正渗透-反渗透工艺同步污水再生和海水淡化的特性研究

摘要

城市污水回用和海水淡化是解决全球水资源短缺的重要方式。传统的城市污水深度处理技术和海水淡化技术存在高耗能和高处理成本等问题。因此，有必要建立新技术能够降低能耗并可同时实现城市污水再生和海水淡化。近几年发展起来的正渗透（Forward Osmosis, FO）膜分离技术与需要施加外加压力的传统膜法相比，具有低能耗、低膜污染等特点。本实验在优化FO运行条件的基础上，与反渗透（Reverse Osmosis, RO）联用，考察了系统的水通量、脱盐率和污染物截留特性，最后进行了经济和能耗分析，为同步污水再生和海水淡化提供了技术支持。
　　论文首先研究不同压力下TFC-ES、CTA-ES和CTA-NW膜的纯水渗透系数（A值）和盐渗透系数（B值），以及不同汲取液浓度、不同错流速率和不同汲取液溶质对三种FO膜的水通量（Jw）和盐返混通量（Js）的影响以及膜污染情况，优选出性能最佳FO膜。结果表明：FO膜结构性能测试过程中，使用网格垫片时，三种FO膜的A值和B值均有增加，且随着压力增加而增加，其中TFC-ES膜的增加最多。汲取液浓度从0.1mol/L增加到0.6mol/L时，三种FO膜水通量和盐返混均增加，但非线性增长，三种FO膜水通量和盐返混大小顺序为TFC-ES>CTA-ES>CTA-NW。当原料液错流速率从8 cm/s增加到32 cm/s时， TFC-ES和CTA-ES膜的水通量增加幅度相当，而CTA-NW的增幅较少。
　　接着采用优选的TFC-ES膜进行压力协同渗透（ Pressure assited osmosis, PAO）性能测试，观察RO运行特性，在此基础上分析了PAO-RO组合工艺同步污水再生和海水淡化的可行性，并采用三维荧光光谱和凝胶色谱分析了处理过程中有机物和分子量的分布变化情况。结果表明：PAO测试过程中，Jw与压力成正相关，JS成下降趋势，对TOC的截留略有下降。RO测试中，随着进水浓度的增加，产水量和脱盐率均下降。以二沉出水为原料液，模拟海水为汲取液，采用PAO-RO联合工艺，运行12h后，系统产水量较单独RO工艺增加约150％，海水脱盐率达到94.8%，整个系统对二沉出水中TN、TP和TOC的去除率分别达到98.1%、98.4%和99.6%，蛋白类和腐殖酸类有机物均得到了很好的去除，出水物质分子量主要分布在80~500Da之间，达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GBT19923-2005)。连续运行10天后，PAO初始水通量下降约25.6%，RO产水初始水通量下降19%，经反冲洗后PAO通量恢复95.2%，RO通量恢复99.1%。
　　论文最后采用二沉出水为原料液，杭州湾海域海水为汲取液，研究PAO-RO工艺运行特性，并进行经济能耗分析。结果表明：运行12h后，系统产水量与单独RO工艺相比增加约45%，海水脱盐率达到97.8%。系统对二沉出水的TN、TP和TOC的去除率分别达到98.2%、97.5%和99.8%，产水纯净透明，达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GBT19923-2005)。产水分子量主要分布在40~400Da之间。连续运行10天后，PAO初始水通量下降约23%，RO产水初始水通量下降9%，经反冲洗以后PAO通量恢复98%，RO通量恢复98.4%。FO-RO工艺相比单独SWRO节约30%的能耗成本，增加20%~25%的固定成本（Capital expenditure，CAPEX），同时节省15%%~25%的运行成本（Operational expenditure， OPEX）。当FO膜通量达到25L/m2h以上，FO-RO混合系统经济可行。与模拟海水条件下的结果相比，RO膜污染较重，说明实际海水增加了RO膜污染。