パイロット

Scientific Reports volume 6、記事番号: 21653 (2016) この記事を引用

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都市廃水からの栄養素とエネルギーの回収は、近年大きな注目を集めています。 ただし、都市廃水の強度が低いため、その効率は大幅に制限されます。 ここでは、実際の都市廃水を濃縮するためにスパイラル型膜モジュールを使用したパイロットスケールの順浸透（FO）システムを報告します。 活性層対供給溶液モードでは、ドロー溶液として 0.5 M NaCl を使用した場合、この FO システムの臨界濃度係数 (CCF) は 8 であると測定されました。 濃縮係数 5 での長期運転中、平均 6 L/(m2 h) の流量で化学的酸素要求量の (99.8 ± 0.6)% および総リン除去率の (99.7 ± 0.5)% を達成できました。 。 比較すると、アンモニウムおよび全窒素の除去は (48.1 ± 10.5)% および (67.8 ± 7.3)% のみが観察されました。 ケーキの強化された濃度分極は、水流束の減少の主な原因です。 また、汚れによってケーキ減少濃度分極効果が発生し、各サイクルの運転時間の増加に伴ってアンモニア除去率が向上しました。 この研究は、廃水濃縮における FO プロセスの使用の適用可能性と、将来的にさらなる改善が必要なアンモニウム回収の限界を示しています。

現在、廃水は廃棄物ではなく、水、栄養素、エネルギー源として考えられることが増えています1,2。 家庭/都市廃水からの栄養素とエネルギーの回収において、大きな障壁となるのは廃水の強度が低いことであり、これが回収効率と費用対効果に大きな影響を与えます。 経済的利益を満たす高濃度の化学的酸素要求量 (COD) と栄養素 (窒素とリン) を含む濃縮物を提供することが、下流のエネルギー回収 (嫌気性処理や微生物燃料電池など) と栄養素回収ユニットの鍵を握る3 。

膜分離は濃縮目的に有望な技術です。 短い水力滞留時間 (HRT) と短い汚泥滞留時間 (SRT) を備えた好気性膜バイオリアクター (MBR) は、生物凝集メカニズムによる下水と雑排水の濃縮に使用されてきました 4,5。 このシナリオの主な欠点は、濃縮プロセス中の重度の膜汚れとその場での COD 生分解です (結果として、COD は約 35% しか回収されません)4。 Ma らによって開発された動的膜分離 6 は、60 L/(m2 h) という高い膜流束下で 81.6% の COD 回収率を実証しました。 精密ろ過 (MF) 膜による直接的な下水の濃縮も報告されており 3、COD については効率的な濃縮が達成されましたが、窒素とリンについては達成されませんでした。 ナノ濾過 (NF) と逆浸透 (RO) は都市廃水の濃縮にも使用できます 7,8。 ただし、NF および RO 膜は、溶解および未溶解の分子、粒子状物質、塩の沈殿物、微生物による汚れに敏感です9、10、11。 このため、廃水処理用の NF および RO システムでは、前処理ステップとして MF や限外濾過 (UF) など、膜の汚れを減らすための前処理が必要です 12。

正浸透（FO）は、低浸透圧の供給溶液（FS）と高浸透圧の誘導溶液（DS）の間に半透膜を配置した膜分離プロセスであり、浸透圧の差によって駆動されます。膜13. FO プロセスは、NF や RO などの従来の圧力駆動膜プロセスと比較して汚れが少ないため、近年多くの注目を集めています 14、15、16、17。 合成家庭廃水16、都市水源18,19および都市廃水20,21などの低濃度の家庭/都市廃水処理におけるFOプロセスの使用は着実に増加しています。 上述の研究は、廃水を濃縮するための FO システムの挙動を理解するための基礎を築きます。 しかし、ほとんどの研究ではバッチ濾過モードで実験室規模の FO システムが使用されており、実験期間は数時間から数日間続くため、これらのシステムの一般規則を確立するにはまだ不十分です 18、19、20、21。 この技術の実際の廃水処理への応用を進めるためには、低強度の家庭/都市廃水を濃縮するための連続流運転下での FO システムの長期調査が非常に必要です。

現在の研究では、実際の都市廃水を濃縮するための有効面積0.3 m2のスパイラル型FO膜モジュールを使用したパイロットスケールのFO膜システムを確立しました。 まず臨界集中係数 (CCF) が決定され、次に集中係数 (CF) 5 でのこのパイロット規模の FO システムの長期性能が調査されました。 フラックス性能の低下に対する外部濃度分極 (ECP)、ケーキ増強濃度分極 (CECP)、および溶質逆拡散の寄与が分析され、アンモニア除去におけるケーキ還元濃度分極 (CRCP) の役割についても議論されました。 得られた結果は、低強度廃水を濃縮するための FO システムについての適切な理解を提供することが期待されます。

この研究で使用したこの CTA 膜の固有 A および B パラメータは、それぞれ 0.70 ± 0.07 L/(m2 h bar) および 0.53 ± 0.03 L/(m2 h) と決定され、これは以前の文献 22、23 と同様です。 水と溶質のフラックス（供給溶液として脱イオン水を使用）を浸透圧の関数として図 1 に示します。測定された水と溶質のフラックスは浸透圧の増加とともに増加します。 ただし、CTA 膜の水流束は、古典的な溶液拡散理論 13 に基づく直線曲線 (Jv = A(πdraw − πfeed)) を使用した理論流束からは逸脱しますが、式 13 によって適切にモデル化できます。 (1) は、ICP24 が水流束に大きな影響を与える可能性があることを示しています。 この CTA 膜の物質移動係数 Km は、多孔質支持層内の ICP 現象に関連し、(4.07 ± 0.26) × 10−6 m/s とモデル化されました。 この研究で得られた Km 値は、CFV が 23.2 cm/ の同種の膜 (AL-FS 構成では 4.2 × 10−6 m/s) について Tang らによって報告された値 25 とよく一致しています。 s. 構造パラメータ Sme は、20 °C、0.5 M NaCl の Ddraw 値 1.2 × 10−9 m2/s を使用して、(2.96 ± 0.26) × 10−4 m と計算されました23。 Sme 値 (296 μm) は、支持層の厚さ (39 ～ 51 μm) よりもはるかに大きかった 26,27,28。これは、支持層の屈曲性と多孔性に起因すると考えられます。 Km 値は、実際の廃水を濃縮するためのこのパイロットスケール FO 膜システムの性能を評価するために、汚物混入水フラックス モデル (式 (3)) で使用できます。

赤い実線は、Jv = A(πdraw − πfeed) を使用してモデル化された磁束であり、黒の破線は、式 (1) を使用してモデル化された磁束を示します。 (1)。 四角い記号は測定データを表します。 エラーバーは標準偏差を表します。 存在しない場合、バーはシンボル内に収まります。

CCF の測定中の水フラックスの変化を図 2 に示し、対応する溶質フラックスを補足情報 (SI) の図 S1 に示します。 水の流束は膜の汚れや溶質の逆拡散により徐々に減少し25、溶質の流束も同様の変化パターンを示します（補足図S1を参照）。 都市廃水を濃縮するためのこのパイロット規模の FO システムの CCF は 8 であると測定され、費用対効果の高いパフォーマンスを達成するには、この FO システムが 8 未満の CF、つまり未臨界 CF で動作する必要があることを示しています。 濃縮廃水を段階的に希釈しても、水の流束は濃縮プロセスの流束に戻らず、溶質の逆拡散とともに膜の汚れが流束の挙動を不可逆的にしたことを示しています。 ただし、段階的希釈中の溶質フラックスは、濃縮プロセスの溶質フラックスに非常に近かった（図S1を参照）。 膜ファウリングが水透過性に及ぼす影響をさらに調査し、水と溶質のフラックス変化挙動の違いを説明するために、ファウリングを組み込んだ水フラックス モデル (式 (3)) を使用して、得られたデータを評価しました。 段階的希釈プロセス中に異なる CF での供給溶液の浸透圧が測定され、補足の表 S1 にまとめられています。 このモデルと測定データを使用して、CCF での水と溶質のフラックスに関連するパラメーターを計算できます。結果を表 1 に示します。

(a) CCF を求めるために廃水を濃縮する際の水フラックスの変化。 青い実線は都市廃水を連続濃縮した場合の水フラックスの変化を表し、黄色の丸は濃縮廃水をDI水で段階的に希釈したときの各濃縮係数における水フラックスを示しています。 (b) CCF での水フラックス減少に対する CECP、外部濃度分極 (ECP)、および逆溶質の寄与。 X1、X3、X5、X8は、流入下水の濃縮係数（CF）が1倍、3倍、5倍、8倍であることを示します。

表 1 から、A が元の値 0.70 L/(m2 h bar) から 0.582 L/(m2 h bar) に減少していることが観察できます。これは、膜の汚れにより汚れた膜の水圧抵抗が増加したことを示しています。水透過性の低下25。 ただし、B 値が未使用の膜と比較して明らかな変化を示さないことを観察することは非常に興味深いです。 これは全体的な B/A 比の増加につながり、Lay らによって報告されているように深刻な汚れが発生していることを示しています 29。 Ala 値は Bla 値よりもはるかに小さく (表 1)、これは、FO 膜の AL 上に形成されたファウリング層の選択性が低く、したがって CCF 試験中の水透過性への影響と比較して、逆塩除去への影響が無視できることを示唆しています。 これは、多くの著者が、FO システムでファウリングが発生したときに水フラックスの劇的な減少と比較して、溶質フラックスのそれほど顕著な減少が観察されていないことを十分に説明できます 26,30。

図 2(b) は、CCF における膜透過性の低下に対するさまざまな要因の寄与を示しています (詳細な計算は補足資料に示されています)。 誘導溶液の濃度は一定に維持されたため、ICP はほぼ変化しないままであると考えられました。 したがって、供給溶液側で発生する現象、つまり CECP、外部濃度分極 (ECP)、および溶質逆拡散のみを考慮しました。 溶質の逆拡散が濃縮プロセス中の水フラックスの減少の大半を占めている一方、CECP と ECP の寄与は同様であることは明らかです。 蓄積された塩分は、濃縮プロセス全体で FO 膜を通る水の流束を駆動するために利用できる有効浸透圧差を減少させる可能性があり、これが正浸透膜バイオリアクターの FO 性能の低下を引き起こす主な理由ともみなされています 31,32,33。

CCF の結果に基づいて、5 の CF、つまり未臨界 CF が FO パイロットスケール システムに選択され、都市排水の濃縮中に FO 膜の長期性能が検査されました。 合計 51 日間続く 3 サイクルが実行され、操作中の水と溶質のフラックスの変化が図 3(a) に示されています。 各サイクルの水流束は 3 段階の変化パターンを示していることが観察できます。つまり、初期濾過段階での急速な減少 (平均 7.7 L/(m2 h) から 6.5 L/(m2 h) へ)。ゆっくりとした減少段階 (平均約 6 L/(m2 h)) に続き、サイクルの終わりに再び急速な減少が続きます。 初期段階における水流束の急速な減少は、供給溶液側での外部濃度分極の急速な形成（結果として FO 膜の急速な可逆的ファウリング）と、誘導溶液側での内部濃度分極によるものである可能性があります 34。 第 2 段階では、膜ファウリング層が徐々に形成され、ケーキ強化濃度分極 (またはケーキ強化浸透圧と呼ばれる) が発生します。 その後、ファウリング（ケーキ）層は長期間の蓄積（例、厚さ、圧縮率、CECP 効果の劇的な増加）により臨界状態に達し、各サイクルの終了時に再び水流束の急速な減少を引き起こします。 ただし、溶質フラックスは濾過プロセス中は比較的安定に保たれ、1 つの濾過サイクルの終了時にわずかに減少する傾向がありました。 これは、膜の汚れが溶質流束に及ぼす影響が水流束に比べてそれほど大きくないことを示唆しており、これは CCF 試験の結果と一致しています。 そのため、水フラックスに対する溶質フラックスの比 (Js/Jw) は、各ろ過サイクルの終了時に劇的に増加します。 Js/Jw の比が大きいほど、膜全体 (汚れ層を含む) の選択性の低下とプロセスの効率の低下を反映しています 35。 各サイクルの運転中、供給溶液中の全溶解固形分（TDS）に換算した塩濃度は、初期段階では約 6.1 g/L から後期段階では約 4.2 g/L の範囲であり、塩濃度が低下していることが示唆されます。原液タンクから定期的に濃縮廃水を排出するため、濃縮工程での廃液の滞留はありませんでした。 各サイクルの後期段階での塩濃度の減少は、主に水フラックス (図 3) と CF の急速な減少に起因していました。

(a) CF 5 で都市廃水を濃縮するためのこのパイロット規模の FO システムの長期運転中の水と溶質のフラックス、および溶質と水のフラックス比の変化。 (b) CECP、ECP、および逆溶質の水流束への寄与は、膜洗浄の時点で減少します。 洗浄手順は「材料と方法」に記載されています。

膜透過性の低下に対する CECP、ECP、および溶質の逆拡散の具体的な寄与を測定し、その結果を図 3(b)に示します。 長期運転中、水流束に影響を与える主な要因は CECP であり、次に ECP と溶質の逆拡散が続くことは明らかです。 図 2(b) に示すように、CCF テストとは大きく異なります。 これは、濃縮廃水を定期的に排出することにより、長期間の運転によるFOシステム内の溶質の蓄積が大幅に軽減されたためです。 長期運転中に FO システムに形成された汚れ層は不可逆的であることが報告されており、透過性を回復するには化学洗浄が必要です 26、36、37。

廃水中に存在する汚染物質の除去は、濃縮効率を反映する重要な要素です。 図 4 は、供給溶液と排出溶液中の汚染物質濃度の変化と、長時間運転中の除去率の変化を示しています。 図 4 から、パイロット規模の FO システムが COD の (99.8 ± 0.6)% と TP 除去率の (99.7 ± 0.5)% を達成できたことが明らかです。 しかし、この濃縮プロセス中に観察された NH4+-N および TN の除去率は、それぞれ (48.1 ± 10.5)% および (67.8 ± 7.3)% のみでした。 アンモニウムの低い除去率は、順浸透プロセスにおける供給溶液のアンモニウムと誘導溶液のナトリウムカチオンの双方向拡散に​​起因すると考えられます38。 供給溶液中の TN にはアンモニウムを除く有機窒素の一部も含まれているため、FO 膜による有機物の音響阻止により、TN の阻止率は NH4+-N と比較して高くなりました。

(a) フィード溶液およびドロー溶液中の汚染物質の濃度。 (b) 長期運転中の FO システム内の汚染物質の除去率。

前述したように、事前に決定された CF 5 が使用されたにもかかわらず、FO 膜はさまざまな汚染物質に対して異なる除去率を達成しました。 したがって、廃水およびさまざまな汚染物質の CF 値は、長期運転中に異なる可能性があります。これらの値はさらに計算され、図 5 にプロットされています。COD、TP、TN、および NH4+-N の CF 値はすべて、基準値よりも小さいです。廃水のCF。 これは、FO 膜がさまざまな汚染物質に対して異なる除去挙動を示したためです。 長期運転では、FO システム内のアンモニウムと全窒素の濃縮効率は COD や TP に比べて低かった。 合理的な阻止率を達成するには、FO 膜を通過する一価イオン (アンモニウム) の拡散を抑制する修飾 FO 膜の開発を実施する必要があります。 廃水を濃縮する場合のもう 1 つの制限は、有機物の生分解に関連していますが、分解速度は他の生物凝集法に比べてはるかに遅いです4。 濃縮効率をさらに理解するために、図S2に示す物質バランス分析を実行しました。 CODを例にとると、運転サイクルごとに約19.2%のCODが分解または膜表面に付着してファウリング層を形成しました。 それにもかかわらず、私たちの研究では、前処理ユニットで濃縮廃水（CF 5）と回収された粒子状物質/コロイド状物質を混合することにより、最終的な COD 濃度は 2335 ± 146 mg/L に達する可能性がありました。 文献に記載されているメタン回収および燃焼による 3.86 kW h/kg COD の理論的エネルギーポテンシャル値および現在のエネルギー変換効率 28% 1 によれば、濃縮廃水に対して得られた電位は約 2.52 kW h/m3-廃水です。 現在、排水基準を満たすためのこの濃縮排水の典型的な嫌気処理（除去率 80%）および下流の好気処理では、最新の設備を使用すると約 0.4 kW h/m3 および 0.6 kW h/m3 が消費されます。それぞれ1、総エネルギー消費量は約1.0 kW h/m3です。 この処理シナリオを使用したエネルギー中性点は、約 925 mg/L の濃縮 COD 濃度で達成されます。 これは、FO 濃度を使用した本研究の COD レベル (平均 2335 mg/L) が経済的利益を十分に満たす可能性があることを示しています。

各サイクルの初期 CF が 5 を超えるのは、流入水レベルや洗浄後の膜透過性の変化などのシステム制御の複雑さによるものです。

アンモニウムの除去率が操作時間の関数として増加することを観察するのは興味深いことです。 この現象を説明するには、式(1)に示すような濃度分極モデルを使用します。 (7) を用いてデータを処理した結果を表 2 にまとめます。最終段階では物質移動係数が減少し、膜界面のアンモニウム濃度 (Cm) も初期段階に比べて低下しました。初期段階（図6にも示されています）。 これは、FO 膜表面上のファウリング層の形成に関連しており、拡散機構よりも対流機構が著しく妨げられます。 したがって、膜表面上の濃度は、対流と拡散に起因する通常の濃度分極（図 6(a)）で予想されるものよりも低かった（図 6(b) を参照）。 この現象はケーキ還元濃度分極 (CRCP) と呼ばれ、海水逆浸透システム (SWRO) プロセスで観察されています 39。 表 2 に示すように、汚れた FO 膜の膜表面上のアンモニウム濃度 (Cm) は、きれいな膜と比較して低く、我々の研究で CRCP が発生していることが確認されました。 低い Cm により、対流と拡散による通常の濃度分極と比較して除去率が向上しました。 同様に、CRCP もフラックス性能を向上させる可能性があります。 ただし、水フラックスに対する CRCP のプラスの影響は、CECP29 のマイナスの影響に比べてはるかに小さいです。 したがって、磁束挙動を評価する場合、CRCP は無視できます。 要約すると、図6に示すように、FO膜のAL上に形成されたファウリング層は浸透圧差の減少をもたらし、その結果として水透過性の減少をもたらしました。 さらに、ファウリング層は選択性が低いため、水のフラックスに比べて溶質のフラックスにあまり大きな影響を与えず、長期運転中の Js/Jw の増加につながりました。 しかし、アンモニアの除去では、ファウリング層により CRCP 現象が誘発され、各サイクルの運転時間が増加するにつれて除去性能が向上しました。

(a) 最初の濾過における FO 膜。 (b) ファウリング層が形成された FO 膜。 注: SL、サポート層。 AL、アクティブ層。 FL、汚れ層。 ICP、内部濃度分極。 ECP、外部濃度分極。 CECP、ケーキ強化濃度分極。 CRCP、ケーキ減少濃度分極。

近年、正浸透膜を使用して都市廃水を濃縮し、エネルギーと栄養分を回収するという概念が提案されているが 18,21,40 、その適用性はまだ試験規模または本格的な運用で系統的に評価されていない。 この研究は、パイロット規模で希釈廃水を濃縮するために FO 膜を初めて使用した証拠を提供します。 これは、臨界濃縮係数が存在し、費用対効果の高い治療を達成するには、このシステムでは臨界未満の濃縮係数を使用する必要があることを示しています。 また、長期パイロットスケール試験では、他の人が報告したベンチスケール実験（通常は CF 2 ～ 3 を使用）と比較してより高い濃縮係数が達成され 18,21 、希釈廃水処理と資源回収の有望な見通しが実証されました。

このパイロット規模のテストでは、現在利用可能な FO 膜が有機物とリンの除去効率は高いが、アンモニウムの分離は比較的低いことも確認されています。 アンモニウムの回収効率をさらに高めるためには、FO プロセス中のアンモニウムおよびナトリウムカチオンの双方向拡散を抑制するために、高い水透過性と低い溶質透過性を備えた高性能 FO 膜 38,41,42 を開発する必要があります。 この既存の課題には、材料科学者と環境技術者間の集中的な学際的な協力が必要です。 陽イオンに対する選択性を向上させるための FO 膜の表面電荷と官能基の修飾については、今後検討する必要があります。

図 7 に示すパイロット規模の FO システムは、中国、上海の曲陽市廃水処理場 (WWTP) に設置され、実際の都市廃水を濃縮するために使用されました。 一次処理装置、フィード溶液（FS）タンク、スパイラル型FO膜モジュール、ドロー溶液（DS）タンク、洗浄液タンク、濃縮廃水タンク、濃縮塩タンク、排水タンクで構成されています。 。 動的膜（粗大細孔材料製）分離装置を用いた一次処理の目的は、実際の都市廃水中に存在する粒子状物質やコロイド状物質の一部を除去し、下流のFOプロセスにおける膜汚れを軽減することであり、その一次処理の内容について説明します。以前の出版物6に記載されています。 一次処理ユニットで分離された粒子状物質とコロイド状物質は、バイオガスとエネルギーの生成に使用できます43。 この研究では、主に分離された物質を FO システムの濃縮廃水と混合して、エネルギーを生成し、栄養素を回収できると期待しています。 この一次処理装置の排水は FS タンクにポンプで送られました。 この都市下水一次処理水である FS 排水の特性を表 3 に示します。FS タンク内の水位を一定に保つために、レベルセンサーを使用して流入水と FS ポンプ（図 7 を参照）を制御しました。

この FO システムの写真 (左) と概略図 (右)。

浸透圧約２３．６バールの０．５Ｍ ＮａＣｌ溶液をＤＳとして使用した。 DS タンク内のその濃度は、DS の導電率を 47.3 ～ 47.5 ms/cm のレベルに維持する導電率制御システムによって制御される投与ポンプを通じて濃縮 NaCl 溶液 (5 M) を自動的に投与することによって比較的一定に維持されました。 この FO 膜の水流束 (Jw) は、注入された 5 M NaCl 溶液の量を除いた流出タンク内の液体の量を定量することによって決定されました。一方、溶質流束は総溶解固体 (TDS) の変化に基づいて計算されました。 ) 供給溶液側と物質収支分析。 実験中の温度は18〜22℃の範囲でした。

長期運転中、水流束が初期の半分に減少した場合、1% Alconox + 0.8% EDTA26 を使用してこの FO システムの化学洗浄が実行されました。 各洗浄は、20 cm/s のクロスフロー速度 (CFV) で 10 分間継続しました。 化学洗浄後、同じ CFV で 10 分間の油圧洗浄が行われ、新しい濾過サイクルが再開されました。

このパイロットスケール FO システムでは、Hydration Technologies Innovation (HTI、アルバニー、米国) から購入した、有効面積 0.3 m2 のセルローストリアセテート (CTA) 製スパイラル型膜モジュール (50.8 cm × φ 8.6 cm) を使用しました。 ）。 この膜モジュールには、濃度分極を緩和するために、ＦＳ側に厚さ２．５ｍｍのスペーサ、ＤＳ側に厚さ１．５ｍｍのスペーサを設けた。

HTI から購入したフラットシート CTA FO 膜も、固有の透過性を調べるために使用されました。 膜の水透過性 (A)、NaCl 透過性 (B) 係数、および塩除去率は、Tiraferri et al. によって記載されているように、11 bar での RO 濾過試験によって決定されました。 およびXieら23,44。 B/A 比が低いほど、FO 膜の濾過性能が優れていることを示している可能性があります。 さまざまな DS 濃度での膜の透過性を特徴付けるために、DS として NaCl 溶液 (0.5 M ～ 4.0 M) を使用し、FS として脱イオン (DI) 水を使用して、次のプロトコルに従って濾過セル内で水と溶質の流束を測定しました。以前の出版物26。 テスト中、クロスフロー速度 (CFV) は 20 cm/s に維持されました。 この研究では、膜活性層が供給溶液に面した AL-DS 配向のみが供給溶液に面した AL-FS 配向のみが調査されました。これは、膜活性層がドロー溶液に面した AL-DS では廃水処理において常に深刻な膜汚れが生じるためです 16,26。

式 1 に示すような解析モデル。 (1) は、内部濃度分極 (ICP) の効果を考慮して 24、AL-FS 配向下での FO の性能を評価するために使用されました。

ここで、Jw は CTA 膜の水流束 (L/(m2 h))、A (L/(m2 h bar)) および B (L/(m2 h)) はそれぞれ固有の水透過係数と NaCl 透過係数、πdraw です。および πfeed は、それぞれドロー溶液とフィード溶液の浸透圧 (bar) です。 Km、物質移動係数 (L/(m2 h)) は、DS 側の多孔質支持層内の ICP 現象に関係します。

Km は、溶質拡散係数 Ddraw (m2/s) を膜構造パラメーター Sme (m) で割った値を使用して計算できます。

式では、 (2)、εme (-)、tme (m)、τme (-) は、それぞれ膜支持層の空隙率、厚さ、屈曲度です。 (−) は無次元パラメータであることを示します。

方程式 (1) は、FO 膜の AL-FS 配向下で明確に定義された供給水 (つまり、DI 水) に対して有効ですが 45、汚れの進行により実際の用途における水流束を十分にシミュレートできない可能性があります。 したがって、ケーキ強化濃度分極（CECP）を伴うファウリング条件に対するファウリング混入水流束モデルが開発されました46。

式では、 (3)、A (L/(m2 h bar)) および B (L/(m2 h)) は、それぞれ全体の水および塩の透過係数です。 それらの値は、膜 (下付き文字「me」) と汚損層 (下付き文字「la」) の係数に依存します。これらの係数は式 1、2、3 に示されています。 (4)と(5) 46．

CECP 係数 kCECP は、長期運転中の FO 膜の透過性に影響を与えます。 kCECP が高いほど CECP 効果が弱いことを示し、値が低いほど顕著な効果を示します。 無視できる程度の CECP 効果 (つまり、kCECP = ∞) では、式 (1) は次のようになります。 (3) は式 (3) に変形できます。 (1)。

溶質フラックス (Js) と Jw の関係は、式 1 に示すように、van't Hoff 方程式で表すことができます。 (6) 25．

ここで、β はファント ホフ係数 (-)、Rg は普遍気体定数 (L・bar/(K mol))、T は絶対温度 (K) です。

FO 系の AL-FS 配向においては、境界層膜理論 47 を用いて FS 側の濃度分極を特徴付けることができる。

ここで、Cb (mg/L)、Cm (mg/L)、および Cp (mg/L) は、それぞれバルク供給溶液、膜界面、および透過水の濃度です。 Ktot、全体の物質移動係数 (L/(m2 h))。境界層の厚さ δ に対する溶質拡散係数 Ds の比、つまり Ktot = Ddraw/δ によって与えられます。

長期間の運転によりファウリング層が形成されるため、物質移動係数 Ktot には ECP の物質移動係数 (Kecp) とファウリング層の物質移動係数 (Kla) が含まれ、式 (1) の関係が成り立ちます。 (8)。 初期ろ過でファウリング層のない膜 (Kla = ∞) の場合、Ktot は Kecp に等しくなります。

この研究では、長期運転中のアンモニウムの除去挙動を評価するために、上記の方程式を使用しました。

CCFを決定するために、パイロットスケールFOシステムを、ドロー溶液として0.5M NaCl溶液を用いて20cm/sのCFV下で約420時間連続的に操作した。 図 7 に示すように、都市廃水が供給側で徐々に濃縮される一方で、ドロー溶液の濃度は、図 7 に示すように濃縮塩溶液を自動的に投与することによって一定に維持されました。 このプロセス中の膜の汚れと溶質の逆拡散により、水流束は徐々に減少しました。 水フラックスがほぼゼロ（この研究では 0.2 L/(m2 h)）に減少したとき、供給側の都市廃水の濃縮係数が計算され、この研究では CCF とみなされました。 あらかじめ決められた濃縮係数（CF）、つまり 1 倍（X1）、3 倍（X3）、5 倍（X5）、8 倍（X8）で、廃水の CF 係数は、定期的に排水することによって一定期間維持されました。各 CF での FO 膜の透過性を調べるために、供給溶液側から一定量の廃水を加えます。

水流束の減少に対する膜汚れの寄与をさらに調べるために、CCF で濃縮された廃水を DI 水で徐々に希釈して、異なる CF、つまり 5 倍 (X5)、3 倍 (X3)、および 1 倍 (X1) にしました。 ）。 それぞれの CF での水と溶質のフラックスを 2 時間の濾過以内に再度測定しました。 脱イオン水も供給溶液として使用し、X1 テスト終了後の水と溶質のフラックスを測定しました。 方程式次に、(3) を使用して、透過性に対する汚れの影響を検証するために、得られたデータを処理しました。 その後、前述のように FO 膜を膜洗浄 26 し、供給溶液として DI 水を、ドロー溶液として 0.5 M NaCl 溶液を使用して、洗浄した膜の水と溶質の流束も測定しました。

CCF テストに基づいて、パイロット規模の FO システムには CF 5 が選択されました。 一定のＣＦを維持するために、濃縮水の一部を定期的に排出した。 FO システムを 51 日間操作し、水流束が最初の半分に減少した場合、化学洗浄プロトコル、つまり 1% Alconox + 0.8% EDTA 混合物を使用した化学洗浄を 10 分間使用し、続いて油圧洗浄を 10 分間実行しました。 out26で透過性を回復します。 この実験中、水と溶質のフラックスと廃水の特性が頻繁に監視されました。 長期運転中、レベルセンサーシステムを使用して、供給溶液と排出溶液の量をそれぞれ 10 L と 20 L に維持しました。

供給溶液および回収溶液中の化学的酸素要求量 (COD)、アンモニウム (NH4+-N)、全窒素 (TN)、および全リン (TP) は、標準方法 48 に従って測定されました。 FO システムにおけるこれらの汚染物質の除去率 (r) は、式 1 で計算できます。 (9)。

ここで、Cdraw はドロー溶液中の汚染物質の濃度 (mg/L)、Cfeed はフィード溶液タンク内の汚染物質の濃度 (mg/L) です。

この FO システムにおける廃水の CF は次の式で求められます。

ここで、CFwは排水のCF（−）、Qiは流入流量（L/h）、Qdは濃縮排水の排出流量（L/h）、QeはFO膜の流出流量です。 (L/h)。

FO 膜は廃水中に存在する汚染物質を完全に除去することはできないため、汚染物質の CF (CFp) は廃水の CF (CFw) とは異なる可能性があり、CFp は式 (1) で求めることができます。 (11)。

ここで、Crw は未加工廃水中の汚染物質濃度 (mg/L) です。

この記事を引用する方法: Wang, Z. et al. 低濃度の都市廃水を濃縮するためのパイロットスケールの正浸透膜システム: パフォーマンスと意義。 科学。 議員6、21653; 土井: 10.1038/srep21653 (2016)。

McCarty, PL、Bae, J. & Kim, J. 純エネルギー生産者としての家庭廃水処理 - これは達成できますか? 環境。 科学。 テクノロジー。 45、7100–7106 (2011)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

Batstone, DJ、Hulsen, T.、Mehta, CM & Keller, J. 家庭廃水からエネルギーと栄養素を回収するためのプラットフォーム: レビュー。 Chemosphere 140、2–11 (2015)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

Mezohegyi, G.、Bilad, MR および Vankelecom, IFJ 浸漬された通気および振動膜による直接下水濃縮。 バイオリソース。 テクノロジー。 118、1–7 (2012)。

CAS PubMed Google Scholar

Leal, LH、Temmink, H.、Zeeman, G. & Buisman, CJN 分散型衛生コンセプト内でエネルギー回収を向上させるための雑排水の生物凝集。 バイオリソース。 テクノロジー。 101、9065–9070 (2010)。

Google スカラー

Akanyeti, I.、Temmink, H.、Remy, M.、Zwijnenburg, A. 下水からのエネルギー回収を改善するための高負荷膜バイオリアクターにおける生物凝集の実現可能性。 水科学テクノロジー。 61、1433–1439 (2010)。

CAS PubMed Google Scholar

マ、JX 他動的膜分離プロセスを使用した都市廃水からの有機物の回収。 化学。 工学 J. 219、190–199 (2013)。

CAS Google スカラー

ピノ、MPD & ダーラム、B. 二重膜プロセスによる廃水の再利用: 持続可能な水資源の機会。 脱塩 124、271–277 (1999)。

Google スカラー

キャス、TY et al. 宇宙における廃水再生利用のための膜接触器プロセス パート I. 逆浸透の前処理としての直接浸透圧濃縮。 J.メンバー科学。 257、85–98 (2005)。

CAS Google スカラー

Wilf, M. & Alt, S. 都市廃水の再生利用のための低汚れ RO 膜エレメントの応用。 脱塩 132、11–19 (2000)。

CAS Google スカラー

Mahlangu、TO、Thwala、JM、Mamba、BB、D'Haese、A. & Verliefde、ARD クロスフロー ナノろ過における有機ファウリング剤とコロイドファウラントによる複合ファウリングを支配する要因。 J.メンバー科学。 491、53–62 (2015)。

CAS Google スカラー

Chen, SC、Wan, CF & Chung, TS 高圧下における圧力遅延浸透 (PRO) 中空糸膜上の無機および有機ファウラントによるファウリングの強化。 J.メンバー科学。 479、190–203 (2015)。

CAS Google スカラー

Huang, HO、Cho, H.、Schwab, K. & Jacangelo, JG 低汚染性逆浸透膜による有機微量成分の除去に対する給水前処理の効果。 脱塩 281、446–454 (2011)。

CAS Google スカラー

Cath, TY, Childress, AE & Elimelech, M. 正浸透: 原理、応用、および最近の開発。 J.メンバー科学。 281、70–87 (2006)。

CAS Google スカラー

Zhao, SF、Zou, L.、Tang, CY、Mulcahy, D. 順浸透の最近の発展: 機会と課題。 J.メンバー科学。 396、1–21 (2012)。

CAS Google スカラー

Chung、TS、Zhang、S.、Wang、KY、Su、J.、Ling、MM 正浸透プロセス: 昨日、今日、そして明日。 脱塩 287、78–81 (2012)。

CAS Google スカラー

Lutchmiah, K.、Verliefdea, ARD、Roest, K.、Rietveld, LC & Cornelissen, ER 廃水処理への応用のための正浸透：レビュー。 水耐性 58、179–197 (2014)。

CAS PubMed Google Scholar

アンサリ、AJ 他順浸透を選択すると、その後の嫌気性処理と統合して溶質が抽出され、廃水からの資源回収が容易になります。 バイオリソース。 テクノロジー。 191、30–36 (2015)。

CAS PubMed Google Scholar

Xue、WC、Tobino、T.、中島 F. & 山本 K. 処理された都市廃水中の窒素とリンを濃縮するための海水駆動の順浸透: 膜特性と供給溶液の化学の影響。 水耐性 69、120–130 (2015)。

CAS PubMed Google Scholar

リナレス、RV et al. 浸透圧勾配による都市廃水からの水の回収: プロセスのパフォーマンスの評価。 J.メンバー科学。 447、50–56 (2013)。

Google スカラー

Lutchmiah, K. et al. 正浸透を利用した下水からの水の回収。 水科学テクノロジー。 64、1443–1449 (2011)。

CAS PubMed Google Scholar

Zhang、XW、Ning、ZY、Wang、DK、da Costa、JCD CTA 膜を使用した正浸透による都市廃水の処理。 J.メンバー科学。 468、269–275 (2014)。

CAS Google スカラー

Wong、MCY、Martinez、K.、Ramon、GZ & Hoek、EMV 浸透膜の構造と性能に対する動作条件と溶液の化学的影響。 脱塩 287、340–349 (2012)。

CAS Google スカラー

Xie, M.、Price, WE、Nghiem, LD & Elimelech, M. 順浸透による微量有機汚染物質の除去に対する供給溶液と排出溶液の温度および膜貫通温度の差の影響。 J.メンバー科学。 438、57–64 (2013)。

CAS Google スカラー

Loeb, S.、Titelman、L. Korngold, E.、Freiman, J. ローブ・スリラジャン型非対称膜を通る浸透に対する多孔質支持生地の効果。 J.メンバー科学。 129、243–249 (1997)。

CAS Google スカラー

Tang、CY、She、QH、Lay、WCL、Wang、R.、Fane、AG フミン酸濾過中の正浸透膜の流束挙動に対する内部濃度分極とファウリングの複合効果。 J.メンバー科学。 354、123–133 (2010)。

CAS Google スカラー

ワン、ZWら。 都市廃水処理に使用される薄膜複合材料 (TFC) ポリアミド正浸透膜の化学洗浄プロトコル。 J.メンバー科学。 475、184–192 (2015)。

CAS Google スカラー

Dong, Y. 他 MBR処理された埋め立て浸出水の後処理用の正浸透膜システム。 J.メンバー科学。 471、192–200 (2014)。

CAS Google スカラー

Arkhangelsky、E. et al. 正浸透中空糸膜の性能に対するスケーリングと洗浄の影響。 J.メンバー科学。 415、101–108 (2012)。

Google スカラー

レイ、WCLら。 正浸透システムにおける塩類の蓄積の分析。 9月科学。 テクノロジー。 47、1837–1848 (2012)。

CAS Google スカラー

レイ、WCLら。 正浸透システムのフラックス性能に影響を与える要因。 J.メンバー科学。 394–395、151–168 (2012)。

Google スカラー

Xiao、D.ら。 浸透膜バイオリアクターにおける塩蓄積のモデル化: FO 膜の選択とシステム操作への影響。 J.メンバー科学。 366、314–324 (2011)。

CAS Google スカラー

ホロウェイ、RW et al. 新しいハイブリッド限外濾過浸透膜バイオリアクターの長期パイロットスケール研究。 脱塩 363, 64–74 (2014)。

Google スカラー

Wang, X.、Yuan, B.、Chen, Y.、Li, X.、Ren, Y. 塩分の蓄積を防ぐための浸透膜バイオリアクターへの精密ろ過の統合。 バイオリソース。 テクノロジー。 167、116–123 (2014)。

CAS PubMed Google Scholar

McCutcheon, JR & Elimelech, M. 正浸透における流束挙動に対する濃縮および希釈内部濃度分極の影響。 J.メンバー科学。 284、237–247 (2006)。

CAS Google スカラー

ハンコック、ノーザンテリトリーおよびタイ州キャス。 浸透圧で駆動される膜プロセスにおける溶質の共役拡散。 環境。 科学。 テクノロジー。 43、6769–6775 (2009)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

Valladares Linares, R.、Yangali-Quintanilla, V.、Li, Z. & Amy, G. 順浸透 (FO) 膜の NOM および TEP の汚れ: 汚れの特定と洗浄。 J.メンバー科学。 421–422、217–224 (2012)。

Google スカラー

Valladares Linares, R.、Li, Z.、Yangali-Quintanilla, V.、Li, Q.、Amy, G. 廃水の再利用で汚れた FO 膜の洗浄プロトコル。 脱塩水処理。 51、4821–4824 (2013)。

CAS Google スカラー

Lu、XL、Boo、CH、Ma、J. & Elimelech、M. 順浸透におけるアンモニウムおよびナトリウムカチオンの二方向拡散: 膜活性層表面の化学および電荷の役割。 環境。 科学。 テクノロジー。 48、14369–14376 (2014)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

キム、S.ら。 海水逆浸透（SWRO）プロセスにおける膜の汚れによる濃度分極の増強または減少。 脱塩 247、162–168 (2009)。

CAS Google スカラー

Zhang、JF、She、QH、Chang、VWC、Tang、CY、Webster、RD 正浸透脱水による都市源分離尿からの栄養素 (N、K、P) の採掘。 環境。 科学。 テクノロジー。 48、3386–339​​4 (2014)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

Yip, NY、Tiraferri, A.、Phillip, WA、Schiffman, JD & Elimelech, M. 高性能薄膜複合正浸透膜。 環境。 科学。 テクノロジー。 44、3812–3818 (2010)。

CAS ADS PubMed Google Scholar

Pardeshi, P. & Mungray, AA 層ごとに自己組織化された高分子電解質による新しい高流束 FO 膜の合成、特性評価、および応用。 J.メンバー科学。 453、202–211 (2014)。

CAS Google スカラー

Ma、JX、Wang、ZW、Li、XW、Wang、Y.、Wu、ZC 都市排水から回収された有機物を使用した微生物燃料電池による生物発電。 環境。 プログレ。 持続する。 エネルギー 33、290–297 (2014)。

CAS Google スカラー

Tiraferri, A.、Yip, NY、Phillip, WA、Schiffman, JD & Elimelech, M. 層形成と構造をサポートする薄膜複合正浸透膜の性能に関する。 J.メンバー科学。 367、340–352 (2011)。

CAS Google スカラー

McCutcheon, JR & Elimelech, M. 順浸透における水流束のモデリング: 膜設計の改善への影響。 AICHE J. 53、1736–1744 (2007)。

CAS Google スカラー

レイ、WCLら。 順浸透の汚れ傾向: より遅い流束減少現象の調査。 水科学テクノロジー。 61、927–936 (2010)。

CAS PubMed Google Scholar

Gao、YB Wang、YN、Li、WY & Tang、CY 順浸透プロセス中の内部および外部の濃度分極の特性評価。 脱塩 338、65–73 (2014)。

CAS Google スカラー

アファ。 水および廃水の検査の標準方法、第 22 版。 米国公衆衛生協会/米国水道協会/水環境連盟、米国ワシントン DC (2012)。

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この研究に対する財政的支援については、中国国立自然科学財団 (51422811) および上海ライジングスター プログラム (14QA1403800) に感謝します。

同済大学環境科学工学院、汚染制御と資源再利用の国家重点実験室、上海、200092、中国

Zhiwei Wang、Junjian Zheng、Jixu Tang、Zhichao Wu

江南大学環境土木工学院、無錫、214122、中国

王新華

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ZWW と ZCW が実験を考案し、設計しました。 JXTとJJZは実験を実施し、データを分析した。 ZWW と XHW が共同で原稿を執筆しました。

王志偉氏への対応。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Wang, Z.、Zheng, J.、Tang, J. 他低濃度の都市廃水を濃縮するためのパイロットスケールの正浸透膜システム: パフォーマンスと意義。 Sci Rep 6、21653 (2016)。 https://doi.org/10.1038/srep21653

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受信日: 2015 年 11 月 27 日

受理日: 2016 年 1 月 28 日

公開日: 2016 年 2 月 22 日

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

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