劉沁森

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州）

氮是一種地球上的重要元素，在地球上一個氨循環(huán)，維持生命體的存在。由于人類社會與科技學(xué)術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致向自然界排放過量的氨氮，打破自然界的氮循環(huán)，嚴(yán)重威脅自然生態(tài)與人類生存。因此，在過去數(shù)十年人類在不斷開發(fā)各種氮去除技術(shù)，提出了硝化、反硝化、厭氧氨氧化等技術(shù)，解決了人類大量聚居生活以及生產(chǎn)活動引起的氮污染問題[1]。然而，傳統(tǒng)脫氮技術(shù)解決了氮的去除問題，卻忽視了氮也是農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動中所必須的重要的營養(yǎng)元素。因此，廢水的氮回收是廢水高附加值開發(fā)處理的重要途徑[1]?，F(xiàn)有技術(shù)中廢水的氮回收主要包括以下方法：鳥糞石沉淀法、膜濃縮法、吸附/解吸法、生物吸收法。然而，上述氮回收的方法普遍存在回收率低、產(chǎn)品純度低、操作復(fù)雜以及運行成本高等缺點[2-4]。

1 兩級膜蒸餾反應(yīng)器的提出

1.1 膜蒸餾的原理與優(yōu)勢

膜蒸餾（MD）是基于氣液平衡及熱傳質(zhì)原理的熱驅(qū)動過程，以疏水微孔膜為介質(zhì)，在膜兩側(cè)蒸汽壓差的推動下，進水中的揮發(fā)性組分以蒸汽形式透過膜孔，在膜的低溫側(cè)冷凝為液態(tài)，而非揮發(fā)性組分則留在熱側(cè)進料液中，從而達到分離并去除污染物的目的[5]。由于膜蒸餾可以實現(xiàn)非揮發(fā)性污染物的截留，這將有利于廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的回收。

膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用于污水處理過程的優(yōu)點如下:

（1） 膜蒸餾濃縮過程在常壓下進行，設(shè)備簡單，操作方便。

（2） 在非揮發(fā)性水溶液的膜蒸餾過程中，僅有水蒸氣能透過疏水膜孔，因此出水水質(zhì)好。

（3） 與反滲透相比，鹽濃度以及濃差極化對膜蒸餾影響較小，因此可以處理含有高濃度無機鹽的溶液，甚至可以將溶液濃縮到飽和狀態(tài)。

（4） 膜蒸餾工藝設(shè)備簡單、操作方便，且膜蒸餾具有分離效率高、低結(jié)垢傾向、潛在能耗低等優(yōu)點[6]。

圖1 膜蒸餾工藝流程原理

1.2 兩級膜蒸餾的原理與優(yōu)勢

雖然傳統(tǒng)的單級膜蒸餾反應(yīng)器可以實現(xiàn)廢水中氨氮的回收，但回收的氨氮濃度和純度一般較低，且受進水PH 值與堿度的影響大，從而限制了后續(xù)資源化利用與附加值開發(fā)。開發(fā)實用且高效的處理技術(shù)成為處理高氨氮廢水與氨氮高效回收的關(guān)鍵。兩級膜蒸餾反應(yīng)器不僅可以處理高氨氮廢水，同時可以對揮發(fā)性的氨進行濃縮與回收。

兩級膜蒸餾與傳統(tǒng)的單級膜蒸餾的差別在于，第一級膜蒸餾通過對pH 值的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對高氨氮廢水中的氨的分離與固定，由于氨在第一級膜蒸餾回收側(cè)以硫酸銨的形態(tài)被固定，通過第二級膜蒸餾即可以實現(xiàn)對第一級膜蒸餾回收側(cè)中硫酸銨的濃縮以便實現(xiàn)氨的高濃度回收，同時在第二級膜蒸餾的回收側(cè)實現(xiàn)純水的產(chǎn)出。

圖2 兩級膜蒸餾工藝流程原理

圖3 兩級膜蒸餾氨氮回收原理

2 兩級膜蒸餾反應(yīng)器在氨氮回收與水處理的應(yīng)用

2.1 兩級膜蒸餾反應(yīng)器在氨氮回收的應(yīng)用

兩級膜蒸餾反應(yīng)器在氨氮回收的特殊設(shè)計在于，利用對pH 值的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對第一級膜蒸餾回收側(cè)氨的固定，同時通過第二級膜蒸餾實現(xiàn)氨的濃縮，這與于單級膜蒸餾相比，回收的氨氮濃度及純度大幅提升。M.M.Zico 等[7]的研究結(jié)果表明傳統(tǒng)的單級膜蒸餾反應(yīng)器處理垃圾滲濾液時氨氮回收率為59%，Xu 等[8]利用兩級膜蒸餾反應(yīng)器處理垃圾滲濾液時的氨氮回收率可以達到84.2%。

2.2 兩級膜蒸餾反應(yīng)器在水處理的應(yīng)用

兩級膜蒸餾對高氨氮廢水水質(zhì)的改善與提升大大優(yōu)于傳統(tǒng)單級膜蒸餾。與單級膜蒸餾相比，兩級膜蒸餾工藝對高氨氮廢水進行了兩次膜蒸餾的處理，廢水中的非揮發(fā)性污染物經(jīng)過第一級膜蒸餾的截留被去除，而廢水中的揮發(fā)性有機物在經(jīng)過兩次膜蒸餾處理后，含量也大幅減小，產(chǎn)水水質(zhì)大幅改善。Zhang 等[9]采用兩級膜蒸餾處理天然氣開采產(chǎn)生的真實鹽水，結(jié)果表明兩級膜蒸餾能夠?qū)崿F(xiàn)30.4 kg/(m2·h)的超高水通量，99.8%的截鹽率以及94.8%的COD 去除率，總水回收率達到88.6%。

表1 列舉了兩級膜蒸餾技術(shù)與常見的廢水中氨氮回收工藝的回收效能及經(jīng)濟效益。

表1 用于氨氮回收的不同工藝的對比

3 兩級膜蒸餾反應(yīng)器運行的影響因素

3.1 pH 值對兩級膜蒸餾反應(yīng)器運行效能的影響

pH 值是影響兩級膜蒸餾反應(yīng)器氨回收效能的主要因素之一。因為pH 值決定了氨氮在水中的形體分布。在堿性pH 值的條件下，氨氮在水中主要以游離態(tài)存在；而在酸性pH 值的條件下，氨在水中主要以固定態(tài)存在。在兩級膜蒸餾反應(yīng)器運行時，游離態(tài)的氨氮比固定態(tài)的氨氮更容易從廢水中分離跨膜。因此，可以調(diào)控兩級膜蒸餾反應(yīng)器的進水pH 值，在第一級反應(yīng)器實現(xiàn)氨氮向氨氣的去質(zhì)子轉(zhuǎn)化，在第二級反應(yīng)器實現(xiàn)游離氨的固定，從而實現(xiàn)對廢水中氨氮資源的回收。Yan 等[13]用單級膜蒸餾處理垃圾滲濾液時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH 值從5 升到9，膜蒸餾回收側(cè)的氨氮濃度從83.57 mg/L 上升到906.45 mg/L。

3.2 溫度對兩級膜蒸餾反應(yīng)器運行的影響

兩級膜蒸餾的跨膜驅(qū)動力由溫度差提供，因此溫度直接影響產(chǎn)水通量?？缒夭铗?qū)動力越大則越有利于獲得高品質(zhì)回用水。此外，溫度也是決定游離態(tài)的氨氮從水中分離的效率的重要因素之一。溫度較低時，氣態(tài)氨的濃度比例會變小，但游離態(tài)氨氮的比例會升；而溫度較高時，氣態(tài)氨可能外溢至大氣中，不利于第二級膜蒸餾對氨氮的捕獲。因此兩級膜蒸餾的跨膜驅(qū)動溫差直接影響反應(yīng)器的產(chǎn)水及氨氮回收效能。

圖4 氨在不同pH 條件下的形體分布

4 結(jié)論與展望

近些年，膜蒸餾技術(shù)在水處理中的研究與應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展，尤其在高氨氮廢水的處理與氨氮回收的應(yīng)用方面，能夠同步實現(xiàn)高品質(zhì)水回用與氨氮資源回收[12]。但同時應(yīng)注意到，傳統(tǒng)的單級膜蒸餾存在著氨氮回收效率低的問題。

結(jié)合目前膜蒸餾在高氨氮廢水處理與氨氮回收中的研究情況，筆者認(rèn)為兩級膜蒸餾在用于高氨氮廢水處理與氨氮回收中具有巨大的潛能，能夠兼具改善水質(zhì)與提高氨氮回收效率。目前，針對兩級膜蒸餾的研究還比較少，對其運行過程中影響因素的研究也較為缺乏，由于pH 值和溫度是影響膜蒸餾運行效率的主要因素，后續(xù)研究可以通過對pH 值和溫度的調(diào)控，探尋最佳的pH 值范圍和最佳的溫度范圍以滿足兩級膜蒸餾對氨氮回收效率達到最佳區(qū)間。隨著后續(xù)研究的深入，兩級膜蒸餾將在針對高氨氮廢水處理與氨氮回收方面得到更多的應(yīng)用。