Ein Pilot

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 21653 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Die Rückgewinnung von Nährstoffen und Energie aus kommunalem Abwasser hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt; Seine Effizienz wird jedoch durch die geringe Festigkeit des kommunalen Abwassers erheblich eingeschränkt. Hier berichten wir über ein Vorwärtsosmosesystem (FO) im Pilotmaßstab, das ein spiralförmig gewickeltes Membranmodul verwendet, um echtes kommunales Abwasser zu konzentrieren. Im Modus „Zufuhrlösung mit Blick auf die aktive Schicht“ wurde der kritische Konzentrationsfaktor (CCF) dieses FO-Systems mit 0,5 M NaCl als Ziehlösung zu 8 bestimmt. Im Langzeitbetrieb bei einem Konzentrationsfaktor von 5 konnten (99,8 ± 0,6) % des chemischen Sauerstoffbedarfs und (99,7 ± 0,5) % der gesamten Phosphorrückweisungsraten bei einem Fluss von durchschnittlich 6 L/(m2 h) erreicht werden . Im Vergleich dazu wurden nur (48,1 ± 10,5) % und (67,8 ± 7,3) % Rückhaltung von Ammonium und Gesamtstickstoff beobachtet. Die verstärkte Konzentrationspolarisierung des Kuchens trägt wesentlich zur Verringerung der Wasserflüsse bei. Die Verschmutzung führte auch zum Auftreten eines Polarisationseffekts mit reduzierter Konzentration des Kuchens, wodurch sich die Ammonium-Abweisungsrate mit zunehmender Betriebszeit in jedem Zyklus verbesserte. Diese Arbeit zeigt die Anwendbarkeit des FO-Verfahrens zur Abwasserkonzentrierung sowie Einschränkungen bei der Ammoniumrückgewinnung, die in Zukunft weiter verbessert werden müssen.

Derzeit wird Abwasser zunehmend als Wasser-, Nährstoff- und Energiequelle und nicht als Abfall betrachtet1,2. Ein großes Hindernis für die Nährstoff- und Energierückgewinnung aus häuslichem/kommunalem Abwasser ist die geringe Konzentration des Abwassers, die seine Rückgewinnungseffizienz und Kosteneffizienz erheblich beeinträchtigt. Die Bereitstellung eines Konzentrats mit hohen Konzentrationen an chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) und Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor), die den wirtschaftlichen Vorteilen entsprechen, ist der Schlüssel für die nachgeschalteten Energiegewinnungs- (z. B. anaerobe Behandlung und mikrobielle Brennstoffzellen) und Nährstoffrückgewinnungseinheiten3 .

Die Membrantrennung ist eine vielversprechende Technologie für Konzentrationszwecke. Aerobe Membranbioreaktoren (MBRs) mit kurzer hydraulischer Retentionszeit (HRT) und kurzer Schlammretentionszeit (SRT) wurden zur Konzentration von Abwasser und Grauwasser durch Bioflockungsmechanismen verwendet4,5. Der größte Nachteil dieses Szenarios ist die starke Membranverschmutzung und der biologische Abbau von CSB vor Ort während des Konzentrationsprozesses (was zu einer Rückgewinnung von nur etwa 35 % CSB führt)4. Die von Ma et al.6 entwickelte dynamische Membrantrennung zeigte eine CSB-Rückgewinnungsrate von 81,6 % bei einem hohen Membranfluss von 60 l/(m2 h). Es wurde auch über eine direkte Aufkonzentrierung des Abwassers durch Mikrofiltrationsmembranen (MF) berichtet3, wobei eine effiziente Konzentration für CSB erreicht wurde, nicht jedoch für Stickstoff und Phosphor. Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) können auch zur Konzentration kommunaler Abwässer eingesetzt werden7,8; Allerdings sind NF- und RO-Membranen empfindlich gegenüber Verschmutzung durch gelöste und ungelöste Moleküle, Partikel, Salzniederschläge und Mikroorganismen9,10,11. Aus diesem Grund erfordern NF- und RO-Systeme zur Abwasserbehandlung eine Vorbehandlung, um Membranverschmutzung zu reduzieren, z. B. MF und Ultrafiltration (UF) als Vorbehandlungsschritte12.

Vorwärtsosmose (FO) ist ein Membrantrennverfahren, bei dem eine semipermeable Membran zwischen einer Zulauflösung (FS) mit niedrigem osmotischem Druck und einer Abzugslösung (DS) mit hohem osmotischem Druck platziert wird und durch die osmotische Druckdifferenz angetrieben wird die Membran13. Das FO-Verfahren weist im Vergleich zu herkömmlichen druckbetriebenen Membranverfahren wie NF und RO eine geringere Verschmutzungsneigung auf und hat daher in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen14,15,16,17. Der Einsatz von FO-Verfahren zur Behandlung von häuslichem/kommunalem Abwasser geringer Stärke nimmt stetig zu, z. B. bei synthetischem häuslichem Abwasser16 und Abwasser aus kommunalen Quellen18,19 und kommunalem Abwasser20,21. Die oben genannten Studien legen den Grundstein für das Verständnis des Verhaltens von FO-Systemen zur Abwasserkonzentrierung; Es reicht jedoch immer noch nicht aus, eine allgemeine Regel für diese Systeme festzulegen, da in den meisten Studien FO-Systeme im Labormaßstab im Batch-Filtrationsmodus verwendet werden und die Versuchsdauer mehrere Stunden bis mehrere Tage dauert18,19,20,21. Eine langfristige Untersuchung von FO-Systemen im kontinuierlichen Durchflussbetrieb zur Konzentration schwacher häuslicher/kommunaler Abwässer ist dringend erforderlich, um die Anwendungen dieser Technologie in der realen Abwasserbehandlung voranzutreiben.

In der vorliegenden Arbeit haben wir ein FO-Membransystem im Pilotmaßstab unter Verwendung eines spiralförmig gewickelten FO-Membranmoduls mit einer effektiven Fläche von 0,3 m2 zur Konzentration von echtem kommunalem Abwasser aufgebaut. Zunächst wurde der kritische Konzentrationsfaktor (CCF) bestimmt und anschließend die Langzeitleistung dieses FO-Systems im Pilotmaßstab bei einem Konzentrationsfaktor (CF) von 5 untersucht. Der Beitrag der externen Konzentrationspolarisation (ECP), der kuchenverstärkten Konzentrationspolarisation (CECP) und der Rückdiffusion gelöster Stoffe zur Abnahme der Flussleistung wurde analysiert, und die Rolle der kuchenreduzierten Konzentrationspolarisation (CRCP) bei der Ammoniumabstoßung wurde ebenfalls diskutiert. Von den erzielten Ergebnissen wird erwartet, dass sie ein fundiertes Verständnis über FO-Systeme zur Konzentration von Abwasser mit geringer Konzentration liefern.

Die intrinsischen A- und B-Parameter dieser in dieser Studie verwendeten CTA-Membran wurden mit 0,70 ± 0,07 L/(m2 h bar) bzw. 0,53 ± 0,03 L/(m2 h) bestimmt, was mit früheren Veröffentlichungen vergleichbar ist22,23. Die Wasser- und gelösten Stoffflüsse (unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Zufuhrlösung) als Funktion des osmotischen Drucks sind in Abb. 1 dargestellt. Die gemessenen Wasser- und gelösten Stoffflüsse nehmen mit zunehmendem osmotischen Druck zu; Allerdings weichen die Wasserflüsse von CTA-Membranen vom theoretischen Fluss unter Verwendung der linearen Kurve (Jv = A(πdraw − πfeed)) basierend auf der klassischen Lösungs-Diffusions-Theorie13 ab, können aber gut durch Gleichung modelliert werden. (1), was darauf hinweist, dass ICP24 die Wasserflüsse erheblich beeinflussen kann. Der Stoffübergangskoeffizient Km dieser CTA-Membran, der mit dem ICP-Phänomen innerhalb der porösen Trägerschicht zusammenhängt, wurde mit (4,07 ± 0,26) × 10−6 m/s modelliert. Der in dieser Studie erhaltene Km-Wert stimmt gut mit dem von Tang et al.25 für denselben Membrantyp angegebenen Wert überein (4,2 × 10−6 m/s für die AL-FS-Konfiguration) mit einem CFV von 23,2 cm/ S. Der Strukturparameter Sme wurde zu (2,96 ± 0,26) × 10−4 m unter Verwendung eines Ddraw-Werts von 1,2 × 10−9 m2/s für 0,5 M NaCl bei 20 °C23 berechnet. Der Sme-Wert (296 μm) war viel größer als die Dicke der Trägerschicht (39–51 μm)26,27,28, was auf die Tortuosität und Porosität der Trägerschicht zurückzuführen ist. Der Km-Wert kann im Fouling-inkorporierten Wasserflussmodell (Gleichung (3)) zur Bewertung der Leistung dieses FO-Membransystems im Pilotmaßstab zur Konzentration von echtem Abwasser verwendet werden.

Die rote durchgezogene Linie ist der modellierte Fluss unter Verwendung von Jv = A(πdraw − πfeed) und die schwarze gestrichelte Linie zeigt den modellierten Fluss unter Verwendung von Gl. (1). Die quadratischen Symbole stellen die gemessenen Daten dar. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen dar; Wo keine Balken vorhanden sind, fallen sie in die Symbole.

Variationen der Wasserflüsse während der CCF-Bestimmung sind in Abb. 2 dargestellt, und die entsprechenden Flüsse gelöster Stoffe sind in Abb. S1 in den Zusatzinformationen (SI) dargestellt. Die Wasserflüsse nehmen aufgrund von Membranverschmutzung und Rückdiffusion gelöster Stoffe allmählich ab, und die Flüsse gelöster Stoffe zeigen ein ähnliches Änderungsmuster (siehe ergänzende Abbildung S1). Der CCF dieses FO-Systems im Pilotmaßstab zur Konzentration von kommunalem Abwasser wurde auf 8 festgelegt, was darauf hinweist, dass dieses FO-System mit einem CF von weniger als 8, also einem unterkritischen CF, betrieben werden sollte, um eine kostengünstige Leistung zu erzielen. Durch die schrittweise Verdünnung des konzentrierten Abwassers konnten die Wasserflüsse nicht wieder auf die Werte des Konzentrationsprozesses zurückgeführt werden, was darauf hindeutet, dass Membranverschmutzung zusammen mit der Rückdiffusion gelöster Stoffe das Flussverhalten irreversibel machte. Die gelösten Stoffflüsse während der schrittweisen Verdünnung lagen jedoch sehr nahe an denen beim Konzentrationsprozess (siehe Abb. S1). Um die Auswirkungen von Membranfouling auf die Wasserdurchlässigkeit weiter zu untersuchen und die Unterschiede zwischen dem Änderungsverhalten von Wasser und gelöstem Stofffluss zu erklären, wurde das Fouling-inkorporierte Wasserflussmodell (Gleichung (3)) zur Auswertung der erhaltenen Daten verwendet. Die osmotischen Drücke von Zufuhrlösungen bei unterschiedlichem CF während des schrittweisen Verdünnungsprozesses wurden gemessen und sind in der Ergänzungstabelle S1 zusammengefasst. Mithilfe dieses Modells und der gemessenen Daten konnten die Parameter im Zusammenhang mit den Wasser- und Stoffflüssen am CCF berechnet werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

(a) Änderungen der Wasserflüsse während der Abwasserkonzentrierung zur Bestimmung des CCF. Die durchgezogene blaue Linie stellt die Schwankungen der Wasserflüsse bei kontinuierlicher Konzentration von kommunalem Abwasser dar, während die gelben Kreise die Wasserflüsse bei jeweiligen Konzentrationsfaktoren durch schrittweise Verdünnung des konzentrierten Abwassers durch DI-Wasser darstellen. (b) Der Beitrag von CECP, externer Konzentrationspolarisation (ECP) und umgekehrtem Fluss gelöster Stoffe zum Wasser nimmt bei CCF ab. X1, X3, X5 und

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass A von seinem ursprünglichen Wert von 0,70 L/(m2·h·bar) auf 0,582 L/(m2·h·bar) gesunken ist, was darauf hindeutet, dass die Membranverschmutzung zu einem erhöhten hydraulischen Widerstand der verschmutzten Membran führte und somit eine verringerte Wasserdurchlässigkeit25. Es ist jedoch sehr interessant zu beobachten, dass der B-Wert im Vergleich zur Neumembran keine offensichtliche Veränderung aufweist. Dies führt zu einem Anstieg des Gesamt-B/A-Verhältnisses, was darauf hindeutet, dass es zu einer schwerwiegenden Verschmutzung kommt, wie von Lay et al.29 berichtet. Der Ala-Wert ist viel niedriger als der Bla-Wert (Tabelle 1), was darauf hindeutet, dass die auf AL von FO-Membranen gebildete Verschmutzungsschicht eine schlechte Selektivität aufweist und daher im Vergleich zu ihrem Einfluss auf die Wasserdurchlässigkeit während des CCF-Tests vernachlässigbare Auswirkungen auf die umgekehrte Salzabweisung hat. Dies kann gut erklären, dass viele Autoren einen weniger signifikanten Rückgang der gelösten Stoffflüsse im Vergleich zu einem dramatischen Rückgang der Wasserflüsse beobachteten, als es zu Fouling in FO-Systemen kam26,30.

Abbildung 2(b) zeigt den Beitrag verschiedener Faktoren zur Abnahme der Membranpermeabilität bei CCF (detaillierte Berechnung im Zusatzmaterial). Da die Konzentration der Ziehlösung konstant gehalten wurde, wurde angenommen, dass der ICP annähernd unverändert blieb. Daher wurde nur das Phänomen berücksichtigt, das auf der Seite der Zufuhrlösung auftritt, nämlich CECP, externe Konzentrationspolarisation (ECP) und Rückdiffusion gelöster Stoffe. Es ist klar, dass die Rückdiffusion des gelösten Stoffes die Abnahme des Wasserflusses während des Konzentrationsprozesses dominierte, während die CECP- und ECP-Beiträge ähnlich waren. Der angesammelte Salzgehalt kann die effektive osmotische Druckdifferenz reduzieren, die für den Wasserfluss durch die FO-Membran im gesamten Konzentrationsprozess zur Verfügung steht, was auch als Hauptgrund für die Verschlechterung der FO-Leistung in Vorwärtsosmose-Membran-Bioreaktoren angesehen wird31,32,33.

Basierend auf den CCF-Ergebnissen wurde der CF von 5, also ein unterkritischer CF, für das FO-Pilotsystem ausgewählt und die Langzeitleistung der FO-Membran während der Konzentration von kommunalem Abwasser untersucht. Insgesamt wurden drei Zyklen mit einer Dauer von 51 Tagen durchgeführt. Die Änderungen der Wasser- und Stoffflüsse während des Betriebs sind in Abb. 3 (a) dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Wasserflüsse in jedem Zyklus ein dreistufiges Änderungsmuster aufwiesen, d. eine langsame Abnahmephase (durchschnittlich etwa 6 l/(m2 h)), gefolgt von einer erneuten schnellen Abnahme am Ende eines Zyklus. Der schnelle Rückgang der Wasserflüsse im Anfangsstadium könnte auf die schnelle Bildung einer externen Konzentrationspolarisation auf der Seite der Zufuhrlösung (was zu einer schnellen reversiblen Verschmutzung der FO-Membran führt) und der internen Konzentrationspolarisation auf der Seite der Ziehlösung zurückzuführen34. In der zweiten Stufe bildete sich allmählich eine Membranverschmutzungsschicht, was zum Auftreten einer kuchenverstärkten Konzentrationspolarisation (oder als kuchenverstärkter osmotischer Druck bezeichnet) führte. Danach erreichte die Verschmutzungsschicht (Kuchenschicht) nach einer langfristigen Ansammlung einen kritischen Zustand (z. B. die dramatische Zunahme der Dicke, der Kompressibilität und der CECP-Effekte), was am Ende jedes Zyklus wieder zu einem raschen Rückgang der Wasserflüsse führte. Allerdings blieben die gelösten Stoffflüsse während des Filtrationsprozesses relativ stabil und nahmen am Ende eines Filtrationszyklus tendenziell leicht ab. Dies deutet darauf hin, dass die Auswirkungen der Membranverschmutzung auf die Flüsse gelöster Stoffe im Vergleich zu den Wasserflüssen weniger signifikant sind, was mit den Ergebnissen des CCF-Tests übereinstimmt. Aus diesem Grund steigt das Verhältnis der Flüsse gelöster Stoffe zu Wasserflüssen (Js/Jw) am Ende jedes Filtrationszyklus dramatisch an. Größere Verhältnisse von Js/Jw spiegeln eine Abnahme der Selektivität der gesamten Membran (einschließlich der Verschmutzungsschicht) und eine geringere Effizienz des Prozesses wider35. Während des Betriebs in jedem Zyklus lag die Salzkonzentration in Bezug auf die gesamten gelösten Feststoffe (TDS) in der Zufuhrlösung zwischen etwa 6,1 g/L im Anfangsstadium und etwa 4,2 g/L im späteren Stadium, was darauf hindeutet, dass die Salzkonzentration wurde beim Konzentrationsprozess aufgrund der periodischen Ableitung von konzentriertem Abwasser aus dem Speiselösungstank nicht angesammelt. Die Abnahme der Salzkonzentration im späteren Stadium jedes Zyklus wurde hauptsächlich auf die rasche Abnahme der Wasserflüsse (Abb. 3) und CF zurückgeführt.

(a) Schwankungen der Flüsse von Wasser und gelösten Stoffen sowie des Flussverhältnisses von gelösten Stoffen zu Wasser während des Langzeitbetriebs dieses FO-Systems im Pilotmaßstab zur Konzentration von kommunalem Abwasser bei CF 5; (b) Der Beitrag von CECP, ECP und umgekehrtem gelöstem Stoff zum Wasserfluss nimmt an den Punkten der Membranreinigung ab. Das Reinigungsverfahren ist unter „Materialien und Methoden“ beschrieben.

Die spezifischen Beiträge von CECP, ECP und umgekehrter Diffusion gelöster Stoffe zur Abnahme der Membranpermeabilität wurden bestimmt und die Ergebnisse sind in Abb. 3 (b) dargestellt. Es ist offensichtlich, dass im Langzeitbetrieb das CECP der Hauptfaktor ist, der die Wasserflüsse beeinflusst, gefolgt vom ECP und der Rückdiffusion gelöster Stoffe. Er unterscheidet sich stark vom CCF-Test, wie in Abb. 2(b) dargestellt. Dies liegt daran, dass die Anreicherung gelöster Stoffe im FO-System während des Langzeitbetriebs durch die periodische Ableitung des konzentrierten Abwassers erheblich verringert wurde. Es wird berichtet, dass die gebildete Verschmutzungsschicht in FO-Systemen während des Langzeitbetriebs irreversibel ist und eine chemische Reinigung erforderlich ist, um die Durchlässigkeit wiederherzustellen26,36,37.

Die Zurückweisung der im Abwasser vorhandenen Schadstoffe ist ein wichtiger Faktor für die Konzentrationseffizienz. Abbildung 4 veranschaulicht die Schwankungen der Schadstoffkonzentrationen in Zufuhr- und Ziehlösungen sowie die Änderungen der Ausschussrate während des Langzeitbetriebs. Aus Abb. 4 geht klar hervor, dass das FO-System im Pilotmaßstab (99,8 ± 0,6) % der CSB- und (99,7 ± 0,5) % der TP-Ausschussraten erreichen könnte. Während dieses Konzentrationsprozesses wurden jedoch nur (48,1 ± 10,5) % bzw. (67,8 ± 7,3) % Abstoßung von NH4+-N und TN beobachtet. Die niedrige Rückweisungsrate von Ammonium wird auf die bidirektionale Diffusion von Ammonium in der Zufuhrlösung und Natriumkationen in der Abzugslösung im Vorwärtsosmoseprozess zurückgeführt38. Da TN in der Zufuhrlösung außer Ammonium auch einen Teil organischen Stickstoffs enthielt, war die Rückweisungsrate von TN im Vergleich zu NH4+-N aufgrund der guten Rückweisung organischer Stoffe durch die FO-Membran höher.

(a) Schadstoffkonzentrationen in der Zufuhrlösung und der Entnahmelösung; (b) Rückweisungsraten von Schadstoffen im FO-System während des Langzeitbetriebs.

Wie bereits erwähnt, erreichte die FO-Membran unterschiedliche Rückhalteraten für verschiedene Schadstoffe, obwohl ein vorgegebener CF von 5 verwendet wurde. Daher können die CF-Werte für Abwasser und verschiedene Schadstoffe während des Langzeitbetriebs unterschiedlich sein, die weiter berechnet wurden und in Abb. 5 dargestellt sind. Die CF-Werte von CSB, TP, TN und NH4+-N sind alle kleiner als die CF des Abwassers. Dies liegt daran, dass die FO-Membran ein unterschiedliches Abweisungsverhalten für verschiedene Schadstoffe aufweist. Bei einem Langzeitbetrieb waren die Konzentrationseffizienzen für Ammonium und Gesamtstickstoff im FO-System im Vergleich zu CSB und TP geringer. Um eine angemessene Unterdrückung zu erreichen, sollte die Entwicklung modifizierter FO-Membranen durchgeführt werden, um die Diffusion einwertiger Ionen (Ammonium) durch FO-Membranen zu unterdrücken38. Eine weitere Einschränkung bei der Abwasserkonzentrierung hängt mit dem biologischen Abbau organischer Stoffe zusammen, obwohl die Abbaurate im Vergleich zu anderen Bioflockungsmethoden viel langsamer ist4. Um die Konzentrationseffizienz besser zu verstehen, wurde eine Massenbilanzanalyse durchgeführt, die in Abb. S2 dargestellt ist. Nehmen wir als Beispiel den CSB: Etwa 19,2 % des CSB wurden abgebaut oder lagerten sich bei jedem Betriebszyklus an Membranoberflächen an und bildeten eine Schmutzschicht. Dennoch konnte in unserer Studie die endgültige CSB-Konzentration durch Mischen des konzentrierten Abwassers (bei einem CF von 5) und der zurückgewonnenen Partikel/kolloidalen Stoffe in der Vorbehandlungseinheit 2335 ± 146 mg/L erreichen. Gemäß dem theoretischen Energiepotenzialwert von 3,86 kWh/kg CSB und einem aktuellen Energieumwandlungswirkungsgrad von 28 % in der Literatur durch Methanrückgewinnung und -verbrennung1 beträgt das erzielte Strompotenzial für das konzentrierte Abwasser etwa 2,52 kWh/m3-Abwasser. Derzeit verbraucht eine typische anaerobe Behandlung (mit 80 % Entfernungsrate) und eine nachgeschaltete aerobe Behandlung dieses konzentrierten Abwassers zur Einhaltung der Abwassereinleitungsnorm etwa 0,4 kWh/m3 und 0,6 kWh/m3 unter Verwendung modernster Technologien. Kunsttechnologien bzw.1 mit einem Gesamtenergieverbrauch von ca. 1,0 kWh/m3. Der energieneutrale Punkt wird bei diesem Behandlungsszenario bei der konzentrierten CSB-Konzentration von etwa 925 mg/L erreicht. Dies weist darauf hin, dass der CSB-Wert dieser Studie unter Verwendung der FO-Konzentration (durchschnittlich 2335 mg/L) den wirtschaftlichen Nutzen ausreichend decken könnte.

Der anfängliche CF-Wert von mehr als 5 für jeden Zyklus ist auf die Komplexität der Systemsteuerung zurückzuführen, wie z. B. den Füllstand des Zulaufwassers und die Schwankung der Membranpermeabilität nach der Reinigung.

Es ist interessant zu beobachten, dass die Abweisungsrate von Ammonium mit der Betriebszeit zunimmt. Um dieses Phänomen zu erklären, wurde das Konzentrationspolarisationsmodell, wie in Gl. (7) wurde zur Verarbeitung der Daten verwendet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Der Stoffübergangskoeffizient wurde verringert, und die Ammoniumkonzentration an der Membrangrenzfläche (Cm) war im Endstadium im Vergleich zu denen im Endstadium ebenfalls verringert Anfangsstadium (auch in Abb. 6 dargestellt). Dies hängt mit der Bildung einer Verschmutzungsschicht auf der Oberfläche der FO-Membran zusammen, die den Konvektionsmechanismus stärker behindert als den Diffusionsmechanismus. Daher war die Konzentration auf der Membranoberfläche niedriger (siehe Abb. 6 (b)) als für eine normale Konzentrationspolarisation aufgrund von Konvektion und Diffusion zu erwarten war (Abb. 6 (a)). Dieses Phänomen kann als kuchenreduzierte Konzentrationspolarisation (CRCP) bezeichnet werden und wurde in Meerwasser-Umkehrosmose-Systemen (SWRO) beobachtet39. Die in Tabelle 2 gezeigte niedrigere Ammoniumkonzentration auf der Membranoberfläche (Cm) für die verschmutzte FO-Membran im Vergleich zur sauberen Membran bestätigt das Auftreten von CRCP in unserer Studie. Der niedrige Cm-Wert führte folglich zu einer Verbesserung der Rückweisungsrate im Vergleich zur normalen Konzentrationspolarisation, die auf Konvektion und Diffusion zurückzuführen ist. In ähnlicher Weise kann CRCP auch die Flussmittelleistung verbessern. Allerdings ist der positive Einfluss von CRCP auf den Wasserfluss deutlich geringer als der negative Einfluss von CECP29. Daher ist CRCP bei der Bewertung des Flussverhaltens vernachlässigbar. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die auf der AL der FO-Membran gebildete Verschmutzungsschicht, wie in Abb. 6 dargestellt, zu einer Verringerung der osmotischen Druckdifferenz und folglich zu einer Verringerung der Wasserdurchlässigkeit führte. Darüber hinaus hatte die Fouling-Schicht aufgrund ihrer geringen Selektivität weniger signifikante Auswirkungen auf die Flüsse gelöster Stoffe als die Wasserflüsse, was zu einem Anstieg von Js/Jw während des Langzeitbetriebs führte. Bei der Abweisung von Ammonium löste die Verschmutzungsschicht jedoch ein CRCP-Phänomen aus, wodurch die Abweisungsleistung mit zunehmender Betriebszeit in jedem Zyklus verbessert wurde.

(a) FO-Membran in der anfänglichen Filtration; (b) FO-Membran mit gebildeter Verschmutzungsschicht. Hinweis: SL, Stützschicht; AL, aktive Schicht; FL, Verschmutzungsschicht; ICP, interne Konzentrationspolarisation; ECP, externe Konzentrationspolarisation; CECP, kuchenverstärkte Konzentrationspolarisation; CRCP, Kuchen reduzierte Konzentrationspolarisation.

Obwohl in den letzten Jahren das Konzept der Verwendung von Vorwärtsosmosemembranen zur Konzentration kommunaler Abwässer zur Energie- und Nährstoffrückgewinnung vorgeschlagen wurde18,21,40, wurde seine Anwendbarkeit im Pilotmaßstab oder im Vollmaßstab noch nicht systematisch evaluiert. Diese Arbeit liefert erstmals den Beweis für die Verwendung von FO-Membranen zur Konzentration verdünnten Abwassers im Pilotmaßstab. Es zeigt, dass ein kritischer Konzentrationsfaktor vorhanden ist und in diesem System ein unterkritischer Konzentrationsfaktor verwendet werden sollte, um eine kostengünstige Behandlung zu erreichen. Der Langzeittest im Pilotmaßstab erreichte auch einen höheren Konzentrationsfaktor im Vergleich zu Laborversuchen (normalerweise mit CF 2–3), über die von anderen berichtet wurde18,21, was seine vielversprechenden Aussichten für die Behandlung verdünnter Abwässer und die Ressourcenrückgewinnung zeigt.

Dieser Test im Pilotmaßstab bestätigt auch, dass die derzeit verfügbare FO-Membran eine hocheffiziente Abscheidung von organischem Material und Phosphor bei relativ geringer Abscheidung von Ammonium erreichen kann. Um die Rückgewinnungseffizienz von Ammonium weiter zu verbessern, sollten Hochleistungs-FO-Membranen38,41,42 mit hoher Wasserdurchlässigkeit und geringer Durchlässigkeit für gelöste Stoffe entwickelt werden, um die bidirektionale Diffusion von Ammonium- und Natriumkationen während des FO-Prozesses zu unterdrücken. Diese bestehende Herausforderung erfordert eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern und Umweltingenieuren. Die Modifikation der Oberflächenladung und der funktionellen Gruppen für FO-Membranen zur Verbesserung ihrer Selektivität für Kationen sollte in Zukunft untersucht werden.

Das FO-System im Pilotmaßstab, wie in Abb. 7 dargestellt, befand sich in der städtischen Abwasseraufbereitungsanlage (WWTP) Quyang in Shanghai, China, und wurde zur Konzentration von echtem kommunalem Abwasser verwendet. Es bestand aus einer Primärbehandlungseinheit, einem Feed-Lösungstank (FS), einem spiralförmig gewickelten FO-Membranmodul, einem Ziehlösungstank (DS), einem Reinigungslösungstank, einem konzentrierten Abwassertank, einem konzentrierten Salztank und einem Abwassertank . Das Ziel der Primärbehandlung mit einer dynamischen Membrantrenneinheit (aus grobporigen Materialien) bestand darin, einen Teil der im echten kommunalen Abwasser vorhandenen Partikel- und Kolloidsubstanzen zu entfernen, um die Membranverschmutzung im nachgeschalteten FO-Prozess zu verringern, und Einzelheiten dieser Primärbehandlung finden Sie in unserer vorherigen Veröffentlichung6. Die abgetrennten partikulären und kolloidalen Stoffe in der Primärbehandlungseinheit können zur Erzeugung von Biogas und Energie genutzt werden43. In dieser Arbeit gehen wir davon aus, dass die primär abgetrennten Stoffe mit dem konzentrierten Abwasser des FO-Systems vermischt werden können, um Energie zu erzeugen und Nährstoffe zurückzugewinnen. Das Abwasser dieser Primärbehandlungseinheit wurde in den FS-Tank gepumpt. Die Eigenschaften dieses FS-Abwassers, also des vorrangig behandelten kommunalen Abwassers, sind in Tabelle 3 dargestellt. Zur Steuerung des Zulaufs und der FS-Pumpen (siehe Abb. 7) wurde ein Füllstandsensor verwendet, um einen konstanten Wasserstand im FS-Becken aufrechtzuerhalten.

Foto (links) und schematische Darstellung (rechts) dieses FO-Systems.

Als DS wurde eine 0,5 M NaCl-Lösung mit einem osmotischen Druck von etwa 23,6 bar verwendet. Seine Konzentration im DS-Tank wurde durch automatische Dosierung einer konzentrierten NaCl-Lösung (5 M) über eine Dosierpumpe relativ konstant gehalten, die durch ein Leitfähigkeitskontrollsystem gesteuert wurde und die DS-Leitfähigkeit auf dem Niveau von 47,3 bis 47,5 ms/cm hielt. Der Wasserfluss dieser FO-Membran (Jw) wurde durch Quantifizierung des Flüssigkeitsvolumens im Abwassertank bestimmt, wobei das Volumen der dosierten 5 M NaCl-Lösung ausgeschlossen wurde, während der Fluss gelöster Stoffe auf der Grundlage der Änderungen der gesamten gelösten Feststoffe (TDS) berechnet wurde ) auf der Seite der Zufuhrlösung und Massenbilanzanalyse. Die Temperatur während des Experiments lag im Bereich von 18–22 °C.

Während des Langzeitbetriebs wurde für dieses FO-System eine chemische Reinigung mit 1 % Alconox + 0,8 % EDTA26 durchgeführt, wenn der Wasserfluss auf die Hälfte des ursprünglichen Werts verringert wurde. Jede Reinigung dauerte 10 Minuten bei einer Querstromgeschwindigkeit (CFV) von 20 cm/s. Nach der chemischen Reinigung wurde eine hydraulische Reinigung für 10 Minuten bei demselben CFV durchgeführt und dann ein neuer Filtrationszyklus neu gestartet.

In diesem FO-System im Pilotmaßstab wurde ein spiralförmig gewickeltes Membranmodul (50,8 cm × φ 8,6 cm) aus Cellulosetriacetat (CTA) mit einer effektiven Fläche von 0,3 m2 verwendet, das von Hydration Technologies Innovation (HTI, Albany, USA) erworben wurde ). Dieses Membranmodul hatte einen Abstandshalter mit einer Dicke von 2,5 mm auf der FS-Seite und einen Abstandshalter mit einer Dicke von 1,5 mm auf der DS-Seite, um die Konzentrationspolarisierung abzuschwächen.

Zur Untersuchung ihrer intrinsischen Permeabilität wurden auch von HTI erworbene flache CTA-FO-Membranen verwendet. Die Wasserdurchlässigkeitskoeffizienten (A), die NaCl-Permeabilitätskoeffizienten (B) und die Salzrückhalterate der Membranen wurden durch RO-Filtrationstests bei 11 bar bestimmt, wie von Tiraferri et al. beschrieben. und Xie et al.23,44. Ein niedrigeres B/A-Verhältnis könnte auf eine bessere Filtrationsleistung einer FO-Membran hinweisen. Um die Permeabilität der Membran unter verschiedenen DS-Konzentrationen zu charakterisieren, wurden Wasser- und gelöste Stoffflüsse in einer Filtrationszelle unter Verwendung von NaCl-Lösung (von 0,5 M bis 4,0 M) als DS und entionisiertem (DI) Wasser als FS gemäß den Protokollen von bestimmt eine frühere Veröffentlichung26. Die Querstromgeschwindigkeit (CFV) wurde während der Tests bei 20 cm/s gehalten. In dieser Studie wurde nur die AL-FS-Ausrichtung untersucht, bei der die aktive Membranschicht zur Zulauflösung zeigt, da AL-DS mit der aktiven Membranschicht zur Abzugslösung gerichtet immer zu einer starken Membranverschmutzung bei der Abwasserbehandlung führt16,26.

Ein analytisches Modell wie in Gl. (1) wurde unter Berücksichtigung des Effekts der internen Konzentrationspolarisation (ICP)24 zur Bewertung der FO-Leistung unter der AL-FS-Ausrichtung verwendet.

Dabei ist Jw der Wasserfluss der CTA-Membran (L/(m2 h)), A (L/(m2 h bar)) und B (L/(m2 h)) die intrinsischen Wasserdurchlässigkeits- bzw. NaCl-Permeabilitätskoeffizienten und πdraw und πfeed sind der osmotische Druck der Ziehlösung bzw. der Speiselösung (bar). Km, der Stoffübergangskoeffizient (L/(m2·h)), hängt mit dem ICP-Phänomen innerhalb der porösen Trägerschicht auf der DS-Seite zusammen.

Km kann mithilfe des Diffusionskoeffizienten gelöster Stoffe Ddraw (m2/s) dividiert durch den Membranstrukturparameter Sme (m) berechnet werden.

In Gl. (2), εme (−), tme (m) und τme (−) sind die Porosität, Dicke bzw. Tortuosität der Membranstützschicht. (−) zeigt an, dass es sich um einen dimensionslosen Parameter handelt.

Gl. (1) gilt für genau definiertes Feed (d. h. DI-Wasser) unter AL-FS-Ausrichtung für FO-Membranen45, während es aufgrund der Entwicklung von Fouling möglicherweise die Wasserflüsse in realen Anwendungen nicht gut simuliert. Daher wurde ein Fouling-inkorporiertes Wasserflussmodell für einen Fouling-Zustand mit kuchenverstärkter Konzentrationspolarisation (CECP) entwickelt46.

In Gl. (3) A (L/(m2 h bar)) und B (L/(m2 h)) sind die gesamten Wasser- bzw. Salzdurchlässigkeitskoeffizienten. Ihre Werte hängen von den Koeffizienten einer Membran (Index „me“) und einer Verschmutzungsschicht (Index „la“) ab, die in den Gleichungen dargestellt sind. (4) und (5) 46.

Der CECP-Koeffizient kCECP beeinflusst die Permeabilität von FO-Membranen im Langzeitbetrieb. Ein höherer kCECP weist auf einen schwächeren CECP-Effekt hin, während ein niedrigerer Wert auf einen signifikanteren Effekt hinweist. Unter vernachlässigbaren CECP-Effekten (d. h. kCECP = ∞) gilt Gl. (3) kann in Gleichung umgewandelt werden. (1).

Die Beziehung zwischen dem Fluss gelöster Stoffe (Js) und Jw kann durch die Van't-Hoff-Gleichung ausgedrückt werden, wie in Gleichung (1) dargestellt. (6) 25.

Dabei ist β der Van't-Hoff-Koeffizient (−), Rg die universelle Gaskonstante (L·bar/(K mol)) und T die absolute Temperatur (K).

In der AL-FS-Ausrichtung für das FO-System kann die Konzentrationspolarisation auf der FS-Seite mithilfe der Grenzschichtfilmtheorie47 charakterisiert werden.

Dabei sind Cb (mg/L), Cm (mg/L) und Cp (mg/L) die Konzentrationen der Hauptzulauflösung, der Membranschnittstelle bzw. des Permeatwassers. Ktot, der Gesamtstoffübergangskoeffizient (L/(m2 h)), der durch das Verhältnis des Diffusionskoeffizienten gelöster Stoffe Ds zur Grenzschichtdicke δ gegeben ist, d. h. Ktot = Ddraw/δ.

Da sich die Verschmutzungsschicht im Langzeitbetrieb bildet, umfasst der Stoffübergangskoeffizient Ktot den Stoffübergangskoeffizienten von ECP (Kecp) und den Stoffübergangskoeffizienten der Verschmutzungsschicht (Kla), wobei die in Gleichung (1) gezeigte Beziehung eingehalten wird. (8). Für eine Membran ohne Verschmutzungsschicht bei der anfänglichen Filtration (Kla = ∞) ist Ktot gleich Kecp.

Die oben genannten Gleichungen wurden in dieser Studie verwendet, um das Abstoßungsverhalten von Ammonium im Langzeitbetrieb zu bewerten.

Um den CCF zu bestimmen, wurde das FO-System im Pilotmaßstab etwa 420 Stunden lang kontinuierlich unter einem CFV von 20 cm/s mit 0,5 M NaCl-Lösung als Ziehlösung betrieben. Die Konzentration der Absauglösung wurde durch automatische Dosierung der konzentrierten Salzlösung konstant gehalten, wie in Abb. 7 dargestellt, während das kommunale Abwasser nach und nach auf der Zulaufseite konzentriert wurde. Aufgrund von Membranverschmutzung und Rückdiffusion gelöster Stoffe während dieses Prozesses nahmen die Wasserflüsse allmählich ab. Als die Wasserflüsse auf nahezu Null sanken (0,2 l/(m2·h) in dieser Studie), wurde der Konzentrationsfaktor für das kommunale Abwasser auf der Zulaufseite berechnet, der in dieser Studie als CCF betrachtet wurde. Bei vorgegebenen Konzentrationsfaktoren (CF), nämlich 1 Mal (X1), 3 Mal (X3), 5 Mal (X5) und 8 Mal (X8), wurde der Abwasser-CF-Faktor über einen bestimmten Zeitraum durch periodisches Ablassen von a aufrechterhalten bestimmtes Abwasservolumen von der Seite der Speiselösung, um die Permeabilität der FO-Membran bei jeweiligen CFs zu untersuchen.

Um den Beitrag der Membranverschmutzung zur Verringerung der Wasserflüsse weiter zu untersuchen, wurde das konzentrierte Abwasser bei CCF schrittweise mit entionisiertem Wasser auf verschiedene CF-Werte verdünnt, nämlich 5-mal (X5), 3-mal (X3) und 1-mal (X1). ). Die Wasser- und gelösten Stoffflüsse bei den jeweiligen CFs wurden erneut innerhalb einer 2-stündigen Filtration bestimmt. Nach Abschluss des X1-Tests wurde auch entionisiertes Wasser als Zufuhrlösung verwendet, um den Wasser- und Lösungsfluss zu bestimmen. Die Gl. (3) wurde dann verwendet, um die erhaltenen Daten zu verarbeiten, um die Auswirkungen von Fouling auf die Permeabilität zu überprüfen. Anschließend wurde die FO-Membran wie bereits erwähnt einer Membranreinigung26 unterzogen, und die Wasser- und Lösungsflüsse für die gereinigte Membran wurden auch unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Zufuhrlösung und 0,5 M NaCl-Lösung als Ziehlösung gemessen.

Basierend auf dem CCF-Test wurde ein CF von 5 für das FO-System im Pilotmaßstab gewählt. Ein Teil des konzentrierten Wassers wurde periodisch abgelassen, um einen konstanten CF aufrechtzuerhalten. Das FO-System wurde 51 Tage lang betrieben, und wenn der Wasserfluss auf die Hälfte des ursprünglichen Werts verringert wurde, wurde ein chemisches Reinigungsprotokoll durchgeführt, nämlich eine chemische Reinigung mit einer Mischung aus 1 % Alconox + 0,8 % EDTA für 10 Minuten, gefolgt von einer hydraulischen Reinigung für 10 Minuten out26, um seine Durchlässigkeit wiederherzustellen. Wasser- und Stoffflüsse sowie Abwassereigenschaften wurden während dieses Experiments häufig überwacht. Während des Langzeitbetriebs wurde das Volumen der Zufuhrlösung und der Ziehlösung mithilfe eines Füllstandsensorsystems auf 10 l bzw. 20 l gehalten.

Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB), Ammonium (NH4+-N), Gesamtstickstoff (TN) und Gesamtphosphor (TP) in Zufuhr- und Entnahmelösungen wurden gemäß Standardmethoden48 bestimmt. Die Rückweisungsrate (r) dieser Schadstoffe im FO-System kann durch Gleichung berechnet werden. (9).

Dabei ist Cdraw die Schadstoffkonzentration in der Entnahmelösung (mg/L) und Cfeed die Schadstoffkonzentration im Speiselösungstank (mg/L).

Der CF des Abwassers in diesem FO-System kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden.

Dabei ist CFw der CF des Abwassers (−), Qi die Zuflussrate (L/h), Qd die Abflussrate des konzentrierten Abwassers (L/h) und Qe die Abflussrate der FO-Membran (L/h).

Da die FO-Membran keine vollständige Abweisung der im Abwasser vorhandenen Schadstoffe erreichen kann, kann sich der CF der Schadstoffe (CFp) vom CF des Abwassers (CFw) unterscheiden und der CFp kann durch Gleichung (1) ermittelt werden. (11).

Dabei ist Crw die Schadstoffkonzentration im Rohabwasser (mg/L).

Zitierweise für diesen Artikel: Wang, Z. et al. Ein Vorwärtsosmose-Membransystem im Pilotmaßstab zur Konzentration von kommunalem Abwasser mit geringer Konzentration: Leistung und Auswirkungen. Wissenschaft. Rep. 6, 21653; doi: 10.1038/srep21653 (2016).

McCarty, PL, Bae, J. & Kim, J. Häusliche Abwasserbehandlung als Nettoenergieerzeuger – kann dies erreicht werden? Umgebung. Wissenschaft. Technol. 45, 7100–7106 (2011).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Batstone, DJ, Hulsen, T., Mehta, CM & Keller, J. Plattformen für die Energie- und Nährstoffrückgewinnung aus häuslichem Abwasser: Ein Rückblick. Chemosphere 140, 2–11 (2015).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Mezohegyi, G., Bilad, MR & Vankelecom, IFJ Direkte Abwasserkonzentration durch eingetauchte, belüftete und vibrierende Membranen. Bioresour. Technol. 118, 1–7 (2012).

CAS PubMed Google Scholar

Leal, LH, Temmink, H., Zeeman, G. & Buisman, CJN Bioflockung von Grauwasser für eine verbesserte Energierückgewinnung in dezentralen Sanitärkonzepten. Bioresour. Technol. 101, 9065–9070 (2010).

Google Scholar

Akanyeti, I., Temmink, H., Remy, M. & Zwijnenburg, A. Machbarkeit der Bioflockung in einem hochbelasteten Membranbioreaktor für eine verbesserte Energierückgewinnung aus Abwasser. Wasserwissenschaft. Technol. 61, 1433–1439 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Ma, JX et al. Rückgewinnung organischer Stoffe aus kommunalem Abwasser durch den Einsatz eines dynamischen Membrantrennverfahrens. Chem. Ing. J. 219, 190–199 (2013).

CAS Google Scholar

Pino, MPD & Durham, B. Abwasserwiederverwendung durch Doppelmembranprozesse: Möglichkeiten für nachhaltige Wasserressourcen. Desalination 124, 271–277 (1999).

Google Scholar

Cath, TY et al. Membrankontaktorverfahren zur Abwasserrückgewinnung im Weltraum Teil I. Direkte osmotische Konzentration als Vorbehandlung für die Umkehrosmose. J. Mitglied Wissenschaft. 257, 85–98 (2005).

CAS Google Scholar

Wilf, M. & Alt, S. Anwendung von RO-Membranelementen mit geringer Verschmutzung zur Rückgewinnung von kommunalem Abwasser. Desalination 132, 11–19 (2000).

CAS Google Scholar

Mahlangu, TO, Thwala, JM, Mamba, BB, D'Haese, A. & Verliefde, ARD Faktoren, die die kombinierte Verschmutzung durch organische und kolloidale Verschmutzungen bei der Querstrom-Nanofiltration steuern. J. Mitglied Wissenschaft. 491, 53–62 (2015).

CAS Google Scholar

Chen, SC, Wan, CF & Chung, TS Verstärkte Verschmutzung durch anorganische und organische Verschmutzungen auf Hohlfasermembranen mit druckverzögerter Osmose (PRO) unter hohem Druck. J. Mitglied Wissenschaft. 479, 190–203 (2015).

CAS Google Scholar

Huang, HO, Cho, H., Schwab, K. & Jacangelo, JG Auswirkungen der Speisewasservorbehandlung auf die Entfernung organischer Mikrobestandteile durch eine Umkehrosmosemembran mit geringer Verschmutzung. Entsalzung 281, 446–454 (2011).

CAS Google Scholar

Cath, TY, Childress, AE & Elimelech, M. Vorwärtsosmose: Prinzipien, Anwendungen und aktuelle Entwicklungen. J. Mitglied Wissenschaft. 281, 70–87 (2006).

CAS Google Scholar

Zhao, SF, Zou, L., Tang, CY & Mulcahy, D. Aktuelle Entwicklungen in der Vorwärtsosmose: Chancen und Herausforderungen. J. Mitglied Wissenschaft. 396, 1–21 (2012).

CAS Google Scholar

Chung, TS, Zhang, S., Wang, KY, Su, J. & Ling, MM Vorwärtsosmoseprozesse: gestern, heute und morgen. Entsalzung 287, 78–81 (2012).

CAS Google Scholar

Lutchmiah, K., Verliefdea, ARD, Roest, K., Rietveld, LC & Cornelissen, ER Vorwärtsosmose für die Anwendung in der Abwasserbehandlung: eine Übersicht. Wasserres. 58, 179–197 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Ansari, AJ et al. Auswahl gelöster Stoffe aus der Vorwärtsosmose zur anschließenden Integration in die anaerobe Behandlung, um die Ressourcenrückgewinnung aus dem Abwasser zu erleichtern. Bioresour. Technol. 191, 30–36 (2015).

CAS PubMed Google Scholar

Xue, WC, Tobino, T., Nakajima, F. & Yamamoto, K. Meerwassergetriebene Vorwärtsosmose zur Anreicherung von Stickstoff und Phosphor in behandeltem kommunalem Abwasser: Einfluss von Membraneigenschaften und Chemie der Zulauflösung. Wasserres. 69, 120–130 (2015).

CAS PubMed Google Scholar

Linares, RV et al. Wassergewinnung aus kommunalem Abwasser mittels osmotischem Gradienten: Eine Bewertung der Prozessleistung. J. Mitglied Wissenschaft. 447, 50–56 (2013).

Google Scholar

Lutchmiah, K. et al. Wasserrückgewinnung aus Abwasser mittels Vorwärtsosmose. Wasserwissenschaft. Technol. 64, 1443–1449 (2011).

CAS PubMed Google Scholar

Zhang, XW, Ning, ZY, Wang, DK & da Costa, JCD Aufbereitung kommunaler Abwässer durch Vorwärtsosmose mit CTA-Membran. J. Mitglied Wissenschaft. 468, 269–275 (2014).

CAS Google Scholar

Wong, MCY, Martinez, K., Ramon, GZ & Hoek, EMV Auswirkungen von Betriebsbedingungen und Lösungschemie auf die Struktur und Leistung osmotischer Membranen. Entsalzung 287, 340–349 (2012).

CAS Google Scholar

Xie, M., Price, WE, Nghiem, LD & Elimelech, M. Auswirkungen der Temperatur der Zufuhr- und Ziehlösung und der Transmembrantemperaturdifferenz auf die Abweisung von Spuren organischer Verunreinigungen durch Vorwärtsosmose. J. Mitglied Wissenschaft. 438, 57–64 (2013).

CAS Google Scholar

Loeb, S., Titelman, L. Korngold, E. & Freiman, J. Wirkung von porösem Stützgewebe auf die Osmose durch eine asymmetrische Membran vom Loeb-Sourirajan-Typ. J. Mitglied Wissenschaft. 129, 243–249 (1997).

CAS Google Scholar

Tang, CY, She, QH, Lay, WCL, Wang, R. & Fane, AG Gekoppelte Auswirkungen von interner Konzentrationspolarisierung und Verschmutzung auf das Flussverhalten von Vorwärtsosmosemembranen während der Huminsäurefiltration. J. Mitglied Wissenschaft. 354, 123–133 (2010).

CAS Google Scholar

Wang, ZW et al. Chemische Reinigungsprotokolle für Vorwärtsosmosemembranen aus Dünnschichtverbundpolyamid (TFC), die für die kommunale Abwasserbehandlung verwendet werden. J. Mitglied Wissenschaft. 475, 184–192 (2015).

CAS Google Scholar

Dong, Y. et al. Ein Vorwärtsosmose-Membransystem zur Nachbehandlung von MBR-behandeltem Deponiesickerwasser. J. Mitglied Wissenschaft. 471, 192–200 (2014).

CAS Google Scholar

Arkhangelsky, E. et al. Auswirkungen von Ablagerungen und Reinigung auf die Leistung von Vorwärtsosmose-Hohlfasermembranen. J. Mitglied Wissenschaft. 415, 101–108 (2012).

Google Scholar

Lay, WCL et al. Analyse der Salzansammlung in einer Vorwärtsosmoseanlage. Sep. Sci. Technol. 47, 1837–1848 (2012).

CAS Google Scholar

Lay, WCL et al. Faktoren, die die Flussleistung von Vorwärtsosmosesystemen beeinflussen. J. Mitglied Wissenschaft. 394–395, 151–168 (2012).

Google Scholar

Xiao, D. et al. Modellierung der Salzanreicherung in Bioreaktoren mit osmotischer Membran: Auswirkungen auf die Auswahl der FO-Membran und den Systembetrieb. J. Mitglied Wissenschaft. 366, 314–324 (2011).

CAS Google Scholar

Holloway, RW et al. Langfristige Untersuchung im Pilotmaßstab neuartiger Hybrid-Ultrafiltrations-Bioreaktoren mit osmotischer Membran. Entsalzung 363, 64–74 (2014).

Google Scholar

Wang, X., Yuan, B., Chen, Y., Li, Bioresour. Technol. 167, 116–123 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

McCutcheon, JR & Elimelech, M. Einfluss der konzentrierenden und verdünnenden internen Konzentrationspolarisation auf das Flussverhalten bei der Vorwärtsosmose. J. Mitglied Wissenschaft. 284, 237–247 (2006).

CAS Google Scholar

Hancock, NT & TY Kath. Gekoppelte Diffusion gelöster Stoffe in osmotisch angetriebenen Membranprozessen. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 43, 6769–6775 (2009).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Valladares Linares, R., Yangali-Quintanilla, V., Li, Z. & Amy, G. NOM- und TEP-Fouling einer Vorwärtsosmosemembran (FO): Identifizierung und Reinigung von Fouling. J. Mitglied Wissenschaft. 421–422, 217–224 (2012).

Google Scholar

Valladares Linares, R., Li, Z., Yangali-Quintanilla, V., Li, Q. & Amy, G. Reinigungsprotokoll für eine FO-Membran, die bei der Abwasserwiederverwendung verschmutzt ist. Entsalzungswasserbehandlung. 51, 4821–4824 (2013).

CAS Google Scholar

Lu, XL, Boo, CH, Ma, J. & Elimelech, M. Bidirektionale Diffusion von Ammonium- und Natriumkationen bei der Vorwärtsosmose: Rolle der Oberflächenchemie und Ladung der aktiven Membranschicht. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 48, 14369–14376 (2014).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Kim, S. et al. Erhöhte oder verringerte Konzentrationspolarisierung durch Membranverschmutzung bei Meerwasser-Umkehrosmoseprozessen (SWRO). Entsalzung 247, 162–168 (2009).

CAS Google Scholar

Zhang, JF, She, QH, Chang, VWC, Tang, CY & Webster, RD Gewinnung von Nährstoffen (N, K, P) aus städtischem, quellengetrenntem Urin durch Vorwärtsosmose-Entwässerung. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 48, 3386–3394 (2014).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Yip, NY, Tiraferri, A., Phillip, WA, Schiffman, JD & Elimelech, M. Hochleistungs-Dünnschicht-Verbund-Vorwärtsosmosemembran. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 44, 3812–3818 (2010).

CAS ADS PubMed Google Scholar

Pardeshi, P. & Mungray, AA Synthese, Charakterisierung und Anwendung einer neuartigen High-Flux-FO-Membran durch schichtweise selbstorganisierenden Polyelektrolyten. J. Mitglied Wissenschaft. 453, 202–211 (2014).

CAS Google Scholar

Ma, JX, Wang, ZW, Li, XW, Wang, Y. & Wu, ZC Biostromerzeugung durch mikrobielle Brennstoffzelle unter Verwendung organischer Stoffe, die aus kommunalem Abwasser gewonnen werden. Umgebung. Prog. Aufrechterhalten. Energie 33, 290–297 (2014).

CAS Google Scholar

Tiraferri, A., Yip, NY, Phillip, WA, Schiffman, JD & Elimelech, M. Bezüglich der Leistung von Dünnschicht-Verbund-Vorwärtsosmosemembranen zur Unterstützung der Schichtbildung und -struktur. J. Mitglied Wissenschaft. 367, 340–352 (2011).

CAS Google Scholar

McCutcheon, JR & Elimelech, M. Modellierung des Wasserflusses bei der Vorwärtsosmose: Implikationen für ein verbessertes Membrandesign. AICHE J. 53, 1736–1744 (2007).

CAS Google Scholar

Lay, WCL et al. Verschmutzungsneigung der Vorwärtsosmose: Untersuchung des Phänomens des langsameren Flussabfalls. Wasserwissenschaft. Technol. 61, 927–936 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Gao, YB Wang, YN, Li, WY & Tang, CY Charakterisierung interner und externer Konzentrationspolarisationen während Vorwärtsosmoseprozessen. Desalination 338, 65–73 (2014).

CAS Google Scholar

APHA. Standardmethoden für die Untersuchung von Wasser und Abwasser, 22. Auflage. American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington, DC, USA (2012).

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Wir danken der National Natural Science Foundation of China (51422811) und dem Shanghai Rising-Star Program (14QA1403800) für die finanzielle Unterstützung dieser Studie.

Staatliches Schlüssellabor für Umweltverschmutzungskontrolle und Ressourcenwiederverwendung, Fakultät für Umweltwissenschaften und -technik, Tongji-Universität, Shanghai, 200092, VR China

Zhiwei Wang, Junjian Zheng, Jixu Tang und Zhichao Wu

Fakultät für Umwelt- und Bauingenieurwesen, Jiangnan University, Wuxi, 214122, VR China

Xinhua Wang

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ZWW und ZCW konzipierten und gestalteten die Experimente. JXT und JJZ führten die Experimente durch und analysierten die Daten. ZWW und XHW haben das Manuskript gemeinsam geschrieben.

Korrespondenz mit Zhiwei Wang.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, Z., Zheng, J., Tang, J. et al. Ein Vorwärtsosmose-Membransystem im Pilotmaßstab zur Konzentration von kommunalem Abwasser mit geringer Konzentration: Leistung und Auswirkungen. Sci Rep 6, 21653 (2016). https://doi.org/10.1038/srep21653

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Eingegangen: 27. November 2015

Angenommen: 28. Januar 2016

Veröffentlicht: 22. Februar 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep21653

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