温度如何塑造污水正渗透浓缩性能？为厌氧消化资源回收优化运行策略提供关键见解

《Environmental Technology & Innovation》：Impact of filtration temperature on sewage concentration by forward osmosis for anaerobic digestion reuse

为明确温度在延长污水正渗透（FO）浓缩过程中的影响机制，本研究系统考察了10–30°C下的渗透通量、反向盐通量（RSF）、污染物行为与溶质分布，揭示了高温降低RSF、改善浓缩液盐度，但加剧氮损失与磷沉积的复杂权衡，为FO作为厌氧消化（AD）预处理及废水资源化策略的优化提供了科学依据。

　　

水处理领域对水资源和资源回收技术的探索从未停歇，其中，正渗透（Forward Osmosis, FO）技术凭借其较低的能量需求和相对稳定的运行特性，被视为一种颇具前景的选择。然而，这项技术的核心驱动力——料液（FS）与汲取液（DS）之间的渗透压差，却对环境因素，尤其是温度，极为敏感。理论上，温度升高应有利于提高水通量，但实际研究中，温度对FO性能，尤其是对复杂污水体系处理效果的影响，却呈现出不一致甚至矛盾的结果。例如，高温是加速了反向盐分渗透（RSF）还是减缓了它？它如何影响目标营养物（氮、磷）和有机物的浓缩效率？更重要的是，经过FO浓缩后的污水，其后续用于产甲烷的潜力（即厌氧消化可行性）是否会因操作温度的不同而发生改变？这些问题的答案，对于将FO技术真正优化并集成到以资源回收为导向的废水处理工艺中至关重要。

为了填补这些知识空白，一篇题为《Impact of filtration temperature on sewage concentration by forward osmosis for anaerobic digestion reuse》的研究在《Environmental Technology》期刊上发表。该研究由Nguyen Anh-Vu、Thu Huong Nguyen、Youhei Nomura、Taira Hidaka和Taku Fujiwara合作完成，旨在系统揭示过滤温度（10–30 °C）在长期FO过滤过程中对污水浓缩性能的综合影响，并评估所得浓缩液的甲烷生产潜力。

研究人员开展实验所依赖的几个关键技术方法包括：1. 实验室规模正渗透系统：使用有效面积为42 cm²的平板三醋酸纤维素（CTA）膜，以1.2 M NaCl作为汲取液（DS），对初级沉淀污水进行过滤，直至料液体积浓缩20倍。2. 精确的过程监测与表征：持续监测并计算渗透通量（J_W）和反向溶质通量（J_S），分析浓缩前后料液中化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）及离子浓度的变化。3. 膜污染与溶质归趋分析：通过溶质质量平衡计算评估氮、磷、有机物的分布（留存于料液、渗透至汲取液、积累在膜/系统内或发生降解）；利用扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和三维荧光光谱（EEM）等手段表征污染层的形貌、元素组成和化学官能团。4. 批次厌氧消化实验：将不同温度下获得的FO浓缩液作为底物，与已驯化的厌氧颗粒污泥在35°C下进行批次培养，通过测量产气量和气体组成来评估其甲烷产率。

研究结果

3.1. 渗透通量和RSF

研究发现，平均渗透通量随温度升高而增加（从10°C的4.53 LMH增至30°C的7.18 LMH），但反向溶质通量（RSF）却出人意料地降低（从2.09降至1.79 GMH）。这导致比反向溶质通量（SRSF）显著下降。这种与菲克定律预期相反的现象，归因于高温下更快的通量加速了污染层形成和浓差极化（CP），反而成为盐分反向扩散的屏障，同时高温也缩短了达到目标浓缩倍率所需的总过滤时间，减少了盐分扩散的累积时间。

3.2. 溶质浓缩效率与质量平衡评估

在达到相近的最终浓缩体积后，不同温度下的溶质浓缩效率表现出显著差异。有机参数（TOC、COD）的浓缩倍数（约8-10倍）受温度影响较小。然而，氮（TN和NH₄⁺）的浓缩效率随温度升高而近乎线性下降，磷（TP和PO₄^3-）则在20°C时达到峰值，在30°C时下降。质量平衡分析揭示了关键溶质归趋：超过96%的有机物保留在料液中，但其中有19-24%（TOC）和28-32%（COD）积累在膜或系统内，另有部分被降解；31-50%的初始总氮渗透进入了汲取液；而46-57%的初始总磷则以沉淀等形式积累在膜和系统内。

3.3. 膜污染行为

膜污染分析表明，污染层富含复杂的有机物和无机物。温度主要影响污染物的累积量而非组成。有机和氮的膜上积累量在10°C时最高，随温度升高而减少，这可能是由于高温增强了溶质反向扩散。相反，磷（尤其是磷酸盐）在膜上的积累随温度升高而增加，在30°C时达到最高，这与高温、碱性pH条件下磷酸盐矿物（如磷酸钙）沉积增强有关。SEM-EDS和FTIR分析证实了污染层中存在有机组分（蛋白质、腐殖质类物质）和无机组分（Ca、Al、Fe相关的磷酸盐）。

3.4. 浓缩污水产甲烷的可行性

批次厌氧消化实验表明，FO浓缩液的甲烷产率普遍较低（43.4–51.1 NmL CH₄/g COD），表明20倍的体积浓缩并未成比例提升甲烷潜力。主要限制因素是高盐度（来自RSF的NaCl）的抑制。在比较不同温度浓缩液时，30°C下获得的浓缩液由于RSF最低、盐度最小（6.8 g/L NaCl），其甲烷产率相对最高。此外，浓缩液中积累的难降解有机物（如腐殖酸类物质）和可能存在的游离氨（NH₃）也共同抑制了产甲烷过程。

结论与重要意义

本研究系统阐明了温度对FO污水浓缩过程的深刻影响。高温在提升水通量的同时降低了盐分入侵，改善了浓缩液对厌氧消化的适用性。然而，它也加剧了氮向汲取液的流失和磷在膜上的沉积。研究通过完整的质量平衡，清晰描绘了有机物、氮、磷在FO系统中的不同归趋路径。最终，温度通过调节浓缩液的盐度和溶质组成，间接影响了后续的甲烷产率。30°C的操作条件因能最大限度地降低盐度抑制而显示出相对优势。

这项工作的意义在于，它明确指出温度是FO系统设计与运行中的一个关键可控参数。通过合理调控温度，可以在渗透性能、浓缩液质量和下游资源回收（如厌氧消化产甲烷）之间取得平衡。研究结果为将FO技术优化整合到以实现水回用、营养物回收和能源生成为目标的循环废水处理策略中提供了重要的理论依据和实践指导。未来的研究可着眼于长期温度影响、与真实反渗透浓水等汲取液的耦合、从污染层中回收资源，以及培育耐盐厌氧污泥等方面，以进一步提升FO-AD集成工艺的整体效能。