正滲透膜技術(shù)在水處理中的研究應(yīng)用進(jìn)展

正滲透是指水在滲透壓的作用下通過(guò)半透膜從高水化學(xué)勢(shì)區(qū)域（或較低滲透壓）自發(fā)地向低水化學(xué)勢(shì)區(qū)域（或較高滲透壓）傳遞的過(guò)程。與壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離水處理技術(shù)（比如超濾、納濾、反滲透等）相比，正滲透具有低壓、低能耗和較低的膜污染等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了正滲透的技術(shù)原理，綜述了其在水處理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展，分析了目前存在的問(wèn)題并展望了應(yīng)用前景。

膜分離技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，在凈水處理、污水處理與回用以及工業(yè)水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中反滲透（Reverseosmosis,RO）膜的膜孔徑小，能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等，具有水質(zhì)好、無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而RO存在能耗較高、水回收率低、濃水排放、濃差極化和膜污染嚴(yán)重等問(wèn)題，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

正滲透（Forwardosmosis,FO）是一種常見的物理現(xiàn)象，是指水通過(guò)半透膜從高水化學(xué)勢(shì)區(qū)域（或較低滲透壓）自發(fā)地向低水化學(xué)勢(shì)區(qū)域（或較高滲透壓）傳遞的過(guò)程。

人類很早就用該技術(shù)服務(wù)于日常生活，例如用濃鹽水干燥和保存食物。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)正滲透技術(shù)在水處理領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，與外界壓力驅(qū)動(dòng)的RO過(guò)程相比，F(xiàn)O過(guò)程無(wú)需外加壓力，僅依靠滲透壓驅(qū)動(dòng)，因此FO能耗小，膜污染相對(duì)較輕因而不需要頻繁清洗。另外FO在脫鹽過(guò)程中回收率高，濃縮鹽水可通過(guò)結(jié)晶分離，沒(méi)有濃鹽水排放，是環(huán)境友好型技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于FO應(yīng)用于水處理的研究較少，本文簡(jiǎn)要介紹了FO技術(shù)的基本原理和研究進(jìn)展，對(duì)國(guó)內(nèi)外將FO技術(shù)應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳述，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析、對(duì)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期將這一新型水處理技術(shù)介紹給國(guó)內(nèi)水處理領(lǐng)域的研究人員，推動(dòng)國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)的重視和研究。

1正滲透基本原理

如圖1所示正滲透、反滲透和減壓滲透的原理。水和鹽水兩種不同滲透壓的溶液分別放置在被半透膜隔開的容器兩側(cè)，在沒(méi)有外界壓力時(shí)，水會(huì)通過(guò)半透膜自發(fā)地從純水側(cè)擴(kuò)散至鹽水側(cè)，使鹽水側(cè)液位升高，直到膜兩側(cè)的液位壓力差與膜兩側(cè)的滲透壓差相等時(shí)停止，這就是正滲透過(guò)程；當(dāng)外加壓力大于滲透壓差（Δp＞Δπ）時(shí)，水會(huì)從鹽水一側(cè)擴(kuò)散至純水一側(cè)，這個(gè)過(guò)程稱之為反滲透；對(duì)鹽水側(cè)溶液施加一個(gè)外加壓力（ΔP），當(dāng)外加壓力小于滲透壓差（ΔP＜Δπ）時(shí)，水仍然會(huì)從純水一側(cè)擴(kuò)散至鹽水溶液一側(cè)，這個(gè)過(guò)程稱之為減壓滲透（Pressure-retardedosmosis,PRO）。PRO過(guò)程可以將滲透壓轉(zhuǎn)化成能源，是FO過(guò)程的一種實(shí)際應(yīng)用形式。

圖1正滲透、減壓滲透、反滲透過(guò)程原理示意

2正滲透技術(shù)研究進(jìn)展

根據(jù)正滲透原理，半透膜、汲取溶液是影響正滲透性能的兩個(gè)重要因素，關(guān)于正滲透技術(shù)的研究也集中在這兩方面。

2.1正滲透膜

關(guān)于正滲透膜的研究，主要集中在膜材料、膜制造工藝、半透膜和支撐層的位置關(guān)系這三方面。由于具有高抗氯性，不易吸附礦物質(zhì)、油脂和石油類物質(zhì)，三醋酸纖維素（cellulosetriacetate,CTA）（HTI公司）膜是應(yīng)用最廣泛的正滲透膜，并且與纖維素相比，其對(duì)熱、化學(xué)、生物降解不敏感。在惡劣環(huán)境（比如廢水中）中會(huì)水解是其存在的一個(gè)重大問(wèn)題。

對(duì)高性能正滲透膜材料的開發(fā)一直是正滲透領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，PRO中要求的能承受高壓的商業(yè)薄膜復(fù)合（thin-filmcomposite,TFC）膜、疏水的醋酸纖維素/三醋酸纖維素（CA/CTA膜）、具有低接觸角的TFC-聚酰胺（PA）膜（HTI公司）陸續(xù)被研制出來(lái)。新制備方法的進(jìn)步使膜材料超越傳統(tǒng)的CTA和TFC-PA/聚砜膜范圍。聚苯并咪唑（Polybenziazole,PBI）是能夠自我充電，具有高抗鹽性、高表面疏水性和低膜污染趨勢(shì)；聚酰胺-酰亞胺（Polyae-ies,PAI）能夠?qū)㈥?yáng)離子和陰離子通過(guò)膜排放到鹽中；親水性聚多巴胺（Polydopamine,PDA）能增加抗膜污染性能。

膜制備方法決定膜性能和過(guò)濾效率。傳統(tǒng)的相轉(zhuǎn)化技術(shù)被廣泛用于正滲透膜的生產(chǎn)中。新的膜制備方法主要向三個(gè)方向發(fā)展：

1）對(duì)膜表面加工、修飾，比如通過(guò)官能化膜表面或在聚合物中包被官能納米粒子來(lái)剪裁膜表面以降低膜污染、改善水通量；

2）增加機(jī)械抗壓性能，比如重設(shè)支撐結(jié)構(gòu)以增加抗壓性、加入靜電紡納米纖維增加機(jī)械性能；

3）采用先進(jìn)的共擠出技術(shù)增加材料機(jī)械穩(wěn)定性和能量密度。

大部分正滲透膜由功能不同的兩層構(gòu)成，即活性層（Activelayer,AL）—致密選擇透過(guò)膜和支撐層（Supportlayer,SL）—多孔結(jié)構(gòu)提供機(jī)械支撐，構(gòu)成了不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種不對(duì)稱性造成二者在位置關(guān)系上存在兩種可能：AL直接接觸原水（Activelayer-feedsolution,AL-FS或FO-模式）和AL直接接觸出水（Activelayer-drawsolution,AL-DS或PRO-模式）。

半透膜和支撐層的位置關(guān)系直接影響通量和膜污染趨勢(shì)，因而顯著影響正滲透性能。許多研究表明PRO-模式具有高水通量、相對(duì)較輕的內(nèi)部濃差極化（Internalconcentrationpolarisation,ICP），然而這種模式膜污染較為嚴(yán)重。FO-模式和PRO-模式運(yùn)行條件下，造成膜污染的主要污染物質(zhì)有所不同：Jin等觀察到PRO-模式下更多的藻酸鹽污染；Zhao等則發(fā)現(xiàn)PRO模式下主要由于有機(jī)污染造成的膜通量顯著下降，并且經(jīng)過(guò)膜洗后FO-模式能恢復(fù)較高的膜通量。

2.1汲取溶液

汲取溶液是具有高滲透壓的溶液體系，為正滲透提供滲透壓，直接影響正滲透的運(yùn)行效率。由于溶解度高并且易通過(guò)RO過(guò)程再濃縮，NaCl是應(yīng)用廣泛的汲取溶液之一。此外很多研究采用其他種類無(wú)機(jī)鹽溶質(zhì)、有機(jī)溶質(zhì)、合成材料溶質(zhì)和揮發(fā)性氣體。對(duì)于汲取溶液的研究，都是為了尋找具有高溶解度、低分子質(zhì)量，以產(chǎn)生高滲透壓；能夠用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法分離或再生，成本低；與膜兼容性好，溶質(zhì)反向滲透少；惰性、穩(wěn)定、無(wú)毒、接近中性pH等特征的理想汲取溶液。

3正滲透技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

過(guò)去十幾年間，正滲透技術(shù)研究取得了較大進(jìn)展，在海水淡化、能源開發(fā)、食品工程，甚至生命科學(xué)領(lǐng)域中的藥物蛋白濃縮、藥物釋放等方面應(yīng)用廣泛。在水處理方面的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展迅速，是值得關(guān)注的水處理新技術(shù)之一。

3.1單獨(dú)正滲透

正滲透技術(shù)很早就已被證明具有對(duì)某些工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、城市污水出色的處理能力，由于僅靠膜分離進(jìn)行物理性分離，這種處理僅限于對(duì)污水的濃縮。雖然僅僅濃縮了體積，但對(duì)于垃圾滲濾液和某些工業(yè)廢水也具有處理價(jià)值，極大方便了后續(xù)的處理和處置。

方舟等研究了FO膜對(duì)模擬生活污水的濃縮效果：FO膜對(duì)TOC、氨氮和總磷的截留率分別為97%、90%和83%；對(duì)離子的截留效果與離子種類有關(guān)，對(duì)陰離子和鈣鎂離子的截留效果較好；對(duì)模擬生活污水可濃縮10倍；錯(cuò)流流速在一定范圍內(nèi)影響膜水通量；FO膜污染潛勢(shì)較輕，通過(guò)氣水混合物理清洗和次氯酸鈉化學(xué)清洗聯(lián)用，能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)96%的通量恢復(fù)。

單獨(dú)正滲透工藝應(yīng)用于水處理時(shí)需要相應(yīng)的汲取溶液分離或再生裝置。HTI公司巧妙地以可食用的糖類或飲料粉末作為汲取溶液，開發(fā)出了Hydration水提取包：將正滲透膜做成一個(gè)密封的包，內(nèi)含可食用汲取液，當(dāng)把這種膜包放入臟水時(shí)，水在滲透壓作用下擴(kuò)散進(jìn)入膜包，被稀釋的汲取溶液就是可飲用的溶液。

由于這一過(guò)程不需要外加能源，得到的水沒(méi)有生物和外在有機(jī)物的污染，近年來(lái)廣泛用于野外救生和軍事應(yīng)用。該原理可用于某些工業(yè)廢水處理領(lǐng)域：當(dāng)生產(chǎn)的工業(yè)溶液需要稀釋出售時(shí)，可采用正滲透從生產(chǎn)廢水中汲取純水，是一種環(huán)境友好型清潔生產(chǎn)技術(shù)。

3.2正滲透膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（Membranebioreactor,MBR）將生物降解與膜分離技術(shù)相結(jié)合，具有出水水質(zhì)好、活性污泥濃度高、剩余污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)，然而膜污染問(wèn)題是制約其廣泛應(yīng)用的一大障礙。將FO與MBR相結(jié)合形成FO-MBR（如圖2所示FO-MBR工藝流程圖），或許是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)選擇。

由于依靠汲取溶液的滲透壓代替外加機(jī)械抽吸壓力進(jìn)行膜分離，與傳統(tǒng)浸沒(méi)式MBR相比，F(xiàn)O-MBR具有較低的膜污染趨勢(shì)，較高的水力停留時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生高品質(zhì)的處理水。除了具備上述優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)O-MBR也存在膜通量低、汲取溶液反向滲透進(jìn)入MBR等問(wèn)題，較高的內(nèi)部濃差極化是引起膜通量下降的主要原因。另外FO-MBR高水力停留時(shí)間會(huì)引起進(jìn)水中鹽類物質(zhì)積累而抑制生物活性，有研究表明可通過(guò)優(yōu)化SRT、定期去除混合液上清液的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

圖2FO-MBR工藝流程圖

近年來(lái)溫室氣體排放使得對(duì)消耗大量資源、能源，排放大量溫室氣體的傳統(tǒng)污水處理技術(shù)提出反思。厭氧生物處理是有效的從污水中回收能源的技術(shù)之一。由于MBR將HRT與SRT相分離，厭氧MBR（AnMBR）能夠維持較高生物量。

Chen等將FO與AnMBR組合成FO-MBR，該工藝能去除96%的有機(jī)碳、幾乎100%的總磷和62%的氨氮，產(chǎn)生的生物氣中CH4和CO2分別占65%-78%和22%-35%，達(dá)到了平均0.21LCH4/gCOD的沼氣產(chǎn)率，且生物反應(yīng)器中鹽度的增加沒(méi)有對(duì)生物過(guò)程產(chǎn)生抑制或毒性效應(yīng)，F(xiàn)O-AnMBR表現(xiàn)出在污水能源回收與利用方面的可能性。

3.3正滲透—反滲透組合工藝

單獨(dú)正滲透和FO-MBR都需要配備汲取溶液分離、回收裝置，并且FO-MBR中膜組件直接接觸活性污泥混合液，仍會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的膜污染問(wèn)題。將正滲透（FO）與反滲透（RO）組合用于污水處理，正滲透用濃汲取溶液的滲透壓于從原污水中分離純水形成稀汲取溶液，反滲透（RO）則從稀汲取溶液中分離純水，汲取溶液在其中循環(huán)利用（只需根據(jù)蒸發(fā)、反向滲透、漏失等耗損情況適當(dāng)補(bǔ)充），是可行的新型污水處理技術(shù)（如圖3）。

圖3FO-RO組合工藝流程圖

York等早在1999年就發(fā)現(xiàn)FO/RO組合工藝具有對(duì)垃圾滲濾液出色的處理能力，水回收率高達(dá)95%，并且產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)良，達(dá)到當(dāng)?shù)氐h(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。Holloway等也研究發(fā)現(xiàn)以FO作為RO預(yù)處理單元的FO/RO組合工藝處理厭氧消化液時(shí)，在較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出可持續(xù)的水通量和較高的污染物去除能力，進(jìn)一步用數(shù)學(xué)模型對(duì)該工藝進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明RO組件是系統(tǒng)的主要能耗單元，F(xiàn)O預(yù)處理單元要求較大的膜面積，綜合考慮能耗和膜面積需求的最優(yōu)水回收率為70%。

FO-RO應(yīng)用于低濃度城市污水時(shí)，會(huì)使原污水得到濃縮從而提高有機(jī)物、氨氮、磷等物質(zhì)的濃度，有利于后續(xù)厭氧消化回收能源、厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮、磷資源回收等可持續(xù)污水處理工藝的進(jìn)行，是解決低濃度城市污水可持續(xù)處理難題的有效措施之一。Lutchmiah等提出了“sewagemining”的概念：利用FO耦合反滲透（RO）直接處理污水，并將FO濃水導(dǎo)入?yún)捬醴磻?yīng)器進(jìn)行能源回收。

對(duì)城市污水進(jìn)行濃縮會(huì)極大提高污水中氨氮濃度，從而解決了厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮技術(shù)在城市污水中應(yīng)用的限制。綜上分析，一個(gè)基于FO-RO的包括厭氧消化產(chǎn)能、厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮、磷沉淀回收的新型可持續(xù)污水處理工藝（工藝流程如圖4所示）是值得期待的，也許會(huì)顛覆現(xiàn)有的污水處理工藝。

圖4基于FO-RO的可持續(xù)污水處理工藝流程

3應(yīng)用前景

正滲透是一項(xiàng)在其他領(lǐng)域證明了的、具有應(yīng)用前景的技術(shù)。相對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的反滲透，具有低壓操作、低能耗和低膜污染的顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是與MBR、反滲透技術(shù)進(jìn)行組合，在水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景。隨著對(duì)環(huán)境友好、可持續(xù)水處理技術(shù)的不斷探索，正滲透水處理技術(shù)會(huì)得到極大推廣。筆者認(rèn)為我國(guó)對(duì)于正滲透技術(shù)的研究應(yīng)關(guān)注以下三個(gè)方面：

加強(qiáng)對(duì)膜組件的研究：更多質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的膜材料的研發(fā)是膜分離水處理技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)有正滲透膜性能較差、品種稀少。新型膜材料、膜制備方法、膜組件支撐層和活性層的位置關(guān)系等方面的深入研究對(duì)于提高產(chǎn)水率、降低膜污染性能和降低運(yùn)行費(fèi)用具有重要意義。

加強(qiáng)對(duì)汲取溶液的研究：現(xiàn)有研究已將多種化合物及其組合溶液作為正滲透汲取溶液。高溶解度、低分子質(zhì)量，以產(chǎn)生高滲透壓；能夠用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法分離或再生，成本低；與膜兼容性好，溶質(zhì)反向滲透少；惰性、穩(wěn)定、無(wú)毒、接近中性pH等是理想汲取溶液的特征，也是汲取溶液領(lǐng)域的研究方向。雖然研究眾多，但仍然沒(méi)有形成經(jīng)濟(jì)高效的汲取溶液技術(shù)體系。

加強(qiáng)對(duì)正滲透水處理工藝參數(shù)的研究：正滲透應(yīng)用于水處理領(lǐng)域起步較晚，尤其在國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺乏對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的掌握，需要大量的研究以逐步形成可供設(shè)計(jì)參考的理論支持，形成成熟的工藝技術(shù)體系。

作者單位：臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，文章將刊登于《環(huán)境工程》2016年34卷第5期