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从一些角度来看,正渗透自身很难用作污水处理的终结端,其更像是一个高级的预处理工艺。而与采用微滤和超滤膜的MBR相比,基于正渗透的MBR能用更低的水力压力(hydraulic pressure)取得更高的截留率。同时正渗透工艺可以一定程度地减少膜污染,也就是说反洗率可以相应降低。进一步说,跟传统MBR相比,OsMBR结合反渗透作深度处理时,能降低RO膜的污染概率以及获得更好的出水水质。
除此OsMRB,还有更具“黑科技感”的工艺整合--渗透厌氧MBR(Os-AnMBR)。新加坡南洋理工大学和中国哈工大科研人员合作的研究显示,正渗透与厌氧MBR组合成的Os-AnMBR工艺能去除96%的COD、接近100%的磷和62%的氨氮,产生的生物沼气中的甲烷约占65%-78%,平均产率约0.21 L CH4 /g COD,且生物反应器中盐度的累加并没对生物过程产生抑制或毒性效应,这显示Os-AnMBR可能在未来的污水厂能源回收方面有很大的发挥空间。
技术限制
根据ACS和Science Direct的统计显示,正渗透的文献在过去10年有了显著的增长。尽管如此,真正的正渗透工程应用案例却是鲜有出现,问题出在哪里呢?
这是由于工艺本身的一些内在属性造成的。就像之前说,正渗透本很更多是一种高级的“预处理”,它还需配合回收汲取液的反渗透工艺(针对高盐溶液)或者蒸发工艺(含铵溶液等)。然而反渗透工艺和蒸发工艺本身存在很多应用方面的挑战。
以蒸发工艺为例,这种工艺似乎可以通过和光伏太阳能结合解决能耗问题,但是因为氨的挥发性,使得在实际应用时最终出水含有大量碳酸铵,这需要安装多阶蒸馏工艺来解决问题,会使最终造价成本变得过高。此外,较高的内部浓差极化(Concentration Polarisation)使OsMBR也有膜通量低等问题,另外还有汲取溶液反向渗透等问题。这些都是阻碍正渗透实现大规模应用的原因。
突破关键
膜的改进和汲取液的选取是实现突破的关键所在。荷兰和比利时研究人员曾做过以下统计:
关于正渗透膜的研究,主要还是集中在膜材料、膜制造工艺、半透膜和支撑层的位置设计等方面。由于其抗氯等内在属性,三醋酸纤维素(CTA)膜应用最为广泛,与纤维素相比,对热、化学、生物降解不敏感,但在污水环境下的水解还是会发生。
开发高性能正渗透膜材料一直是科研人员的探索方向。例如能承受高压的复合薄膜(thin-film composite, TFC)、疏水性能好的CA/CTA膜、具有低接触角的TFC-聚酰胺(PA)膜陆续被研制出来。但目前大部分膜还是由美国的HTI公司垄断, TFC因为其高污染率还不能得到普及。
除了膜的研发之外,汲取液也是提高系统性能的关键。由于溶解度高和适合反渗透回收,氯化钠是应用最广泛的汲取溶液之一。
Os-MBR由于其低膜污染率和相应降低的成本,其商业化前景被人看好,但其成功与否很大程度上取决于是否能找到经济效益更高的汲取液。研究人员可以对能量平衡做分析,然后再对症下药,例如将污水处理和海水淡化结合,使正渗透技术和污水处理变得更加有商机吸引力。
最后,浓缩液也需得到妥善处置,特别是含有重金属的浓缩液。浓缩后的有机质其实有利于能量和营养物的回收,例如应用到市政污水里,解决主流厌氧氨氧化的一些技术限制。
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