压力延迟渗透技术在水处理中的应用

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0974

摘要/Abstract

摘要：

在减少废水排放和获取绿色能源的目标下，压力延迟渗透（PRO）技术作为一种能有效获取盐水中盐差能且符合碳中和发展目标的新兴膜法水处理技术正受到广泛关注。在实际应用中，PRO技术具有产水率高、出水水质好等优点，但技术相对不够成熟的现状导致其对盐差能的转化利用效率较低。为有效实现水和能源的循环利用，介绍了PRO技术的原理及水通量、功率密度等关键指标，对影响PRO技术性能的因素（膜种类、膜朝向、浓差极化和膜污染等）进行了讨论，针对不同膜污染类型，着重分析了有效的预处理及清洗措施；重点综述了PRO技术在海水淡化发电、非常规水处理等水处理领域的实际应用；提出在满足经济可行性的同时，通过优化PRO组合工艺设计、提高整体工艺效率等措施，推动并实现PRO技术在水处理领域的低碳、高效运行。

关键词: 压力延迟渗透, 盐差能, 功率密度, 海水淡化, 发电, 水处理

Abstract:

With the goal of reducing wastewater discharge and harvesting green energy，pressure retarded osmosis（PRO） technology is receiving widespread attention，as an application of membrane in water treatment that can effectively capture the salinity energy in brine and satisfy carbon neutral development goals. In actual practice，PRO technology has the advantages of high water production rate and excellent effluent water quality，but its use of salinity gradients energy was less efficient because of its relatively immature technology. In order to effectively achieve water and energy recycling，this review first introduced the principle of PRO technology and key indicators such as water flux and power density，then discussed the factors affecting the performance of the technology，such as membrane type，membrane orientation，concentration polarization and membrane fouling. The effective pretreatment and cleaning measures for PRO technology were highlighted for different membrane fouling types. This review focused on the practical applications of PRO technology in water treatment，such as desalination and power generation，non-conventional water treatment and other processes. It was proposed to promote and realize the low-carbon and efficient operation of PRO technology in the field of water treatment by optimizing the combined process design of PRO and improving the overall process efficiency，while meeting the economic feasibility.

Key words: pressure retarded osmosis, salinity gradients energy, power density, seawater desalination, power generation, water treatment

中图分类号:

P747
TQ085

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I10/31

图/表 5

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污染物种类	污染部位	污染机理	解决方法	参考文献
天然有机物	支撑层内部及其与活性层界面处	阻塞膜孔隙、缩小膜孔隙、形成滤饼层	渗透反冲洗；对污水进行纳滤（NF）、超滤（UF）等预处理；添加化学药剂等	〔21〕
硫酸钙等无机物	支撑层内部和膜表面	无机物晶体在膜表面和支撑层中集聚导致膜孔堵塞	添加阻垢剂抑制垢体的形成；利用物理方法（如反向水力冲洗、负压、气洗等）将污染物从膜上移除	〔22〕
微生物	支撑层表面及内部	随着废水中有机物和细菌进入支撑层，营养物的持续运输刺激细菌生长并在支撑层孔内形成生物膜，堵塞膜支撑层的空隙	反向水力冲洗；添加化学药剂（如氧化剂、酶、螯合剂、酸、碱、表面活性剂、盐等）	〔23-25〕
胶体颗粒	支撑层表面	胶体表面的电荷通过静电作用吸附在膜表面，造成膜孔隙阻塞	物理清洗（如空气冲刷和超声清洗）；化学清洗（添加化学药剂、调节酸碱度等）	〔26-27〕

污染物种类	污染部位	污染机理	解决方法	参考文献
天然有机物	支撑层内部及其与活性层界面处	阻塞膜孔隙、缩小膜孔隙、形成滤饼层	渗透反冲洗；对污水进行纳滤（NF）、超滤（UF）等预处理；添加化学药剂等	〔21〕
硫酸钙等无机物	支撑层内部和膜表面	无机物晶体在膜表面和支撑层中集聚导致膜孔堵塞	添加阻垢剂抑制垢体的形成；利用物理方法（如反向水力冲洗、负压、气洗等）将污染物从膜上移除	〔22〕
微生物	支撑层表面及内部	随着废水中有机物和细菌进入支撑层，营养物的持续运输刺激细菌生长并在支撑层孔内形成生物膜，堵塞膜支撑层的空隙	反向水力冲洗；添加化学药剂（如氧化剂、酶、螯合剂、酸、碱、表面活性剂、盐等）	〔23-25〕
胶体颗粒	支撑层表面	胶体表面的电荷通过静电作用吸附在膜表面，造成膜孔隙阻塞	物理清洗（如空气冲刷和超声清洗）；化学清洗（添加化学药剂、调节酸碱度等）	〔26-27〕

联用工艺	用途	优点	局限	汲取液	原料液	η
RO-PRO^〔38〕	处理海水淡化中的RO浓缩水	与单独的RO相比，能耗减少，污染少，对海洋环境友好	需要的膜面积大，水通量较低	RO浓缩水	海水	2
SWRO-NF-PRO^〔39〕	处理海水淡化过程中的RO浓缩水、生产饮用水、灌溉水	发电量高，不需要海水前处理工艺，成本低	成本受原料液浓度和PRO膜价格影响	RO浓缩水	海水、城市污水	—
FO-PRO^〔40〕	处理市政污水、海水淡化过程中的RO浓缩水	有效降低高盐溶液中的总溶解性固体（TDS），污染低，易于膜清洗，能耗低	功率密度低，处理水价高	高盐海水	FO处理过的市政污水	2.0
PRO-FO^〔41〕	处理页岩气工业回流水，实现海水淡化发电	功率密度高于FO-PRO模式，能有效降低高盐溶液的TDS	膜污染较FO-PRO模式严重	高盐海水	页岩气工业回流水	3.04
双级PRO^〔42〕	处理废水和苦咸水，实现海水淡化发电	处理盐度范围广，膜污染轻，发电量高于单一PRO模式	运行费用高	海水、苦咸水	淡水	14
PRO-MD^〔43〕	生产饮用水，实现海水淡化发电	水回收率高，渗透发电能力大，膜污染控制良好，对环境影响小	能源消耗相对较高	海水	地表水	6.2
MVMD-PRO^〔44〕	生产饮用水	预处理成本低，热能回收率高，对环境友好	发电量较低，所需膜面积大	MVMD过程中产生的浓水	河水	1.94
NF-PRO^〔45〕	处理海水淡化过程中的RO浓缩水、市政污水	水通量高，功率密度与单一PRO相比显著提高，操作压力较低	NF膜污染严重	RO海水淡化过程中的浓缩水	污水厂二级出水	2.7

联用工艺	用途	优点	局限	汲取液	原料液	η
RO-PRO^〔38〕	处理海水淡化中的RO浓缩水	与单独的RO相比，能耗减少，污染少，对海洋环境友好	需要的膜面积大，水通量较低	RO浓缩水	海水	2
SWRO-NF-PRO^〔39〕	处理海水淡化过程中的RO浓缩水、生产饮用水、灌溉水	发电量高，不需要海水前处理工艺，成本低	成本受原料液浓度和PRO膜价格影响	RO浓缩水	海水、城市污水	—
FO-PRO^〔40〕	处理市政污水、海水淡化过程中的RO浓缩水	有效降低高盐溶液中的总溶解性固体（TDS），污染低，易于膜清洗，能耗低	功率密度低，处理水价高	高盐海水	FO处理过的市政污水	2.0
PRO-FO^〔41〕	处理页岩气工业回流水，实现海水淡化发电	功率密度高于FO-PRO模式，能有效降低高盐溶液的TDS	膜污染较FO-PRO模式严重	高盐海水	页岩气工业回流水	3.04
双级PRO^〔42〕	处理废水和苦咸水，实现海水淡化发电	处理盐度范围广，膜污染轻，发电量高于单一PRO模式	运行费用高	海水、苦咸水	淡水	14
PRO-MD^〔43〕	生产饮用水，实现海水淡化发电	水回收率高，渗透发电能力大，膜污染控制良好，对环境影响小	能源消耗相对较高	海水	地表水	6.2
MVMD-PRO^〔44〕	生产饮用水	预处理成本低，热能回收率高，对环境友好	发电量较低，所需膜面积大	MVMD过程中产生的浓水	河水	1.94
NF-PRO^〔45〕	处理海水淡化过程中的RO浓缩水、市政污水	水通量高，功率密度与单一PRO相比显著提高，操作压力较低	NF膜污染严重	RO海水淡化过程中的浓缩水	污水厂二级出水	2.7

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