正渗透膜回收废水中氨氮的研究进展.pdf
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1、第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:宗刚()男陕西西安人副教授博士从事水污染控制及其资源化方向的研究 电话:.通信作者:沈凡()男硕士研究生 电话:.正渗透膜回收废水中氨氮的研究进展宗刚沈凡(西安工程大学 环境与化学工程学院陕西 西安)摘 要:综述了正渗透()膜技术对废水中的氨氮回收的研究进展 重点介绍了其发展历史、工艺原理、应用现状将应用现状分为膜制造和改性、膜与其它工艺的耦合工艺、提取液、膜污染、数学建模这五方面进行了综述 在此基础上对正渗透膜技术的研究前景进行了展望关键词:氨氮废水正渗透()膜技术中图分类号:.文献标识码:文
2、章编号:()():().:.:()氨氮是废水中常见的污染物质之一其中包括铵离子()和游离氨()两种形态 大量的氨氮废水未经处理的情况下排入水体中会造成水体富营养化使得水体出现黑臭现象同时增加了水处理的难度和成本甚至会对人体以及生物体产生毒害作用目前处理氨氮废水的主要技术中化学法的缺点是需要高昂的成本和污染 生物法的缺点是反应速度慢、有些方法条件尚未得到充分确定 物理化学法的缺点是条件苛刻高能耗相比之下膜技术占地面积小去除氨氮效率高净化污水能力很强没有二次污染 从 世纪 年代起人们开始了正渗透膜的相关研究并有相关专利问世 但可惜的是其中大部分专利不太成熟可行性不强 从 世纪 年代开始发展商用膜
3、之后自 年截至现在正渗透膜经历了三个阶段:三醋酸纤维素()平板膜、薄膜复合材料()平板膜和薄膜复合材料()中空纤维膜本文将对膜技术中的新兴技术正渗透膜从工艺原理、研究现状这两个方面进行概述并最终对目前正渗透膜技术在处理氨氮方面作出总结与展望 工艺原理无需外部压力的条件下以半透膜两侧的溶液渗透压差为驱动力使低渗透压侧(水化学势较高侧)溶液中的水分子自发地流向高渗透压侧(水化学势较低侧)的溶液直到膜两侧液位压力差与膜两侧渗透压差相等正渗透过程便会停止 膜的原理示意图见图 图 正渗透膜的原理示意图.研究现状近 年 技术在学术界越来越热门进而该技术在处理氨氮废水的应用也随之热门 基于第 期宗刚等:正渗
4、透膜回收废水中氨氮的研究进展 检索与 膜技术和氨氮废水相关的出版物可以分为以下类型:膜制造和改性、膜与其它工艺的耦合工艺、提取液、膜污染、数学建模 其中膜制造和改性膜与其它工艺的耦合已被广泛研究.膜制造和改性在 膜制造与改性方面相关研究主要为三个方面:应用 膜回收废水中氨氮、膜改性以提高其水通量或选择性、相关影响因素 其中关于膜改性以提高其水通量或选择性方面的研究居多.应用 膜回收废水中氨氮 等研究了在不同条件下 应用商用平板正渗透膜()脱水工艺从源分离尿液中回收养分 结果显示表现出 膜的水通量/()氨氮去除率 有学者探究了从不同合成废水和真实废水中回收营养物质和高质量水 其中 等研究了利用
5、平板膜从 个真实的和 个合成的厌氧消化废水中提取水和养分的可行性 结果显示 在 个测试的真实厌氧消化废水中 以./为提取液猪粪和马铃薯淀粉废水达到了最高的平均 水通量 /()和甲烷产量(/有机废物)总氨氮()、总凯氏氮()和总磷()的截留率分别高达.和.膜改性以提高其水通量或选择性有学者针对不同材料的 膜进行了研究 其中 等首先对比了薄膜复合材料()和三乙酸纤维素()膜分别处理清水和污水发现 膜比 膜的通量高 然后针对初沉池的污水经过.的硝酸纤维素过滤器过滤部分沉降产生两个污水样本:污水(过滤前)和过滤污水选择 膜处理这两个污水样本 结果表明在 膜的作用下污水中 从 /降至/过滤污水中 从/降
6、至/因此从该实验可以看出 膜有处理氨氮废水的技术可行性但该膜也存在低水通量的缺点针对 膜的低通水量的缺点不同学者使用不同改性方法进行了尝试 等将 树枝状聚合物水溶液倒入 膜上产生了一种新的 膜并对该膜测试水通量、抗污性、氨氮截留率 最终发现该膜表现出优秀的平均水通量./()强大的抗污性和污垢可逆性氨氮截留率.等利用氧化石墨烯()改性的薄膜纳米复合材料()膜处理合成的氨氮废水提高了 膜的.的水通量并达到水通量./()之后 等考虑到现实生活中的污水比模拟污水的水质更加复杂利用该方法并采用 为提取液处理了模拟含蛋白质污水和原污水证实了 膜的确增强了过滤性能和防污性能提高了 的水通量表现出对 良好的截
7、留率为探究不同的正渗透改性方法来提高水回收率 等开发了一种带电正渗透(在 膜表面附近施加电压镁反向迁移到进料室)以从合成牲畜废水中回收鸟粪石和水 结果显示鸟粪石和水的回收率分别提高了 和 这项研究为利用反向盐通量提高 系统中养分和水分的回收提供了见解同时为了克服 膜的低水通量和低选择性也有学者制备了新型的薄膜纳米()复合膜 其中 等制备了一种新型 膜其夹层为 嵌入碳纳米管(/)与没有夹层结构的 膜相比该新 膜比原 膜的水通量高出 倍和更低的盐通量并增强了氨氮的截留率.相关影响因素 等研究了基于水通道蛋白的中空纤维膜()组件在不同条件下的氨/铵截留率 结果证明氨/铵的截留率受进料溶液 值的影响显
8、著并且进料 值越低截留率越高 这一现象可以通过钠和铵阳离子双向扩散的减少来解释同时有学者发现运行条件对基于 污水处理的影响的报道较少 因此 等研究了海水浓缩物作提取液时 膜工艺对真实的城市污水的处理效果及温度、流速和污水预过滤等操作条件对水通量的影响 结果显示污水的体积减少至原来水量/但 和 的浓度因子不能达到 污水处理后在膜表面形成了厚而致密的滤饼层 然而在物理清洗后被污染膜的水通量几乎恢复.膜与其它工艺的耦合工艺在 的相关耦合工艺方面相关研究主要为两个方面:与其它膜技术的耦合技术和 与生物反应器的耦合工艺 其中关于 与生物反应器的耦合工艺的研究居多.与其它膜技术的耦合技术 等设计了一种用于
9、污泥浓缩的新型微滤()膜辅助正向渗透()工艺()实验结果显示该工艺表现出优异的浓缩性能和 膜的出水质量高出水中的氨氮含量从(.)/降至(.)/.与生物反应器的耦合工艺 等设计了一种带有浸没式平板 膜的厌氧膜生物反应器()并在实验室规模上处理合成污水 进水中(.)/结果显示氨氮的去除率为 表明其去除效率优于传应用化工第 卷统的厌氧膜生物反应器 等设计了一种微生物电解池()正渗透()系统利用该工艺从合成的垃圾渗滤液中回收铵和水 在 中在阴极曝气的情况下可以回收(.)的铵 相反在没有曝气的情况下 可以从渗滤液中去除(.)的铵但回收的氨很少 使用回收的铵根溶液作为提取液 工艺在.的运行中从 阳极流出物
10、中实现了 的水回收率 因此该 系统为垃圾渗滤液的处理处置提供了新的解决方案针对 一 种 新 兴 的 正 向 渗 透 膜 生 物 反 应 器()的缺点:减缓盐分积累和实现高生物量浓度之间的矛盾 等设计了一种在微滤膜辅助下的 工艺并在更长的污泥停留时间()下运行该系统从而分别控制盐的积累和延长活性污泥的停留时间同时实现 中的低盐环境和高生物量浓度 也提高了混合液中氨氮()的去除率同时针对正向渗透膜生物反应器()的缺点:盐分积累、浓度极化和膜污染等问题导致通量快速下降 等利用好氧颗粒污泥与浸没式 的耦合工艺处理合成废水 结果显示增强了浸没式 的氨氮去除率、防污性能氨氮去除率达到 等研究了当具有嵌入聚
11、酯网的薄膜复合材料()、具有无纺布涂层的三醋酸纤维素()和具有嵌入聚酯膜的三醋酸纤维()分别作为渗透型微生物燃料电池()的中间膜利用 处理实际垃圾渗滤液 结果表明活性层在进料液时的污染物去除效率氨氮总氮 等设计了一种正渗透()、膜蒸馏()工艺与厌氧流化床生物反应器()相耦合的工艺来用于污水的深度处理 结果表明该工艺可显著提高 的氨氮等营养物的去除效率耦合后的工艺中氨氮的去除率 磷的去除率 .提取液关于 膜的提取液的专门研究方面等发现了一种可切换极性的溶剂 即二氧化碳、水和叔胺的混合物可作为 平板正渗透膜的提取液并与正渗透膜组合成 工艺 实验结果表明在该工艺中 的渗透压和 水通量特性非常可观可以
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