正滲透技術(shù)在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用

水是基本的自然資源和戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)資源，在經(jīng)濟(jì)和國(guó)家環(huán)境安全中發(fā)揮著重要作用。隨著人口持續(xù)增長(zhǎng)和城市化的快速推進(jìn)，預(yù)計(jì)到2050年，全世界的淡水需求量將增加40%，而地球上可用的淡水資源只有3%，水資源短缺已成為關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展乃至國(guó)家安全的重要問(wèn)題。應(yīng)對(duì)水資源短缺的重要策略之一就是廢水的回收利用。過(guò)去的幾十年里，微濾（Microfiltration,MF）、超濾（Ultrafiltration,UF）、納濾（Nanofiltration,NF）、反滲透（ReverseOsmosis,RO）等壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于澄清純化、濃縮提純等領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水處理、純水制備、海水淡化?；趬毫︱?qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)（尤其是反滲透）在廢水處理應(yīng)用中面臨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、膜污染嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著美麗中國(guó)建設(shè)目標(biāo)的不斷推進(jìn)，從源頭削減廢水量的同時(shí)，急需開(kāi)發(fā)效率高、能耗低、污染小的廢水處理與資源化技術(shù)。正滲透（ForwardOsmosis,FO）技術(shù)作為一種低能耗、低污染的綠色技術(shù)，在工業(yè)水處理、海水淡化、廢水零排放領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。1正滲透驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滲透是指水通過(guò)選擇性滲透膜從水化學(xué)勢(shì)較高的區(qū)域轉(zhuǎn)移到水化學(xué)勢(shì)較低的區(qū)域。它是由穿過(guò)膜的溶質(zhì)濃度差異所驅(qū)動(dòng)的，這種差異允許水通過(guò)，但會(huì)排斥大多數(shù)溶質(zhì)分子或離子。正滲透即是自然滲透，是指水從較高水化學(xué)勢(shì)（或較低滲透壓）一側(cè)區(qū)域通過(guò)選擇透過(guò)性膜流向較低水化學(xué)勢(shì)（或較高滲透壓）一側(cè)區(qū)域的過(guò)程。正滲透應(yīng)用了膜兩側(cè)溶液的滲透壓差（Δπ）作為驅(qū)動(dòng)力，使得水能自發(fā)地從原料液（具有較低滲透壓）一側(cè)通過(guò)選擇透過(guò)性膜到達(dá)驅(qū)動(dòng)液（具有較高滲透壓）一側(cè)。壓力阻尼滲透（PressureOscillationDamper,PRO）是介于正滲透（FO）和反滲透（RO）的一個(gè)中間過(guò)程。當(dāng)對(duì)滲透壓高的一側(cè)溶液施加一個(gè)小于滲透壓差的外加壓力時(shí)，水仍然會(huì)從原料液一側(cè)流向驅(qū)動(dòng)液一側(cè)描述正滲透（FO）、反滲透（RO）和壓力阻尼滲透（PRO）水傳輸?shù)囊话惴匠淌饺缡剑?）所示。式（1）中：J2應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性膜技術(shù)作為一種新興朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，以高效能和低能耗等優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比其他膜分離技術(shù)，正滲透膜技術(shù)以滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力，具有低能耗、低膜污染和高水回收率等優(yōu)勢(shì)，在食品濃縮、海水淡化、工業(yè)和生活廢水處理等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。2.1蘋(píng)果汁的正滲透濃縮技術(shù)比較常見(jiàn)的濃縮方法包括熱法、蒸發(fā)、冷凍干燥、膜法等。熱法濃縮會(huì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)造成不利影響，此外，熱法還會(huì)消耗大量的能源。常規(guī)膜法濃縮通常采用以納濾和反滲透為代表的壓力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)。但是，壓力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)存在很多問(wèn)題，例如，高壓力操作帶來(lái)的高能耗、嚴(yán)重的膜污染、濃縮度遠(yuǎn)小于蒸發(fā)濃縮等。任宋萍采用正滲透技術(shù)對(duì)蘋(píng)果汁進(jìn)行濃縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三醋酸纖維素（CelluloseAcetate,CTA）正滲透膜更適合蘋(píng)果汁濃縮；單一正滲透過(guò)程經(jīng)過(guò)48h可以將蘋(píng)果汁由10.5%濃縮至50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反滲透所能達(dá)到的濃縮度；濃縮過(guò)程全程非熱，有效保留了果汁中的糖、酸、酚以及果膠等物質(zhì)；引起正滲透膜污染的成分主要是糖類(lèi)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的水力清洗使膜通量得以恢復(fù)。因此，正滲透濃縮蘋(píng)果汁具有良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性樊夢(mèng)原等首次將正滲透膜濃縮規(guī)?；貞?yīng)用到內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司新鮮牛乳濃縮生產(chǎn)線(xiàn)，通過(guò)控制正滲透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)溶液的多倍濃縮；同時(shí)，不引入任何熱源或強(qiáng)外壓，保持了目標(biāo)溶液的主要營(yíng)養(yǎng)素含量及營(yíng)養(yǎng)素比例。與反滲透膜濃縮和冷凍濃縮相比，正滲透膜濃縮技術(shù)可大大增大乳制品的濃縮倍數(shù)，同時(shí)降低單位能耗，節(jié)約運(yùn)行成本2.2正滲透海水淡化技術(shù)目前，已經(jīng)商業(yè)化的海水淡化技術(shù)主要包括反滲透技術(shù)、多級(jí)閃蒸技術(shù)和多效蒸餾技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)基礎(chǔ)投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較昂貴。沙特阿拉伯等西亞國(guó)家采用的多級(jí)閃蒸技術(shù)以及歐美國(guó)家廣泛采用的反滲透技術(shù)的單位制水能耗，均遠(yuǎn)高于以地表水和地下水為水源的能耗。滲透膜技術(shù)是一種新興的膜法水處理技術(shù)，具有低能耗和低膜污染等優(yōu)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)在聚砜溶液中引發(fā)丙烯酸（AcrylicAcid,AA）發(fā)生原位聚合反應(yīng)，生成制膜液，通過(guò)蒸汽—非溶劑誘導(dǎo)相分離直接制備成PSf/PAA(PolysulfonePolyacrylicAcid）多孔膜，并進(jìn)一步利用多巴胺的超強(qiáng)黏附性和二次反應(yīng)特性，對(duì)支撐膜進(jìn)行表面修飾，得到正滲透膜材料，并將其四邊膠封成器件，應(yīng)用于應(yīng)急海水淡化領(lǐng)域。其海水淡化效率為美國(guó)HTI(HydrationTechnologiesInc）公司同類(lèi)產(chǎn)品的2.5倍以上，為實(shí)現(xiàn)智能型正滲透海水淡化膜提供了有力支持在國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，杭州水處理技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心在正滲透膜材料研制、高效易分離汲取液開(kāi)發(fā)以及正滲透工藝耦合與系統(tǒng)集成等方面取得了重大突破，并率先建立了500m3/d的正滲透海水淡化示范裝置。裝置制水能耗、產(chǎn)水量、水回收率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，為海水淡化提供了新的工藝選擇2.3廢水預(yù)處理研究在制備高品質(zhì)再生水過(guò)程中，膜技術(shù)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，反滲透技術(shù)作為目前最為經(jīng)濟(jì)有效的脫鹽技術(shù)，已得到廣泛認(rèn)可王波等對(duì)正滲透在煤化工廢水零排放工藝中的布置位置、汲取液優(yōu)選、膜污染等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：利用正滲透濃縮生化進(jìn)水時(shí)，2.5mol/L的NaCl溶液作為汲取液，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，最大水回收率高達(dá)91.1%張肖藝等研究厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器處理高COD(ChemicalOxygenDemand，化學(xué)需氧量）（3～9g/L）有機(jī)廢水的除污染效能和產(chǎn)能情況。結(jié)果表明：厭氧正滲透反應(yīng)器對(duì)COD的去除效率在93%以上，經(jīng)過(guò)物理清洗和化學(xué)清洗，膜通量恢復(fù)95%2.4傳統(tǒng)污水處理工藝及應(yīng)用我國(guó)城市化發(fā)展加快，城市生活用水及污水排放量逐漸加大，給污水處理帶來(lái)了較大的壓力。目前，城市污水處理方法較多，包括活性污泥法、生物膜過(guò)濾等。但是，部分城市污水處理管網(wǎng)設(shè)備老舊，基本配套設(shè)施不足，污水處理效果不達(dá)標(biāo)，脫氮除磷效果不理想。因此，需要在傳統(tǒng)污水處理工藝及實(shí)施上有新的進(jìn)展。膜分離技術(shù)作為當(dāng)前新興的水處理技術(shù)，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用ChenHaisheng等對(duì)比了靜電紡納米纖維正滲透膜（ForwardOsmosisMembranesMadeofElectrospunNanofibers,TFN0）、靜電紡納米纖維正滲透TiO姚遠(yuǎn)用正滲透工藝處理填埋場(chǎng)垃圾滲濾液兩級(jí)碟管式反滲透（DishTubeReverseOsmosis,DTRO）濃縮液，將原來(lái)兩級(jí)DTRO濃縮液的產(chǎn)量減量50%以上。正滲透工藝的產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，COD張淮巽等研究了正滲透膜污水濃縮系統(tǒng)對(duì)南方低濃度城市污水的有機(jī)污染物濃縮效果和膜污染特性。結(jié)果表明：使用含有1.6mol/LMgCl