两级膜蒸馏反应器在氨氮回收及水回用中的应用

刘沁森

（广州大学土木工程学院，广东 广州）

氮是一种地球上的重要元素，在地球上一个氨循环，维持生命体的存在。由于人类社会与科技学术的快速发展，导致向自然界排放过量的氨氮，打破自然界的氮循环，严重威胁自然生态与人类生存。因此，在过去数十年人类在不断开发各种氮去除技术，提出了硝化、反硝化、厌氧氨氧化等技术，解决了人类大量聚居生活以及生产活动引起的氮污染问题[1]。然而，传统脱氮技术解决了氮的去除问题，却忽视了氮也是农业等生产活动中所必须的重要的营养元素。因此，废水的氮回收是废水高附加值开发处理的重要途径[1]。现有技术中废水的氮回收主要包括以下方法：鸟粪石沉淀法、膜浓缩法、吸附/解吸法、生物吸收法。然而，上述氮回收的方法普遍存在回收率低、产品纯度低、操作复杂以及运行成本高等缺点[2-4]。

1 两级膜蒸馏反应器的提出

1.1 膜蒸馏的原理与优势

膜蒸馏（MD）是基于气液平衡及热传质原理的热驱动过程，以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的推动下，进水中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，在膜的低温侧冷凝为液态，而非挥发性组分则留在热侧进料液中，从而达到分离并去除污染物的目的[5]。由于膜蒸馏可以实现非挥发性污染物的截留，这将有利于废水中挥发性物质的回收。

膜蒸馏技术应用于污水处理过程的优点如下:

（1） 膜蒸馏浓缩过程在常压下进行，设备简单，操作方便。

（2） 在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，仅有水蒸气能透过疏水膜孔，因此出水水质好。

（3） 与反渗透相比，盐浓度以及浓差极化对膜蒸馏影响较小，因此可以处理含有高浓度无机盐的溶液，甚至可以将溶液浓缩到饱和状态。

（4） 膜蒸馏工艺设备简单、操作方便，且膜蒸馏具有分离效率高、低结垢倾向、潜在能耗低等优点[6]。

图1 膜蒸馏工艺流程原理

1.2 两级膜蒸馏的原理与优势

虽然传统的单级膜蒸馏反应器可以实现废水中氨氮的回收，但回收的氨氮浓度和纯度一般较低，且受进水PH 值与碱度的影响大，从而限制了后续资源化利用与附加值开发。开发实用且高效的处理技术成为处理高氨氮废水与氨氮高效回收的关键。两级膜蒸馏反应器不仅可以处理高氨氮废水，同时可以对挥发性的氨进行浓缩与回收。

两级膜蒸馏与传统的单级膜蒸馏的差别在于，第一级膜蒸馏通过对pH 值的调节实现对高氨氮废水中的氨的分离与固定，由于氨在第一级膜蒸馏回收侧以硫酸铵的形态被固定，通过第二级膜蒸馏即可以实现对第一级膜蒸馏回收侧中硫酸铵的浓缩以便实现氨的高浓度回收，同时在第二级膜蒸馏的回收侧实现纯水的产出。

图2 两级膜蒸馏工艺流程原理

图3 两级膜蒸馏氨氮回收原理

2 两级膜蒸馏反应器在氨氮回收与水处理的应用

2.1 两级膜蒸馏反应器在氨氮回收的应用

两级膜蒸馏反应器在氨氮回收的特殊设计在于，利用对pH 值的调节实现对第一级膜蒸馏回收侧氨的固定，同时通过第二级膜蒸馏实现氨的浓缩，这与于单级膜蒸馏相比，回收的氨氮浓度及纯度大幅提升。M.M.Zico 等[7]的研究结果表明传统的单级膜蒸馏反应器处理垃圾渗滤液时氨氮回收率为59%，Xu 等[8]利用两级膜蒸馏反应器处理垃圾渗滤液时的氨氮回收率可以达到84.2%。

2.2 两级膜蒸馏反应器在水处理的应用

两级膜蒸馏对高氨氮废水水质的改善与提升大大优于传统单级膜蒸馏。与单级膜蒸馏相比，两级膜蒸馏工艺对高氨氮废水进行了两次膜蒸馏的处理，废水中的非挥发性污染物经过第一级膜蒸馏的截留被去除，而废水中的挥发性有机物在经过两次膜蒸馏处理后，含量也大幅减小，产水水质大幅改善。Zhang 等[9]采用两级膜蒸馏处理天然气开采产生的真实盐水，结果表明两级膜蒸馏能够实现30.4 kg/(m2·h)的超高水通量，99.8%的截盐率以及94.8%的COD 去除率，总水回收率达到88.6%。

表1 列举了两级膜蒸馏技术与常见的废水中氨氮回收工艺的回收效能及经济效益。

表1 用于氨氮回收的不同工艺的对比

3 两级膜蒸馏反应器运行的影响因素

3.1 pH 值对两级膜蒸馏反应器运行效能的影响

pH 值是影响两级膜蒸馏反应器氨回收效能的主要因素之一。因为pH 值决定了氨氮在水中的形体分布。在碱性pH 值的条件下，氨氮在水中主要以游离态存在；而在酸性pH 值的条件下，氨在水中主要以固定态存在。在两级膜蒸馏反应器运行时，游离态的氨氮比固定态的氨氮更容易从废水中分离跨膜。因此，可以调控两级膜蒸馏反应器的进水pH 值，在第一级反应器实现氨氮向氨气的去质子转化，在第二级反应器实现游离氨的固定，从而实现对废水中氨氮资源的回收。Yan 等[13]用单级膜蒸馏处理垃圾渗滤液时发现，当pH 值从5 升到9，膜蒸馏回收侧的氨氮浓度从83.57 mg/L 上升到906.45 mg/L。

3.2 温度对两级膜蒸馏反应器运行的影响

两级膜蒸馏的跨膜驱动力由温度差提供，因此温度直接影响产水通量。跨膜温差驱动力越大则越有利于获得高品质回用水。此外，温度也是决定游离态的氨氮从水中分离的效率的重要因素之一。温度较低时，气态氨的浓度比例会变小，但游离态氨氮的比例会升；而温度较高时，气态氨可能外溢至大气中，不利于第二级膜蒸馏对氨氮的捕获。因此两级膜蒸馏的跨膜驱动温差直接影响反应器的产水及氨氮回收效能。

图4 氨在不同pH 条件下的形体分布

4 结论与展望

近些年，膜蒸馏技术在水处理中的研究与应用得到了飞速的发展，尤其在高氨氮废水的处理与氨氮回收的应用方面，能够同步实现高品质水回用与氨氮资源回收[12]。但同时应注意到，传统的单级膜蒸馏存在着氨氮回收效率低的问题。

结合目前膜蒸馏在高氨氮废水处理与氨氮回收中的研究情况，笔者认为两级膜蒸馏在用于高氨氮废水处理与氨氮回收中具有巨大的潜能，能够兼具改善水质与提高氨氮回收效率。目前，针对两级膜蒸馏的研究还比较少，对其运行过程中影响因素的研究也较为缺乏，由于pH 值和温度是影响膜蒸馏运行效率的主要因素，后续研究可以通过对pH 值和温度的调控，探寻最佳的pH 值范围和最佳的温度范围以满足两级膜蒸馏对氨氮回收效率达到最佳区间。随着后续研究的深入，两级膜蒸馏将在针对高氨氮废水处理与氨氮回收方面得到更多的应用。