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正渗透膜污水处理技术

文档作者：黄秋香刘志强孙梦徐海滨文档来源：青岛理工大学环境与市政工程学院		点击数：	更新时间： 2024年03月03日
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正渗透膜污水
魑16茁72--塑9064绰I ISSN ’ _
黄秋香刘志强孙梦徐海滨
(青岛理工大学环境与市政工程学院山东青岛266000)
摘要正渗透是一种依靠渗透压差作为驱动力的膜分离技术。有低能耗、污染可逆等优点。介绍了正渗透膜污水处理的原
理、膜的结构组成、操作影响因素及应用案例。正渗透膜污水处理的主要影响因素为：驱动液、温度、流速、膜活性层的朝向等。
关键词正渗透渗透压膜影响因素
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2017102—095—03
目前我国淡水资源短缺。水资源污染严重，城市污废水
的处理及回用成为当前解决水资源问题的关键方法。我国的
污水处理厂存在能耗较高、处理效果不够理想等问题，因此。
在提高处理效果的基础上减少能耗、节约资源尤为重要。
MBR近年来被广泛应用，但存在工艺成本高、膜污染严重、
能耗和运行费用较高等问题。而FO具有能耗较低⋯、分离效
果好、膜污染可逆、运行过程和设备简单等优点，目前在海水
淡化、饮用水制备和废水处理中应用前景广泛。
1正渗透原理
正渗透(Forward Osmosis．FO)是一种不需外加压力做驱
动力．在渗透压差的作用下自发的从低渗透区域(原料液)通
过选择透过性膜到高渗透压区域(驱动液)的过程。此过程原
料液中大多数溶质分子和离子被截留下来。随着正渗透系统
运行时间的延长，低渗透压的原料液逐渐被浓缩．同时高渗
透压的驱动液逐渐被稀释。
2正渗透膜分类
目前市场上应用最广的正渗透膜是由美国Hydration
Technologies(HTI)公司研制的CTA—ES、CTA—NW、TFC—ES
膜。
宗同强[2]等用高温裂解气质联用的方法。对CTA-ES、
CTA-NW、TFC—ES膜成分分别进行了鉴定，并通过扫描电子
显微镜(SEM)对3种膜的表面和截面进行了仔细的观察。
CTA—ES、CTA—NW、TFC—ES膜的扫描电子显微镜图如
图1～图3昕示
图l HTl正渗透膜(CTA-ES)的SEM
图2 HTI m；爹j霆m(CTA—NW)的SEM
(1)CTA—ES：由图1可看出，CTA—ES膜至少是由2层
构成，图a中这一层为聚酯筛网结构，排列清晰整齐，图c层
图3 H1、1正渗透膜(TFC—ESl的SEM
为醋酸纤维素层，表面致密。从横截面图b可以看到，整个膜
的厚度大约为50．801xm．而醋酸纤维素活性层的厚度可能
只有不到201_Lm左右。
(2)CTA—NW：由图2可看出，CTA—NW膜也是由两层构
成，图a层为聚酯无纺布结构，图c层为醋酸纤维素层。同样
从横截面b可以看出，整个膜厚在50。80仙m之间，支撑层无
纺布占了501．Lm以上的厚度．活性层醋酸纤维素膜与CTA—
ES膜差不多。都比较薄且致密。
(3)TFC—ES：由图3可看出，TFC—ES膜结构比较复杂，
从横截面b看，聚酯筛网结构似被膜层包在中间．表面c像
另两张膜一样，比较致密。
3正渗透膜污水处理主要影响因素
3．1驱动液
驱动液为整个系统提供直接驱动力．因此驱动液的选择
是正渗透系统的一个关键因素。理想的驱动液除无毒和成本
低廉还需满足：
(1)有较高的渗透功效【3]。即它在水中应该具有较高的
溶解度[4】．以及它应该具有较小的分子量以便能产生较高的
渗透压．根据范特霍夫(Van'tHoff)定律推导出的莫尔斯
(Morse)方程，溶液的渗透压仃可用式(1)计算。
仃=iMRT--il争)RT (1)
、y ／
式中：i为范特霍夫因子；M为溶质的摩尔浓度：R为气
体常数，8．3145J／(K·t001)；T为绝对温度。
(2)反向渗透作用小。原料液和驱动液较大的浓度差容
易引起反向渗透作用。溶液的反向盐通量L(g／(m2·h2))可以
通过原料液一侧的溶质浓度的增加量来计算。肛—(C_,V,-rCoVo)—} (2)
u● ，1m
式中：co为原料液初始浓度／mol／L；Vo为原料液初始体积几；
G为经过△t后的原料液浓度／mol／L；V。为经过△t后原料液
体积／L；A。为有效膜面积／m2；Co和ct可以通过原料液中的
作者简介：黄秋香(1989一)，女，青岛理工大学硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向为污水处理及回用技术。
201Z．No．2．
n 一
躲 处理
万方数据
电导率推导出．
(3)与正渗透膜不能发生化学反应，且不能将膜降解。
(4)在制备饮用水的过程中，驱动溶液应该与渗透水易
分离并且能够重复使用。
3．2温度
水通量随温度的升高而增大．高温时分子动能升高，溶
液扩散速度增大。从原料液透过FO膜传递过来的纯水迅速
向驱动液主体溶液中扩散．从而使支撑层内部的驱动液与驱
动液主体溶液的浓度差相对于低温时较小．因此高温时的内
部浓差极化也较轻微，对水通量的抑制作用较小，所以高温
时产生了较大的水通量。
3．3流速
Nathan T口]等加大错流速度．可使得返混的盐在原料液
一侧更迅速的被稀释．从而降低原料液一侧浓缩边界层的浓
度，进一步使得膜两侧有效的化学势能梯度升高，同时使水
通量增大。增大错流速度可以减缓膜污染，是因为较大的错
流速度会使污染物在膜表面附近难以聚集。从而难以堵塞膜
孔或者形成滤饼层【6]。
3．4正渗透膜活性层的朝向【7]
当活性层朝向原料液。支撑层朝向驱动液时，即为FO
模式：而PRO模式是活性层朝向驱动液，支撑层朝向原料
液。
驱动液浓度相同时．PRO模式下的纯水通量和驱动溶
质反向渗透通量均要大于FO模式：相较于FO模式而言，在
PRO模式中．污染初始通量较高，污染时通量下降趋势更严
重。而FO模式的通量明显低于PRO模式，但在污染过程中
相对较稳定[81。
3．5浓差极化现象
在正渗透膜分离过程的研究中．大多用作正渗透的膜都
为非对称性膜．因而正渗透膜活性层与支撑层摆放朝向，即
活性层朝向驱动液还是原料液。对膜通量大小将产生重要影
响。许多研究表明，在驱动液组成相同时，膜的活性层朝向驱
动液(即支撑层朝向原料液)时的水通量要比支撑层朝向驱
动液(即活性层朝向原料液)时的水通量大，这是由于后者中
的浓差极化作用影响更大。
非对称型的渗透膜，理论上会存在一定的浓差极化现象嘲。
浓差极化[Io】是指分离过程中。料液中的溶液在压力驱动下透
过膜。溶质(离子或不同分子量溶质)被截留，在膜与本体溶液
界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，
溶质又会由膜面向本体溶液扩散．形成边界层．使流体阻力
|l}豁群
髟l馥a■^；■f尊矗目佛目r咖晴‘
^—_I●—rht■q●嘲^出蛀；l，H■ch■‘r-
图4正渗透浓差极化现象
与局部渗透压增加．从
而导致溶剂透过通量
下降。图4为正渗透浓
差极化现象。
4 正渗透污水处
理的优点
(1)能耗低。正渗
透是水在渗透压差的
作用下自发地从高水化学势区域穿过选择透过性膜达到低
水化学势区域的过程，因此能耗较低。
(2)截留率高。正渗透膜生物反应器能去除99％以上的
有机物和98％以上的氨氮[1J】．具有比传统MBR更好的污水
处理效果。
(3)膜污染可逆。正渗透一个突出的特点就是无外加压
力。因而污染程度较压力驱动膜小很多。在传统的压力驱动
膜运行中，由于较大的外加压力作用，在膜表面形成的滤饼
层薄但较为密实【s]：而在正渗透膜运行时，由于系统仅仅依
靠渗透压差驱动而无较大压力．因此相应地在膜表面形成的
滤饼层较厚且松散【心]．因此只需物理清洗可将水通量恢复到
初试通量的90％左右。
5正渗透在水处理中的应用
(1)垃圾渗滤液浓缩㈣。York等采用HTI公司生产的
CTA正渗透膜。对垃圾渗滤液进行浓缩处理。中试实验研究
表明，采用正渗透膜分离方法，产水率达到90％以上，并且对
垃圾渗滤液中的多种污染物去除率达到99％．最终能达到国
家污染物排放标准。
(2)宇航员生活废水回用。在人类进行的航空航天计划
中，饮用水是宇航员的必需品。美国科学家设计了一套正渗
透浓缩系统．依靠正渗透与反渗透相结合的方法对宇航员产
生的生活废水进行回用制备饮用水．阶段性的研究成果表明
正深透膜在其绩效与能耗方面都存在着优势．此技术已被美
国航空航天局列为太空水回用候选技术之一Ⅲ。
(3)水袋。水袋是美国HTI公司开发的一种可以在战争、
野外生存或紧急救援状况下使用的水净化设备。其构造为内
层的正渗透膜及外层的防水层膜的双层袋状。在内层膜内装
人驱动液(需为无毒可饮用的，例如糖类、浓缩饮料)和渗透
加速剂．将需要净化处理的源水装入内外两层之间的夹层
中．洁净的水就可以在渗透压差驱动下透过内层正渗透膜进
入可以饮用的驱动液中。1个水袋中1009的驱动液就能产
生1个人l天所需的饮料(大约3～5L)。正渗透膜分离技术
在个人饮水市场将会得到更广泛的应用。
6正渗透污水处理前景展望
(1)对正渗透膜的合成的研究将是一个重要课题。正渗
透膜的种类很少．目前由HTI公司开发的商用CTA正渗透
膜是应用最广泛的正渗透膜。在正渗透过程中它具备相对于
其它反渗透膜的优点的同时，也存在其自身的缺陷，如较低
的pH承受范围(约pH4—6．5)，严重的内部浓差极化等。因而
未来的正渗透膜的合成。可考虑选取更加合适的材料．合成
具有更好的耐酸、碱、盐腐蚀能力的膜，合成具有更高清水性
和更低阻抗的膜．合成具有更高强度但更薄的支撑层的膜以
减小内部浓差极化，合成具有高机械强度的对称性膜114]。
(2)驱动液的研究。驱动液是为正渗透过程提供驱动力
的关键因素，不同溶质作为驱动液时，将产生不同的渗透压．
研究驱动液方向：选择产生渗透压高、水通量高、反向渗透率
低的驱动液；驱动液分离再生工艺，利用太阳能、风能、地热
等绿色资源，实现驱动液高效分离再生循环使用㈣。
201ZN0．2．o
(下转第98页)
万方数据
3．1 工程实例概述
该商业楼初步设计方案打算建设在地下1层．基坑设计
的深度约为5．1m．相关配套设备的地下2层深度约为1层
深度的2倍。正在使用的地铁站位于2条路的交叉口位置。
车站主体外包尺寸为152．3mxl7．6m．车站底板深度约
16．5m．设计方案中预留的出入El的深度与2层地下设施的
设计深度保持一致。交叉的2条道路均为主要干道．配备有
相关的居民日常生活中常用的配置设施。其中。受商业楼基
坑施工影响较为明显的居民配套设施为预留的雨水管．其施
工建设的深度在3m左右。管底距出人口顶板较近。容易遭
受到预留出人口在后续施工过程中对其造成的影响。
3．2设计方案的分析与优化
①围护桩墙、支撑的设计参数之间的比较。为了满足设
计及计算的信息要求，根据相关规范对基坑稳定性、围护桩
墙强度及变形控制等方面的要求．按照实际施工要求及建筑
物的基本特征和功能需求设定好围护墙的各个参数。②模型
的维度、尺寸以及相关参数。考虑到边界对现有建筑物的影
响，统一将模型的边界确定为结构边界外侧25m。土体采用
D—P方式进行施工．并在初始应力状态分析及开挖过程模拟
阶段对土体赋予不同的弹性模量，围护结构、各层结构板和
市政管线采用线弹性板单元进行模拟应用．内支撑结构采用
线弹性梁单元模拟。③计算结果。基坑的最大水平位移出现
在基坑底面以上接近坑底的部位．与基坑围护桩墙优化分析
时常采用的Winl【le地基梁法算得的围护墙体变形具有相同
的规律。在对基坑施工完成之后，既有预留出人口上方雨水
管的变形小于其相邻两侧区域．源于该处水管底部距出入口
顶板距离近．而出入I：1结构沉降小，对雨水管具有类似结构
基础的承托作用。为降低基坑施工时该区域水管因较大差异
沉降而增加的水管损伤风险。雨水管敷设施工时，已在预留
通道两侧各设置1座检修井以增加管线对地层沉降的适应
能力。地铁车站的底板变形呈现在近基坑开挖一侧较大，往
远处逐渐减小的特征。其中，平面上位于既有预留出入口区
域的变形梯度较大．原因为计算模型与所模拟的实际结构具
有差异性。
3．3结果分析
通过上述方案的对比分析得出．方案1受到的环境影响
较方案2、方案3大，但仍可满足周边建、构筑物的保护要
求，特别是运营地铁的安全要求。商业基坑虽然说在设计及
施工中面临开挖面积大、与地铁车站及管线的平行段长度长
等诸多问题．但基坑与车站平行段间的水平净距位于基坑开
挖的显著影响区以外．区基坑与车站既有预留通道的衔接
段，基坑的主要变形为横断面方向，即平行于地铁车站的方
向。且基坑沿深度方向设置3道内支撑体系。由此对车站的
直接影响较小：地铁车站底板埋深大于本基坑的底板深度客
观上符合相邻基坑开挖“先深后浅”的基本原则。同时，车站
围护墙底的深度较大，对地层位移具有一定的隔断效果。因
此，在具体的施工进行之前。优先选择方案1具有很高的商
用价值和实践意义，值得各个相关单位关注和采纳。
4结束语
综上所述。需要结合深基坑支护工程施工经验结合工程
建设目标的设定建立方案推算比较机制．对编制的施工方案
进行比较分析，最终选出最佳的施工方案。保证符合技术要
求，满足施工质量。
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(上接第96页)
(3)正渗透在实际应用中的研究。尽管正渗透在各行各
业中已经得到了大量应用．但是FOMBR仍然处于探索性阶
段。如何解决实际应用中的关键性技术难题，是正渗透技术
能够得到广泛应用的关键所在。
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