正滲透膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（MBR）將SRT和HRT分離，理論上具有出水水質(zhì)高、活性污泥濃度高、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)。然而，膜污染導(dǎo)致水通量降低，膜材料需要經(jīng)常清洗和更換，并且MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅(qū)動壓力，增加了能耗和運(yùn)營成本。膜污染問題和能耗問題是制約MBR進(jìn)一步壯大市場的障礙。

正滲透是否能夠成為解決MBR膜污染和能耗問題的途徑呢？基于正滲透的優(yōu)點(diǎn)，有人對新型浸入式滲透膜生物反應(yīng)器（Os-MBR）進(jìn)行了研究。Os-MBR將FO正滲透技術(shù)引入MBR，F(xiàn)O和MBR一體化可以降低傳統(tǒng)MBR的能耗。在過去的五年中，已經(jīng)開始研究新型FO-MBR或滲透膜生物反應(yīng)器（Os-MBR）。由于Os-MBR中的FO膜不采用液壓壓力，具有較低的結(jié)垢傾向和較好的分離能力，Os-MBR工藝不僅可以降低壓力驅(qū)動膜過程的能源成本（如微濾或超濾），傳統(tǒng)MBR空氣沖刷的污染控制，而且還提供了一個更可持續(xù)的產(chǎn)水通量和更可靠的污染物去除性能。

簡單來說，Os-MBR的原理就是污水作為水化學(xué)勢高的待處理液，而含有氯化鈉的高鹽度溶劑作為水化學(xué)勢較低的汲取液。正滲透膜將水由水化學(xué)勢較高的一端向較低的一端運(yùn)送，這樣一來待處理液得到了濃縮，汲取液被稀釋；而汲取液可以通過后續(xù)的反滲透工藝重新得到濃縮，從而實(shí)現(xiàn)污水的最終凈化。

從一些角度來看，正滲透自身很難用作污水處理的終結(jié)端，其更像是一個高級的預(yù)處理工藝。而與采用微濾和超濾膜的MBR相比，基于正滲透的MBR能用更低的水力壓力(hydraulic pressure)取得更高的截留率。同時正滲透工藝可以一定程度地減少膜污染，也就是說反洗率可以相應(yīng)降低。進(jìn)一步說，跟傳統(tǒng)MBR相比，Os-MBR結(jié)合反滲透作深度處理時，能降低RO膜的污染概率以及獲得更好的出水水質(zhì)。

除此Os-MBR，還有更具“黑科技感”的工藝整合——滲透厭氧MBR（Os-AnMBR）。新加坡南洋理工大學(xué)和中國哈工大科研人員合作的研究顯示，正滲透與厭氧MBR組合成的Os-AnMBR工藝能去除96%的COD、接近100%的磷和62%的氨氮，產(chǎn)生的生物沼氣中的甲烷約占65～78%，平均產(chǎn)率約0.21 L CH4 /g COD，且生物反應(yīng)器中鹽度的累加并沒對生物過程產(chǎn)生抑制或毒性效應(yīng)，這顯示Os-AnMBR可能在未來的污水廠能源回收方面有很大的發(fā)揮空間。

技術(shù)限制

根據(jù)ACS和Science Direct的統(tǒng)計顯示，正滲透的文獻(xiàn)在過去10年有了顯著的增長。盡管如此，真正的正滲透工程應(yīng)用案例卻是鮮有出現(xiàn)，問題出在哪里呢？

這是由于工藝本身的一些內(nèi)在屬性造成的。就像之前說，正滲透本很更多是一種高級的“預(yù)處理”，它還需配合回收汲取液的反滲透工藝（針對高鹽溶液）或者蒸發(fā)工藝（含銨溶液等）。然而反滲透工藝和蒸發(fā)工藝本身存在很多應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。

以蒸發(fā)工藝為例，這種工藝似乎可以通過和光伏太陽能結(jié)合解決能耗問題，但是因?yàn)榘钡膿]發(fā)性，使得在實(shí)際應(yīng)用時最終出水含有大量碳酸銨，這需要安裝多階蒸餾工藝來解決問題，會使最終造價成本變得過高。此外，較高的內(nèi)部濃差極化（Concentration Polarisation）使OsMBR也有膜通量低等問題，另外還有汲取溶液反向滲透等問題。這些都是阻礙正滲透實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因。

突破關(guān)鍵

膜的改進(jìn)和汲取液的選取是實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵所在。荷蘭和比利時研究人員曾做過以下統(tǒng)計：

關(guān)于正滲透膜的研究，主要還是集中在膜材料、膜制造工藝、半透膜和支撐層的位置設(shè)計等方面。由于其抗氯等內(nèi)在屬性，三醋酸纖維素（CTA）膜應(yīng)用最為廣泛，與纖維素相比，對熱、化學(xué)、生物降解不敏感，但在污水環(huán)境下的水解還是會發(fā)生。

開發(fā)高性能正滲透膜材料一直是科研人員的探索方向。例如能承受高壓的復(fù)合薄膜（thin-film composite，縮寫：TFC）、疏水性能好的CA/CTA膜、具有低接觸角的TFC-聚酰胺（PA）膜陸續(xù)被研制出來。但目前大部分膜還是由美國的HTI公司壟斷, TFC因?yàn)槠涓呶廴韭蔬€不能得到普及。

除了膜的研發(fā)之外，汲取液也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。由于溶解度高和適合反滲透回收，氯化鈉是應(yīng)用最廣泛的汲取溶液之一。

Os-MBR由于其低膜污染率和相應(yīng)降低的成本，其商業(yè)化前景被人看好，但其成功與否很大程度上取決于是否能找到經(jīng)濟(jì)效益更高的汲取液。研究人員可以對能量平衡做分析，然后再對癥下藥，例如將污水處理和海水淡化結(jié)合，使正滲透技術(shù)和污水處理變得更加有商機(jī)吸引力。

最后，濃縮液也需得到妥善處置，特別是含有重金屬的濃縮液。濃縮后的有機(jī)質(zhì)其實(shí)有利于能量和營養(yǎng)物的回收，例如應(yīng)用到市政污水里，解決主流厭氧氨氧化的一些技術(shù)限制。