化肥驱动正渗透工艺处理生活污水的研究进展

采用化肥驱动正渗透（fertilizer driven forward osmosis, FDFO）工艺处理生活污水,不仅有效降低受纳环境风险或减少水体污染,同时经稀释后的化肥汲取液可直接用于周边农田灌溉,实现了生活污水处理与农田灌溉水肥一体化协同效应,具有良好的应用前景。目前,FDFO处理生活污水处于实验室小试和部分现场中试验证阶段,规模化应用的关键核心在于高效正渗透膜的开发、膜装置设计的改进、膜表面水力学参数的优化及膜污染缓解技术水平的提升。文章综述了近10年FDFO工艺在处理生活污水中的应用,重点阐述了FDFO工艺的膜装置类型与工艺流程、评价指标及其影响因素等3方面,并展望了未来FDFO工艺规模化处理生活污水面临的挑战,以期推动FDFO工艺在处理污水领域的应用。     

正渗透去除地表水中DOM的效能研究

采用经砂滤处理后的滆湖水作为原料液,氯化钠溶液作为汲取液,在不同影响因素条件下进行正渗透试验,并对试验后的膜片进行清洗,探究膜污染的可逆性.结果表明:提高汲取液浓度、运行温度及膜面流速均可有效增加膜通量;正渗透对滆湖水体中的溶解性微生物代谢产物、类色氨酸、类富里酸和腐殖酸四种主要DOM成分均有较好的去除效果,DOC、UV₂₅₄截留率均在96%以上;短期运行通过水力清洗几乎可以完全恢复膜通量,而长期运行通过超声清洗可以基本恢复全部膜通量,通过分析膜清洗液可知造成膜污染的主要物质为类色氨酸类和类富里酸类物质.     

制备高通量、抗污染PDA/PEI纳米颗粒膜用于农村含油生活污水处理

水处理分离膜具有纳米尺度筛分孔道,虽适合分散式处理农村生活污水中油水乳化液,但膜污染严重,导致膜通量较低.因此,设计抗污染、高通量水处理分离膜可实现农村含油生活污水高效处理.本文采用真空辅助自组装技术,在高分子膜表面及内部负载聚多巴胺（PDA）/聚乙烯亚胺（PEI）纳米颗粒,制备了PDA-NP膜.由于纳米颗粒含有丰富的亲水基团,改性后膜纯水通量及农村含油生活污水通量恢复率分别高达（741.23±17） L/（m²·h）及99.4%,实现了高通量、抗污染目标;另外,对农村含油生活污水TOC的去除率达45.12%,具有较强的实际意义.     

制备高通量、抗污染PDA/PEI纳米颗粒膜用于农村含油生活污水处理

水处理分离膜具有纳米尺度筛分孔道,虽适合分散式处理农村生活污水中油水乳化液,但膜污染严重,导致膜通量较低.因此,设计抗污染、高通量水处理分离膜可实现农村含油生活污水高效处理.本文采用真空辅助自组装技术,在高分子膜表面及内部负载聚多巴胺（PDA）/聚乙烯亚胺（PEI）纳米颗粒,制备了PDA-NP膜.由于纳米颗粒含有丰富的亲水基团,改性后膜纯水通量及农村含油生活污水通量恢复率分别高达（741.23±17） L/（m²·h）及99.4%,实现了高通量、抗污染目标;另外,对农村含油生活污水TOC的去除率达45.12%,具有较强的实际意义.     

利用水通道蛋白正渗透膜浓缩生活污水

为从生活污水中回收水资源并同时减少后续处理的反应器容积,本研究采用水通道蛋白正渗透膜对生活污水进行浓缩,并探究不同汲取液对生活污水的浓缩效果和膜污染的影响.在污水体积浓缩至初始的1/10时,氮、磷等浓度浓缩倍数仅为1~3左右,而有机物和金属离子浓度浓缩倍数约为4~7,浓缩后污水COD/TN从2.9增至10.9,生物脱氮潜力明显提高.由于汲取液的盐反向扩散和原料液中污染物浓度的升高,高离子强度是影响污染物截留率的重要原因.浓缩时采用高浓度汲取液会导致膜表面出现结垢,膜污染严重.采用MgCl₂作为汲取液可有效减轻浓缩过程中的盐度累积,且Mg²⁺的作用还可促进微生物活性,但这也可能导致水通道蛋白的分解.     

预涂膜工艺应用于超滤膜系统

为提高超滤膜系统对污水处理厂二级出水中有机物和TN的去除效果,并降低超滤膜污染速率,改善超滤膜性能,分析了沸石粉、硅藻土2种预涂膜工艺在超滤膜系统中的应用效果. 结果表明:沸石粉/超滤工艺对超滤膜系统的膜通量恢复良好,反冲洗后能恢复到原来的膜通量;而硅藻土/超滤工艺中膜通量较初期下降0.01 L/(m2·h),对照组下降0.04 L/(m2·h). 沸石粉/超滤工艺对污水处理厂二级出水中COD_Cr、UV₂₅₄和TN的去除率分别为17.5%、13.5%和11.7%,相比对照组均有较大程度提高. 通过电镜扫描分析发现,沸石粉能够在超滤膜表面有效形成一层保护膜,降低有机物在膜表面的沉积,保障膜系统的高效率及长期稳定运行. 通过比较各实际运行工况效果并进行筛选,确定沸石粉为预涂膜工艺的最佳材料.      

聚砜-聚酰胺正渗透复合膜的制备及性能优化

采用相转化的方法制备聚砜支撑层,在其表面进行界面聚合得到聚砜-聚酰胺正渗透复合膜。系统研究了聚砜浓度、溶剂比例、支撑层厚度对膜性能的影响,并且优化了测试条件(如:膜面流速、错流方向、原料液温度以及驱动液浓度)。结果表明,在聚砜含量为w=12%、NMP与DMF质量比为3∶1、刮膜厚度为150μm、膜面流速为2.47 cm/s、反向错流方式下,聚砜-聚酰胺正渗透膜性能为:FO模式下,水通量为12.69 L/(m~2·h),反向盐通量为5.55 g/(m~2·h);PRO模式下,水通量为21.48 L/(m~2·h),反向盐通量为9.18 g/(m~2·h)。此外,原料液温度升高和驱动液浓度增加有利于提高膜的性能。正渗透复合膜的形貌和表面粗糙度通过SEM和AFM进行表征。     

正渗透膜分离技术在水处理中的应用与展望

简述了正渗透膜分离的原理,概括了当前正渗透膜分离技术在海水淡化领域、污水处理领域(包括工业污水、污泥浓缩以及混合工艺)和产业化应用领域的发展。并展望了正渗透分离技术未来在在膜材料、汲取液和膜污染三个方面的研究和发展。     

混凝对膜污染的防止作用

研究了混凝改善膜通量和防止膜污染的效果 .结果表明 :直接过滤原水的情况下 ,反冲洗后的膜通量恢复仅为初始通量的40% ;而投加了混凝剂 4mg/L和10mg/L(以Al计 )后 ,反冲洗后的通量得到了完全的恢复 .混凝防止膜污染取决于过滤过程在膜表面形成的滤饼层的性能 .在过滤混凝液的情况下 ,混凝能在膜表面形成滤饼层 ,从而有效地防止膜污染 ,而过滤上清液的情况下 ,无法为混凝去除的中性亲水性的有机物沉积在膜表面 ,造成膜污染 .     

纳米二氧化硅改性聚酰胺复合膜及其抗污染性能

采用经3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）修饰的纳米二氧化硅（SiNPs）,对正渗透聚酰胺复合膜（TFC）进行抗污染改性.在静电吸附作用下,APTMS-SiNPs可通过表面涂覆的方式接枝在带负电的TFC表面,以提高膜的亲水性和抗污染效能.改性后,大量纳米材料成功接枝在膜表面,膜表面的接触角降低了54%,而膜电位和表面粗糙度无明显变化.采用海藻酸钠作为代表污染物,对原膜和改性膜的动态污染行为进行探究,通过监测污染阶段的通量变化和膜表面滤饼层含量,发现改性膜在膜污染后期表现出优良的抗污染性能,最终通量衰减降低了28%,膜表面滤饼层含量减少了35%.改性膜的抗污染性能主要归因于APTMS-SiNPs带来的膜表面亲水性的大幅提高.     

正渗透技术在水和废水处理中的应用研究

正渗透(Forward osmosis,FO)技术是一种由渗透压驱动的膜技术,与传统的机械压力驱动的膜技术相比,具有出水水质高、能耗低、操作压力小、设备简单易操作、污染小等特点,近年来在水和废水处理的研究领域受到越来越多的关注.但FO技术目前仍然存在一些问题,如浓差极化、膜污染、汲取液溶质返混和汲取液的后处理等,使之目前仍未得到广泛的应用.本文对已有FO技术的相关文献进行较为全面系统的归纳,介绍了FO技术的原理,以及在海水脱盐、市政污水处理、特种废水处理等领域的应用,讨论了影响FO运行的主要因素(主要包括FO膜、汲取液、原水性质和运行条件等方面),并着重阐述了FO技术目前存在的问题(浓差极化、膜污染、汲取液溶质返混和汲取液的后处理).最后,对FO技术未来的研究和发展方向给出了建议.     

Fatty acid fouling of forward osmosis membrane: Effects of pH, calcium, membrane orientation, initial permeate flux and foulant composition

Octanoic acid (OA) was selected to represent fatty acids in effluent organic matter (EOM). The effects of feed solution (FS) properties, membrane orientation and initial permeate flux on OA fouling in forward osmosis (FO) were investigated. The undissociated OA formed a cake layer quickly and caused the water flux to decline significantly in the initial 0.5 hr at unadjusted pH 3.56; while the fully dissociated OA behaved as an anionic surfactant and promoted the water permeation at an elevated pH of 9.00. Moreover, except at the initial stage, the sudden decline of water flux (meaning the occurrence of severe membrane fouling) occurred in two conditions: 1. 0.5 mmol/L Ca^2 +, active layer facing draw solution (AL-DS) and 1.5 mol/L NaCl (DS); 2. No Ca^2 +, active layer-facing FS (AL-FS) and 4 mol/L NaCl (DS). This demonstrated that cake layer compaction or pore blocking occurred only when enough foulants were absorbed into the membrane surface, and the water permeation was high enough to compact the deposit inside the porous substrate. Furthermore, bovine serum albumin (BSA) was selected as a co-foulant. The water flux of both co-foulants was between the fluxes obtained separately for the two foulants at pH 3.56, and larger than the two values at pH 9.00. This manifested that, at pH 3.56, BSA alleviated the effect of the cake layer caused by OA, and OA enhanced BSA fouling simultaneously; while at pH 9.00, the mutual effects of OA and BSA eased the membrane fouling.     

Fouling distribution in forward osmosis membrane process

Fouling behavior along the length of membrane module was systematically investigated by performing simple modeling and lab-scale experiments of forward osmosis （FO） membrane process. The flux distribution model developed in this study showed a good agreement with experimental results, validating the robustness of the model. This model demonstrated, as expected, that the permeate flux decreased along the membrane channel due to decreasing osmotic pressure differential across the FO membrane. A series of fouling experiments were conducted under the draw and feed solutions at various recoveries simulated by the model. The simulated fouling experiments revealed that higher organic （alginate） fouling and thus more flux decline were observed at the last section of a membrane channel, as foulants in feed solution became more concentrated. Furthermore, the water flux in FO process declined more severely as the recovery increased due to more foulants transported to membrane surface with elevated solute concentrations at higher recovery, which created favorable solution environments for organic adsorption. The fouling reversibility also decreased at the last section of the membrane channel, suggesting that fouling distribution on FO membrane along the module should be carefully examined to improve overall cleaning efficiency. Lastly, it was found that such fouling distribution observed with co-current flow operation became less pronounced in counter- current flow operation of FO membrane process.     

剩余污泥胞外聚合物回收:藻酸钠正渗透分离的影响因素

剩余污泥中胞外聚合物（EPS）具有巨大的回收价值。然而,回收的EPS溶液含水率接近100%,其浓缩脱水是亟待解决的关键问题。正渗透（FO）膜分离具有膜污染小、浓缩率高、耐高浓度等特点,已成为新兴的节能脱水技术。提出了一种新型的死端FO浓缩方式,调查了模拟EPS（藻酸钠）的正渗透脱水行为。结果显示:FO膜活性层朝向料液侧时水通量下降速率小;类似于外加压力驱动,扫流模式可以减轻FO膜污染,提高水通量;为防止FO膜的拉伸变形,隔板需进行合理设计（如适宜的开孔率）,以缓解水通量的下降;不同于外加压力驱动,尽管Ca2+也可减轻膜污染,但效果有限。     

正渗透技术研究现状及进展

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.本文综合了国内外相关文献的信息,从正渗透膜制备、浓差极化、汲取液及正渗透应用等四方面对正渗透技术的研究现状及进展进行了综述,并分析了其应用过程中存在的缺陷和未来发展趋势.正渗透技术的研发虽取得了显著进展,但仍存在应用瓶颈.正渗透膜仍存在对某些污染物的截留率不高、支撑层内浓差极化大、造价较贵等问题;影响浓差极化的因素尽管已经比较清楚,但至今尚无有效大幅度降低甚至消除内浓差极化的方法;汲取液存在反向渗透较重、回收过程能耗较大等问题;正渗透技术的应用范围,特别是在工业废水处理领域还需拓展.     

电导率对厌氧产酸、正渗透与微生物燃料电池耦合工艺运行性能的影响

将厌氧产酸(AA)、正渗透技术(FO)与微生物燃料电池(MFC)进行耦合,构建了用于污水处理的AAFO-MFC耦合工艺,实现污水的同步产电和回用.由于电导率是AAFO-MFC运行的关键因素,考察了电导率对系统运行性能的影响.结果表明,较高的电导率可以降低MFC的内阻,提高产电,但是会加重FO膜污染,导致FO膜通量快速衰减,缩短运行时间.电导率对出水水质并没有显著影响,FO膜出水的总有机碳(TOC)和总磷(TP)浓度分别低于4 mg·L~(-1)和0.5 mg·L~(-1),但是FO膜对于氨氮(NH+4-N)的截留效果较差.控制反应器内电导率为7~8 m S·cm-1时,系统整体性能表现最佳,可以获得连续且相对稳定的输出电压,而且FO膜通量下降较为缓慢,运行周期达到29 d.     

城市污水二级出水超滤膜污染与膜特性的研究

以城市污水二级出水为过滤介质,考察了PVA、PVP、PMMA等与PVDF的二元及三元共混超滤膜的过滤污染行为.结果表明,共混优化了PVDF超滤膜的结构参数,添加剂PVP、PVA可有效改善膜的亲水化程度,提高膜渗透通量.超滤膜的亲水性和结构特性对膜抗污染性能影响较大;堵孔阻力是二级出水过滤膜污染不可逆的主要原因.亲水性较强的超滤膜,二级出水过滤初期易因浓差极化而导致滤饼层污染,造成一定的通量衰减,但易清洗恢复,不可逆污染指数(rir)为0,抗污染性能好.致密的超滤膜表面有利于防止二级出水中的中低分子量污染物进入膜内部,而断面通透大孔和疏松海绵层结构的超滤膜,能减少二级出水中的污染物在膜中沉积形成堵孔阻力.膜表面多孔,内部大孔发育不充分,易形成堵孔污染,通量衰减大且不易清洗恢复,膜污染不可逆.     

电辅助膜生物反应器体系中Co纳米催化膜处理焦化废水研究

为探究电辅助膜生物反应器（electrical membrane bioreactor,EMBR）处理难降解有机废水的效果、产电性能及抗膜污染性能,以金属有机骨架化合物（metal-organic frameworks,MOFs）为前驱体,通过碳化制备具有高催化氧还原（oxygen reduction reaction,ORR）活性的负载Co纳米颗粒的氮掺杂碳催化剂（Co-NPs）,以碳纤维布作为基体组装Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,并构建催化膜耦合EMBR体系处理实际焦化废水.考察碳化温度、Co/N协同作用、N掺杂含量及形态对ORR活性的影响,探究了催化膜在EMBR体系中处理实际焦化废水的污染物去除效率、抗污染特性和产能效果.结果表明:①Co-NPs的ORR反应为4电子转移还原途径,还原产物为水.②Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜在微电场下保持稳定的高膜通量.催化膜污染在运行初期符合膜孔堵塞模型,后期表现为滤饼层污染模型控制,膜污染以滤饼层污染为主.微电场可以降低滤饼层比阻,能有效解决膜污染问题.③EMBR体系处理实际焦化废水,COD、TN、NH₄+-N和挥发酚的去除率分别为97.2%、43.8%、82.9%和99.8%.④系统最大产电功率密度为823.8 mW/m3,库仑效率为8.3%.研究显示,以MOFs为前驱体制备的Co-NPs纳米催化剂,以碳纤维布作为基体制备Co-NPs/PVDF碳纤维基催化膜,耦合EMBR体系在焦化废水处理过程中表现出了高效的污染物降解效率、能源转化效率,并且微电场环境可达到抗膜污染效果.      

正渗透膜分离技术及其在水处理中的应用与研究

渗透是一种仅依靠渗透压驱动的分离过程,基于渗透现象发展起来的正渗透膜分离技术,目前在国际上得到了广泛的研究。文章综述了正渗透膜分离过程的基本原理、影响因素以及国际上的应用研究现状,并展望了未来该领域的研究方向。