正渗透膜生物反应器膜过滤特性研究

段文松，张方芳，许志恒，凌聪

（安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖241000）

正渗透膜生物反应器膜过滤特性研究

段文松，张方芳，许志恒，凌聪

（安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖241000）

以氯化钠为驱动溶质，采用正渗透膜生物反应器处理模拟生活污水，系统地考察了各因素对正渗透膜过滤性能的影响。结果表明，随着驱动液浓度增加，水通量和反向盐通量也随之增加；正渗透膜活性层朝向驱动液时（AL-DS）的水通量和反向盐通量较活性层朝向原料液（AL-FS）时大；水通量和反向盐通量与错流速率正相关，在错流速率较低时增加不明显；随着活性污泥浓度增加，水通量呈下降趋势，而反向盐通量呈上升趋势。

正渗透膜生物反应器；反向盐通量；膜朝向；错流速率；污泥浓度

正渗透（forward osmosis，FO）是指水在半透膜两侧渗透压差驱动下，自发从膜一侧穿过膜迁移到另一侧的过程〔1〕。相比于压力驱动的膜分离过程，正渗透过程具有能耗低、污染物截留效率高、膜污染较轻等特点，使其在废水处理、苦咸水淡化等领域逐渐成为人们关注的研究热点〔2-6〕。

正渗透膜是一种低能耗的膜处理工艺，而膜生物反应器（MBR）是一种高效的污水处理工艺，将FO应用到MBR中，即正渗透膜生物反应器（forward osmosismembranebioreactor，OMBR）〔7〕。正渗透膜生物反应器是由A.Achilli等于2008年首次提出，他指出OMBR能够去除99%以上的有机物和98%以上的氨氮〔2〕，具有比传统MBR更好的污水处理效果。近年来OMBR成为了生物反应器的研究热点。BaoxiaMi等〔8〕研究了正渗透膜生物反应器中的有机和无机污染。Jinsong Zhang等〔9〕提出，OMBR的膜污染是由生物膜的形成和无机污染的共同作用导致的。A.Achilli等〔2〕运行了一个浸没式OMBR处理生活污水，经过28 d的运行发现，膜污染是造成通量减少的主要原因。廖文超等〔10〕对OMBR的运行参数进行了优化，其结果表明原液膜面流速对膜通量影响较小，汲取液膜面流速增大明显促进膜通量增加。以往对OMBR的研究主要集中在膜污染方面，系统研究OMBR在不同运行状态下的膜过滤特性较少。

笔者以氯化钠为驱动溶质，采用OMBR来处理

模拟生活污水，考察了正渗透膜分离过程中驱动液浓度、膜朝向、错流速率、活性污泥浓度等因素对膜过滤性能的影响，为OMBR在实际工程应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验仪器和材料

仪器：FA2004B电子分析天平，上海佑科；BT600LC蠕动泵，保定创锐；DDS-11A电导率仪，上海雷磁。

原料液为实验室配制的模拟生活污水，其组成（mg/L）：葡萄糖278，NaHCO3111，淀粉278，CaCl26，蛋白胨28，FeSO4·7H2O 0.549，尿素167，KH2PO426.4，MgSO4·7H2O 66，MnSO4·7H2O 6。

活性污泥取自芜湖市城南污水处理厂的生化池。

氯化钠为分析纯，购自于西陇化工股份有限公司。

1.2 实验装置

正渗透膜生物反应器实验装置如图1所示。

图1 正渗透膜生物反应器

FO膜采用美国HTI公司生产的商业化CTAES膜。该膜活性层由醋酸纤维素组成，支撑层为聚酯筛网结构，整个膜厚度大约为50~80μm〔11〕。错流式正向渗透膜组件外置于膜生物反应器，原料液和驱动液分别在膜组件内的膜两侧错流循环。根据实验需要，FO膜活性层分别面向原料液侧（AL-FS模式）和驱动液侧（AL-DS模式），膜两侧错流速率保持相同。膜组件的流道深度为4mm，有效膜面积为36 cm2。原料液和驱动液的有效体积为2 L，驱动液置于电子天平上，通过质量的变化来计算水通量。实验在室温下进行。

1.3 分析方法

采用如图1所示的OMBR实验装置进行正渗透膜过滤特性研究实验。在室温（24±2）℃条件下，将2 L模拟生活污水和活性污泥的混合液加入生物反应器中，并开始曝气，曝气量为3 L/min。在驱动液桶加入2 L一定浓度的氯化钠溶液，调节好错流速率，开始正渗透膜分离循环。试运行10min后，待系统稳定后开始计算驱动液侧氯化钠的质量变化。

根据电子天平实时采集的驱动液质量变化，并按式（1）计算水通量Jw。

式中：Jw——正渗透膜的水通量，L/（m2·h）；

S——膜的有效面积，m2；

t——正渗透膜分离时间，h；

ΔW——驱动液质量的增加量，kg；

ρ——水的密度，kg/L。

按式（2）计算反向盐通量Js。

式中：Js——正渗透膜的反向盐通量，g/（m2·h）；

C0、Ct——分别为初始时刻、t时刻原料液中的TDS质量浓度，g/L；

V0、Vt——分别为初始时刻、t时刻原料液体积，L。

2 结果与讨论

2.1 驱动液浓度对正向渗透膜过滤性能的影响

驱动液是影响正渗透膜分离过程的重要因素之一。而理想的正渗透驱动液首先应当易溶于水且能够产生较高的渗透压并且能够与水很好地分离，实现其循环利用〔12〕。本实验采用浓度为0.5~3.0mol/L的NaCl溶液作为驱动液，在活性污泥质量浓度为3 000mg/L，活性层朝向原料液（AL-FS）方向，错流速率为600mL/min的条件下，考察驱动液浓度对水通量Jw和反向盐通量Js的影响，结果见图2。

图2 NaCl浓度对正渗透膜水通量和反向盐通量的影响

由图2可知，随着氯化钠浓度从0.5mol/L增加到3.0 mol/L，Jw从4.97 L/（m2·h）增加到13.33 L/（m2·h）。由于原料液不变，随氯化钠浓度增加，其渗透压也相应增加，与原料液之间的渗透压差也随之增加，为正渗透膜分离提供的驱动力也增加，所以水通量也随之增加。该现象亦可由Van'tHoff公式解释，浓度高的氯化钠溶液具有更多的离子数，因此汲取液渗透压更高，膜通量更大〔13〕。

同样由图2可知，随着氯化钠浓度从0.5mol/L增加到3.0mol/L，Js从9.26 g/（m2·h）增加到42.58 g/（m2·h）。由于正渗透膜的不完全致密性，在水从原料液透过FO膜到驱动液侧时，驱动溶质也会少量反向透过膜到达原料液侧，且氯化钠浓度越高反向盐通量也越大。

2.2 膜朝向对正向渗透膜过滤性能的影响

使活性层分别朝向驱动液（AL-DS）和原料液（AL-FS）方向，在活性污泥质量浓度为3 000mg/L，错流速率为600mL/min的条件下，考察膜朝向对Jw和Js的影响，结果见图3。

图3 膜不同朝向对Jw和Js的影响

由图3可知，在相同驱动液浓度下，活性层朝向驱动液时（AL-DS）的Jw和Js较活性层朝向原料液（AL-FS）时大。对于正渗透过程来说，由于无需外加压力，理论上正渗透膜的水通量应与膜两侧溶液的渗透压差成正比。然而研究发现实际通量远远小于预期值〔14-16〕。这是由于FO过程特有的浓差极化现象造成的。正渗透过程中，浓差极化现象分为内浓差极化和外浓差极化。在AL-DS模式时，当水和溶质在多孔支撑层中扩散，沿着活性层的内表面会生成一层极化层，称为浓缩型内浓差极化；相反地，在AL-FS模式时，当水渗透过活性层，稀释了支撑层中的汲取液，称为稀释型内浓差极化〔17〕。由于CTA-ES正渗透膜是非对称结构的，在实验过程中膜两侧溶液均提供较大的错流速率实现湍流，所以可忽略外浓差极化的作用。猜想可能是因为驱动液侧氯化钠浓度较高，在AL-DS模式由于原料液在多空支撑层中扩散所形成的浓缩型内浓差极化所降低的有效驱动力小于在AL-FS模式由于溶质稀释所形成的稀释型内浓差极化作用所降低的有效驱动力，因此使得AL-DS模式中Jw和Js大于AL-FS模式中的Jw和Js。

2.3 错流速率对正向渗透膜过滤性能的影响

在活性层朝向原料液（AL-FS）方向，活性污泥质量浓度为3 000mg/L，氯化钠浓度为2mol/L，错流速率分别为300、600、1 200mL/min的条件下，考察错流速率对Jw和Js的影响，结果见图4。

图4 错流速率对Jw和Js的影响

由图4可知，Jw和Js随着错流速率的增加而增加。当错流速率由300mL/min提高到600mL/min时，Jw和Js虽有增加但增加不明显。当错流速率由600mL/min提高到1 200mL/min时，Jw和Js明显增加。可见在错流速率较低的条件下，Jw和Js增加不明显；错流速率较高时，Jw和Js增加明显。分析其原因，首先膜表面错流速率可以改变膜附近的溶质浓度，从而减小浓差极化程度，提高正向渗透膜通量〔13〕。所以通量随着错流速率的增加而增加。在错流速率较

低的条件下，膜两侧表面的冲刷作用较弱，剪切力不足，膜污染发展较快。而在错流速率达到一定程度时，膜两侧表面冲刷效果较强，对于原料液侧来说可以及时循环活性污泥混合液，减轻膜污染趋势；对于驱动液侧来说有助于导出由原液侧渗透过来的水，减小支撑层的内浓差极化程度〔13〕。

2.4 活性污泥浓度对正向渗透膜过滤性能的影响

活性污泥是生物水处理工艺的重要组成，MBR的特点就是污泥浓度高，水处理效果好，但是污泥浓度高给后续的膜分离过程带来了困难。在正渗透膜生物反应器中，研究活性污泥浓度对正向渗透膜过滤性能的影响十分必要。在活性层朝向原料液（AL-FS）方向，错流速率为600mL/min，氯化钠浓度为2mol/L的条件下，考察了活性污泥质量浓度分别为3 000、5 000、7 000mg/L对Jw和Js影响，结果见图5。

图5 活性污泥浓度对Jw和Js的影响

由图5可知，随着活性污泥浓度增加，正渗透膜水通量Jw呈下降趋势。当活性污泥质量浓度由3 000 mg/L提高到5 000mg/L时，Jw虽有下降但是降低不明显。当活性污泥质量浓度由5 000mg/L提高到7 000mg/L时，Jw下降较为明显。在其他条件相同的情况下，活性污泥浓度越高，原料液侧的渗透压也越高，膜两侧的渗透压差就越小，提供的驱动力也越小，因此水通量越低；另一方面，活性污泥浓度越高原料液侧污染物质越多，对膜的污染趋势也越大。由图5（b）可知，随着活性污泥浓度增加，反向盐通量Js呈上升趋势。

3 结论

（1）随着氯化钠浓度从0.5 mol/L增加到3.0 mol/L，水通量Jw从4.97 L/（m2·h）增加到13.33 L/（m2·h）；反向盐通量Js从9.26 g/（m2·h）增加到42.58 g/（m2·h）。

（2）活性层朝向驱动液（AL-DS）时的正渗透膜水通量和反向盐通量较活性层朝向原料液（AL-FS）时的大。

（3）正渗透膜水通量和反向盐通量与错流速率正相关，在错流速率较低时增加不明显，在较高时增加明显。

（4）随着活性污泥浓度增加，正渗透膜水通量Jw呈下降趋势，在活性污泥浓度较高时Jw下降明显；而反向盐通量Js随着活性污泥浓度增加呈上升趋势。

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Study onmembrane filtration characteristics in forward osmosismem brane bioreactor

DuanWensong，Zhang Fangfang，Xu Zhiheng，Ling Cong
（SchoolofEnvironmental Scienceand Engineering，AnhuiNormalUniversity，Wuhu 241000，China）

Using sodium chloride as driving solute，simulated domestic sewage hasbeen treated by forward osmosis membrane bioreactor.The influencesof various factorson the filtration capacity of the forward osmosismembrane is investigated systematically.The results show thatwith the increase of driving solution concentration，the water flux and reverse salt flux increase，too.When theactive layerof forward osmosismembrane isorientating the driving solution，thewater flux of AL-DS（active layer-driving solution）and the reverse salt flux arehigher than the active layer isorientating the AL-FS（active layer-feeding solution）.Thewater flux and the reverse salt flux are positively correlatedwith cross-flow rate.No significantincrease appears，when cross-flow rate is low.With the increaseofactivated sludge concentration，water flux tends to dropping down，while reverse salt flux tends to risingup.

forward osmosismembrane bioreactor；reverse salt flux；membrane orientation；cross-flow rate；sludge concentration

TQ028.8

A

1005-829X（2016）11-0053-05

段文松（1979—），博士，副教授。电话：15955360579，E-mail：dws7911@163.com。

2016-09-02（修改稿）

安徽省自然科学基金资助（1608085mB45）