废水处理及回用是实现水资源可持续供给和水环境保护的重要保障,且膜分离是关键的废水处理技术之一。基于正渗透(forward osmosis,FO)的废水处理技术具有出水水质好、能耗低等优点,近年来得到了迅速发展。然而,该技术的实际应用仍面临诸多挑战。其中两个重要的限制因素是(1)FO膜对离子的高截留率以及汲取液离子的反扩散造成进料液中盐度不断积累,从而导致膜两侧渗透压差和水通量下降;(2)盐的累积会加剧膜污染,而膜污染会进一步影响有效渗透压差。盐累积与膜污染紧密关联,严重降低了FO废水处理系统的运行效率和稳定性。然而,目前对该体系中盐累积和膜污染的根本特征和相互作用规律仍缺乏深入了解,也缺少有效的调控方法。因此,本文针对正渗透废水处理体系中盐累积和膜污染这两个瓶颈问题,从盐度的生物效应、膜污染与盐累积的特征和相互作用规律、调控方法与机制等几个方面开展了基础性的研究工作,以期为正渗透废水处理技术的优化和实际应用奠定理论基础。1、研究了盐度对废水厌氧生物处理系统中微生物代谢途径及FO膜污染的影响。通过厌氧批次实验结合数学模型分析,发现盐度胁迫明显影响了微生物的碳源储存和代谢途径。盐度促使微生物产生更多胞内渗透保护剂来对抗外部高盐环境,同时降低了胞内储存物质及挥发性脂肪酸的产生,并严重抑制了产甲烷过程。构建了修正的厌氧消化模型,准确模拟了不同盐度对动态厌氧代谢过程和碳转移途径的影响。此外,盐度还会促进微生物分泌胞外聚合物,加剧FO膜的生物污染。2、揭示了 FO膜污染对盐返混过程的影响规律。建立了模拟正渗透废水处理过程的数学模型,分析了海藻酸钠膜污染过程中FO膜盐返混传质阻力和驱动力的动态变化趋势。发现膜污染可引发FO膜内部浓差极化自补偿,提升了盐返混传质驱动力,并远高于膜污染增加的传质阻力,从而加速了 FO膜盐返混过程。模型分析结果表明,膜污染造成的水力学阻力越大,水通量越低,盐返混传质驱动力自补偿效应越明显,导致盐返混通量越大。因此,需要加强对FO系统中膜污染和盐累积的有效控制。3、为了控制膜污染,制备了高性能导电FO膜并研究了其原位电化学清除生物污染的性能。通过在聚酰胺复合膜中引入碳纳米管(carbon nanotute,CNT),制备了高渗透-选择性的FO复合薄膜,其分离性能明显优于商业膜,并可有效减轻运行过程的盐累积。薄层电导率(达到635.1 S/m)和循环伏安测试结果证实了 CNT的引入提升了 FO膜的导电性能。通过施加+2.5 V直流电压0.5小时,有效清除了膜表面的生物污染(生物量去除率达95.3%),水通量恢复至未污染膜的85.0%,从而提高了 FO系统的运行效率。4、针对常规致密FO膜体系的盐累积问题,研发了一种低盐截留、低污染的大孔FO膜,全面分析了其在废水处理过程中的盐累积和膜污染特性。分别采用超滤孔径的聚丙烯腈膜和聚丙烯酸钠大分子作为大孔FO膜和汲取液。该系统不仅明显降低了废水处理过程中盐累积程度,且具有高水通量(比致密FO膜高约一个数量级)和抗污染性能。以海藻酸钠-氯化钙为污染物连续过滤运行12小时后,水通量下降比例和膜污染程度远低于致密FO膜和超滤膜。该体系有望用作反渗透废水深度处理的前处理步骤(减轻后续膜污染)以及用于正渗透膜生物反应器。