO，且由于原水得到浓缩，原水中营养物质的能量回收后可对FO能耗进行一定的补偿，但目前由于缺乏成熟的材料和技术，理论上的低能耗还难以实现。

3.3 驱动溶质的反向渗透

驱动溶质的反向渗透增加了料液侧膜表面的溶质浓度，减小了驱动渗透压差。此外，驱动溶质的反向渗透还可能引起膜污染，影响FO过程中的水通量。如果驱动溶质具有污染特性，反向渗透进入原水可能对原水造成污染，还需对原水进行额外的处理；若驱动溶质具有生物毒性，则对于OsMBR等会降低反应器中的生物活性，影响水处理效果［33-34］；若驱动溶质价格较高，反向渗透造成了驱动溶质的损失，则会降低该技术的经济性。

3.4 膜污染

FO膜的污染程度比其他压力驱动的膜小，膜的耐久性好，同时污染膜的可恢复性好［12，27，35-37］。但膜污染的存在仍然是FO发展过程中一个重要的问题。研究复杂水质条件下FO膜的污染特性与污染机理，建立污染模型，准确预测FO膜污染，将有助于FO膜的研究发展和实际应用，延长膜在高通量下的操作时间，缩短反冲洗的时间间隔，可减轻膜污染所带来的负面影响。

4 发展方向

4.1 完善基础理论

虽然FO也属于渗透膜分离过程，在原理上与较为成熟的RO有许多相同之处。但FO的传质及膜污染理论仍有许多尚不完善之处，原有的理论难以准确预测FO过程的传质模型与膜污染行为［38-39］，需要进一步完善FO基础理论。

4.2 研发膜材料

膜材料对水通量、膜污染的产生与控制、膜对外界条件的耐受性能以及膜寿命都有很大的影响。理想的FO膜应具有以下特点：1）有致密且超薄的活性分离层，以提高污染物的截留率；2）支撑层通透性与亲水性较好，尽可能薄的同时又能提供足够的机械强度，可减小ICP；3）膜表面活性层亲水性好，增大水通量的同时可减轻膜污染。

膜材料可向着膜表面改性、支撑层优化、双层膜、仿生生物膜（水通道蛋白膜）等多方向发展。

目前应用较多、较为成熟的FO膜为三乙酸纤维素（CTA）膜。新一代商品化的超薄复合膜比CTA膜的通透性更好，可适用的pH范围更广［40］。双活性层的醋酸纤维素膜外表面活性层结构致密，在污水回用中有很大的潜力［41］。还有一些强度高、热稳定性好的高分子材料（如聚苯并咪唑）具有较高的盐截留率，表面亲水性强，产生膜污染的倾向较低［42］。常见FO膜材料的照片见图4［41-43］。

4.3 回收驱动液

研发具有高渗透性且便于回收的渗透溶质，以及发展高效率、低能耗的驱动液回收方法，是FO发展的重要方向。FO中常用的驱动液及其优缺点见表2［44-46］。

4.4 其他

对于FO的实际应用，合适的操作条件、合理的膜形式结构设计、必要的预处理技术等也是不可或缺的。

图4 常见FO膜材料的照片

表2 FO中常用的驱动液及其优缺点

5 结语与展望

FO具有的突出优点使其在污水资源化领域中拥有巨大的应用潜力。虽然目前技术的成熟度还有待提高，但通过对膜材料、驱动液等的研究开发与基础理论的总结完善，相信在不久的将来，FO在水处理及资源化领域会发挥更好的作用。

致谢 本研究得到比尔及梅琳达·盖茨基金会的资助，在此表示感谢。

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（编辑 祖国红）

·信息与动态·

棕榈仁壳和聚乙烯废料掺混料通过流化床催化蒸汽共气化过程生产合成气

Energy，2014，75(10):40

研究人员通过试验证实了催化作用对生物质/塑料废弃物掺混料在流化床中气化的影响，在不同的温度、不同的蒸汽-生物质和聚乙烯-生物质的比例下试验，确定最佳条件来提高氢气和合成气的产量。

预期来自可再生资源的能源将补充由化石燃料资源产生的能源。气化是一种用于固体废物燃料转换的通用热化学工艺。对棕榈仁壳（PKS）和聚乙烯废料掺混料以催化蒸汽气化工艺生产合成气进行了研究。为了获得生产合成气的最佳条件，研究人员通过Taguchi实验设计方法,研究和优化了主要变量（如反应温度、蒸汽-原料质量比、聚乙烯废料-生物质质量比）对合成气生产的影响。在800℃、聚乙烯废料-生物质的质量比为0.3和蒸汽-原料的质量比为1的优化条件下，原料的总合成气产率和氢气产率分别达到422.40 g/kg和135.27 g/kg。

（以上由彭琳供稿）

有盈利潜力的将城市固体废弃物转化为直链烷烃的工艺

Chem Eng，2014-11-01

美国得克萨斯州A&M大学的研究团队正在开发一种工艺，将城市有机固体废弃物（MSW）转化成直链烷烃（汽油中的主要组成部分）。这种4步工艺开始于一种成熟的工业废物分类方法（使用振动、磁性和气流）从MSW中成功提取出有机可消化部分（通常是食物残渣、纸张、木材和庭院废弃物）。接着，逆流发酵步骤中采用天然存在的细菌消化垃圾的有机部分，将其转化成各种羧酸（碳链长度从2个到8个碳原子）。发酵过程在地面上的塑料或混凝土衬里孔中就地发生。因此，任何类型的有机材料都可以处理，并且不需要在无菌条件下。酸性发酵液随后被转移到一个连续的膜提取器中。链羧酸被选择性地提取并在碱性环境中回收，得到富含羧酸盐的溶液。最后，该羧酸盐通过科尔贝电解结合两种有机酸，形成烷烃。这些烷烃分开出售，而剩余的水溶液再循环回到所述的提取装置。

该团队进行了广泛的可行性分析，以确定该4步骤生产烷烃工艺的盈利能力。尽管这一工艺高度依赖于地理位置，该团队研究确定该工艺的确可以有投资回报，并且在合适的条件下是有利可图的。但未来仍需要进一步研究和资金的支持，以证明这些步骤串联连续运行的效果，并进一步研究膜提取步骤的传质行为。此外，为了优化结果，该集团计划探讨除了科尔贝过程的其他转化方法。该公司已经与地球能源可再生能源公司就这一工艺的进展和商业化进行合作。

（以上由赵淑战供稿）

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。

许阳宇（1991—），女，四川省成都市人，硕士生，电话 15201312314，电邮 xu-yy14@mails.tsinghua.edu.cn。联系人：周律，电话010-62773079，电邮zhou2001@263.net.cn。