新型膜技术回收污水氮磷营养物质
2050年全球人口预计将在现有基础上再增加23亿，这意味着全球农业化肥消耗将年均增加约4%。然而，目前化肥的生产主要是基于不可再生资源的消耗，如磷肥的生产将在2030年达到顶峰，随后磷矿资源将被逐步耗尽。有研究估算，人类生产生活过程中消耗的化肥，其中30%的氮和16%的磷最终会进入污水系统。
目前污水处理是一个相对高能耗的过程。美国污水处理占全美用电量的4%。污水处理中77%的能耗出现在活性污泥法的硝化过程，去除每公斤氮大约消耗45MJ的能量，而且这些氮也仅仅是被转化为氮气溢出。传统的脱氮工艺除了能耗高以外，还会加剧温室效应，处理每立方污水约会产生0.9Kg二氧化碳。因此，从污水中回收营养物质有着相当重大的环境和能源效益。
以鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O)沉淀的形式从污水中回收营养盐已被广泛接受。以往的研究已经表明可以从污水系统、污泥消化液、以及尿液中以鸟粪石的形式回收氮和磷，但该工艺存在两大挑战：
磷浓度是限制因素
有研究表明，如果想要有效形成鸟粪石，磷的浓度需要在100mg/L以上。磷浓度低将减少磷的回收率（小于40%）和增长鸟粪石沉淀的形成时间。然而，一般来说，污水系统和污泥消化液中的磷浓度通常分别为6mg/L和56mg/L。
重金属和新型污染物
污水中的重金属和新型污染物也会影响鸟粪石的质量。研究发现，部分鸟粪石产品中砷含量高达570mg/kg，这将显著影响鸟粪石后续的土地利用。
利用一些选择性更佳的技术，可以提高回收产品的质量。如通过膜蒸馏可以将污水中的氨氮回收成为10%的氨溶液；利用电渗析技术可以将污水中的磷回收为磷酸。纳滤（NF）和反渗透（RO）技术可以回收污水中的氨氮、磷、钾等资源，但由于工艺是基于压力驱动，膜污染往往很难避免。基于以上各种技术的优缺点分析，在这里总结了正渗透（FO），膜蒸馏（MD），电渗析（ED）及其组合工艺在污水资源回收方面的研究进展。
基于渗透压驱动机制的正渗透膜比传统依靠压力驱动的膜更能有效抵抗膜污染。因此，正渗透技术能在高浓度的处理液中应用，如厌氧污泥消化液等。研究人员Xie等对正渗透回收营养盐做了概念设计及验证。当使用MgCl2作为汲取液（Draw solution）时，在母液（Feed Solution）中添加Mg离子，促成鸟粪石沉淀形成。该过程能够将母液有效浓度增加5倍，使氨氮和磷分别达到1210mg/L和615 mg/L。母液中添加的镁离子来自于汲取液，因此MgCl2作为汲取液不仅能够提供渗透压推动力，而且能有效形成营养盐沉淀。研究表明，当使用海水
作为汲取液处理污水时，理论上不仅能够回收93%的水，还可以将市政污水中的氮和磷浓缩十倍。
膜蒸馏（MD）是利用低效热源驱动，通过物质不同蒸汽压的特性，以疏水性膜达到分离目的的工艺。膜蒸馏可以完全排斥待处理液中的非挥发性成分通过膜。鉴于该特性，膜蒸馏能够有效浓缩待处理液中的钾、磷等营养物质，为后续的进一步分离提供便利。
氨的挥发性高于水，因此可以通过膜蒸馏工艺在膜后浓缩氨。有研究表明，膜蒸馏工艺的氨回收率可高达96%。但有些时候，水中的挥发性脂肪酸及其它有机组成也可以同时通过膜，这将会影响后续回收氮肥的质量。水中溶解性有机物的存在，也会造成膜污染方面的挑战。
利用离子交换膜的电渗析（ED）技术，能有效选择性回收污水中的营养盐。Zhang 等的研究表明，利用电渗析，可以将污水中的磷浓缩7倍。营养盐回收的效率和产品的纯度可以通过双极性膜的应用而得到大幅提高。而在使用过程中，离子交换膜的膜污染也是需要关注的问题。不同于传统的膜，离子交换膜的污染和膜极性有很大关系。
研究人员Xie等利用正渗透--膜蒸馏组合工艺。通过正渗透浓缩污泥消化液中的氮和磷，并进一步形成鸟粪石；膜蒸馏用于正渗透汲取液的回收，并从污泥消化浓缩液中回收水。
Qiu等人的研究表明FO-MBR工艺（利用正渗透膜的MBR工艺），在使用MgCl2为作为汲取液时，通过磷酸钙沉淀的形式可回收污水中95%的磷，并能从海水浓水中回收90%的磷。
Mondor等人研究了电渗透-反渗透组合工艺。先通过阳离子膜的电渗透工艺，富集水中的氨离子，再通过反渗透工艺进一步浓缩，最终回收氨溶液的浓度可高达13g/L。
摘译自Membrane-based Processes for Wastewater Nutrient Recovery: Technology, Challenges, and Future Direction。原文发表于国际水协会期刊 Water Research。
Xie,M., Shon, H.K., Gray, S.R., Elimelech, M., Membrane-based Processes for Wastewater Nutrient Recovery: Technology, Challenges, and Future Direction,Water Research (2015), doi: 10.1016/j.watres. 2015.11.045
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