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基于正渗透技术的水处理组合工艺应用研究进展的简报
《水处理技术》杂志 杨望臻 / 时间:2018-04-12 09:03:39

  据水处理技术微信公众平台2018年3月30日讯 正渗透(FO)技术作为一种新兴的膜分离技术,具有能耗低、截留能力强、膜污染程度小和膜污染易清洗等特点,近年来得到了广泛的研究。然而,由于正渗透过程中水的传质是顺渗透压差方向进行的,水分子通过正渗透膜流入渗透压更高的汲取液,限制了正渗透技术作为独立的工艺应用于水处理。正渗透通常需要与其它工艺联用,形成组合工艺。
  基于汲取液再生及利用的组合工艺
  1.正渗透与汲取液再生工艺组合
  正渗透-汲取液再生组合工艺由两部分组成:
  1)常规正渗透系统,负责回收水资源。该过程中汲取液被稀释,原水被浓缩;
  2)汲取液再生系统,汲取液经过该系统得以再生,同时得到产品水。常见的汲取液再生工艺有挥发性盐热回收、无机盐复分解沉淀、膜蒸馏、超滤、纳滤、反渗透等工艺。
  MCCUCHEON等人和MCGINNIS等人采用受热易分解的NH4HCO3汲取液形成的正渗透-NH4HCO3热再生系统的平均水回收率可以达到64%,正渗透过程能耗仅为0.25千瓦小时/立方米,然而,该系统汲取液回收工艺采用的蒸馏法能耗却高达到75千瓦小时/立方米。因此在没有废热源的情况下,该组合工艺难以工程应用。为解决传统蒸馏热回收工艺的高能耗问题,可以采用膜蒸馏(MD)工艺再生汲取液。有研究以Na+官能化碳量子点(Na-CQDs)作为汲取液进行正渗透海水淡化,并采用MD工艺在45℃的温度下进行汲取液回收。
  ALNAIZY等人将FO与化学沉淀工艺组合,该工艺以CuSO4为汲取液回收油田废水中的水资源,在稀释后的CuSO4汲取液中加入氢氧化钡进行沉淀,随后取上清液加硫酸再生CuSO4,而BaSO4沉淀可以作为采油井中的增稠剂进一步利用。
  当前,许多新型的汲取液及其回收技术得到了发展和应用,如磁性纳米颗粒(MNP)、刺激响应型高分子水凝胶、可切换极性溶剂等。LING等人的研究发现高水溶性磁性纳米颗粒作为汲取液可产生较高渗透压,并且磁性纳米颗粒可通过磁场作用再生。而LI等人合成的刺激响应型高分子水凝胶可以在光、热等环境刺激下产生可逆的体积变化或实现溶液-凝胶之间的相变转换,通过环境条件的变化即可完成汲取液的再生,且水凝胶吸水产生的溶胀压力又可以作为正渗透驱动力。
  此外,常规膜分离技术也是汲取液回收的有效方法,常见的组合工艺有正渗透-超滤工艺(FO-UF),正渗透-纳滤工艺(FO-NF),正渗透-反渗透工艺(FO-RO)等。
  正渗透-汲取液再生组合工艺使正渗透系统得以循环运行,这类工艺能否实现商业化还要深入探讨。从能量角度上看,若要实现商业化,正渗透系统节省的能量需弥补汲取液再生系统消耗的能量;从投资和成本控制的角度上看,这类组合工艺相较传统工艺投资较高,这需要环境效益和较低的运行费用来平衡。
  2.正渗透与汲取液利用工艺组合
  在大多数正渗透工艺的应用中,正渗透难以单独达到工艺需求,需要组合其他的分离工艺或者后处理工艺,这不但提高了组合工艺的能耗,也增加了建造投资。而如果汲取液可以直接有效利用,则可节省汲取液再生工艺的能耗。正渗透与汲取液利用工艺组合时,低浓度的原水经过正渗透系统后得到浓缩,高浓度的汲取液得以稀释,稀释后的汲取液进入汲取液利用系统。这类工艺典型的应用有化肥驱动正渗透工艺(FDFO)、葡萄糖溶液驱动正渗透工艺、聚合电解质驱动工艺、表面活性剂驱动正渗透工艺、正渗透应急水袋等。
  化肥驱动正渗透工艺(FDFO)以高浓度化肥溶液为汲取液,回收海水或污染水源中的水,这个过程中化肥溶液得以稀释,原水中污染物被正渗透膜截留,稀释后的化肥溶液可以进行直接农业利用。研究表明,1千克商业化肥作为汲取液可以从海水中提取11~29升淡水。可将该工艺利用于淡水资源紧缺或淡水资源遭到严重污染地区的农业生产。
  葡萄糖配制的汲取液可以通过正渗透系统利用受污染的水源,经过稀释获得的葡萄糖溶液可以资源化利用。但是葡萄糖溶液渗透压低,正渗透通量小,因此有研究采用糖和盐作为混合汲取液,从污染水源中汲取洁净水。葡萄糖汲取液加入无机盐后,渗透压明显提高,稀释后的混合汲取液可以作为应急能量饮料。汲取液直接利用的技术还可应用于救灾、军事演习和航天任务中,如HTI公司开发了正渗透应急水袋X-Pack。在饮用水紧缺时,合理配比的糖和电解质浓浆作为汲取液可以从污染水源中汲取洁净的水,此过程中原水微生物、有机物和其它杂质被正渗透膜高效截留,且稀释后的汲取液可以作为能量饮品。
  聚丙烯酰胺溶液驱动的正渗透组合工艺也是一种有前景的应用。阴离子型聚丙烯酰胺(HPAM)是聚驱采油中常用的驱油剂,可以将其作为正渗透工艺的汲取液从采油废水汲取洁净的水资源,且稀释后的HPAM汲取液可以作为聚驱采油的驱油剂资源化利用。
  将正渗透技术与汲取液利用工艺进行组合,能够降低汲取液回收工艺的能耗,简化工艺流程。然而,这类组合工艺除了对汲取液的正渗透性能有要求外,还需考虑汲取液功能化利用的性能。
  正渗透作为深度处理工艺的预处理工艺
  正渗透工艺可以作为深度处理工艺的预处理工艺。该过程利用正渗透-反渗透(FO-RO)组合工艺回收葡萄糖溶液中的水分,将葡萄糖溶液作为汲取液从污染水源中汲取洁净的水,并将稀释的葡萄糖溶液进入RO工艺分离。相对于单独的RO工艺,FO-RO工艺膜污染情况较轻。从产品水的水质角度分析,相比独立的RO工艺,组合工艺中FO过程截留了大部分污染物,因此组合工艺能获得更高脱盐率及水回收率,可以有效地作为RO工艺的预处理。此外,单独的RO工艺的截留能力是有限的,对痕量有机物(TrOC)如硼的截留效果一般。有文章研究了FO-RO组合工艺对TrOC的截留性能,由于2种膜工艺提供的双重屏障,组合工艺对TrOC截留率可以超过99%。有研究对比了FO工艺和RO工艺对双酚A、三氯生和双氯芬酸的截留能力,结果表明FO工艺均具有更高的截留率,因此,FO-RO组合工艺对TrOC的去除能力大幅高于单独的RO工艺。有研究表明,FO工艺比RO工艺对硼的截留能力更强,这主要是由于FO工艺中的反向盐通量可能降低硼的通量。将FO-RO组合工艺与两级RO工艺的除硼能力进行对比,研究表明FO-RO工艺性能更好。FO工艺作为RO工艺的预处理工艺,能够有效避免高污染倾向的RO膜与成分复杂的原水直接接触,这既保证了RO出水的水质,又减轻了RO过程中的膜污染和结垢。
  多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED)是常用的脱盐技术,其原水通常具有高盐度,高温和高杂质等特征,工艺运行时存在比较严重的结垢现象,结垢物的沉积和积累降低了热交换器传热效率,进而降低了运行温度和整个系统的水回收率。在该应用场景下,FO工艺是理想的预处理技术,用于去除原水中的溶解性有机物和无机物。ALTAEE等人对FO-MSF组合工艺和FO-MED组合工艺用于海水淡化的研究表明,FO预处理工艺显著降低了原水中多价离子的浓度,从而减少了热交换器上的结垢效应,使热工艺能够达到更高的温度和更高的水回收率。
  正渗透组合工艺对传统膜技术的替代潜能
  正渗透组合工艺可以作为传统膜技术的替代技术。其中,正渗透膜生物反应器(OsMBR)是一种新型的正渗透技术应用工艺,在水处理中有很大的应用前景。OsMBR将 FO工艺与活性污泥工艺相结合,该工艺用FO膜代替了MBR中的超滤膜或微滤膜。OsMBR与传统MBR相比,具有以下优势:
  1)由于OsMBR在低压或没有外压条件下工作,能大幅度降低工艺能耗和膜污染程度;
  2)正渗透膜截留能力强,因此出水水质更加可靠;
  3)如果在OsMBR工艺后组合反渗透过程,则汲取液在反渗透单元循环,不产生浓缩水。
  有研究测试了FO-NF组合工艺替代常规RO工艺的脱盐性能。作为海水淡化工艺,NF工艺相对RO工艺操作压力更低,膜污染相对轻微;但是NF工艺的对一价盐截留能力差,出水难以达到总溶解性固体(TDS)控制指标。而FO与NF工艺组合时,FO工艺的较高截盐能力可以弥补这一缺陷,作为RO工艺的替代技术。采用硫酸钠汲取液,FO-NF工艺可以达到约10LMH的水通量,且硫酸钠截留率高达97.9%。ZHAO等将FO-NF组合工艺应用于海水淡化,结果表明这种组合工艺与传统的反渗透工艺相比具有许多优点,如更好的出水水质(约97.7%的盐分截留,TDS降至10mg/L以下);膜污染较轻微,膜运行周期延长;膜污染易清洗,不借助化学清洗的情况下,物理清洗便可以恢复较高的通量。
  正渗透微生物脱盐电池(OMDC)是基于微生物脱盐电池(MDC)改良的新技术。MDC工艺利用能够降解有机物产生电势的外源性微生物,显著减少脱盐所需的能耗。产生的电势可以驱动离子通过离子交换膜,达到脱盐的目的。在OMDC工艺中,采用具有一定氯离子通量的FO膜替代阴离子交换膜,由于正渗透作用,水从阳极室进入淡化室,然后利用微生物产生的电势用于对水进行脱盐。典型的MDC由阳极室、阳离子交换膜、淡化室、阴离子交换膜和阴极室组成。该系统可以同时实现三个目标:脱盐,水质改善和能源生产。
  结语与展望
  正渗透组合工艺是正渗透技术的主要应用形式,其是否适合于水处理工程实际应用主要取决于整体工作效率,整体能耗,整体造价和膜污染与清洗等方面。各类组合方式都有其特定的应用场景,也有其应用的限制。目前,最常见的组合工艺是正渗透工艺配搭汲取液再生工艺,但该组合工艺需考虑整体投资及总能耗;随着功能型汲取液的发展,正渗透技术有望与功能化汲取液利用技术联用。正渗透技术也可以作为深度处理的预处理工艺,这类组合工艺中正渗透在控制进水水质,减轻后续处理的膜污染等方面发挥了巨大作用。
  正渗透技术具有对传统膜技术的替代潜力,可以降低传统膜技术的能耗、减轻膜污染。
  正渗透组合工艺在海水淡化、中水回用、污废水处理、物料分离和饮用水生产等领域均得到了应用,且随着正渗透膜材料、汲取液、正渗透运行工艺和膜污染控制等相关方向研究的深入,正渗透组合工艺将拥有更广阔的应用领域。
  (对原文有删减,参考文献略。作者单位:同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室)