各种膜技术回收污水中营养物质
2050年，全球人口预计将再增加23亿，意味着全球农业化肥消耗年增量将达到约4%。然而，目前化肥生产主要依靠不可再生资源，如磷肥的生产将于2030年达到峰值，磷矿资源将随之逐步耗尽。研究估算，人类生产生活过程中消耗的化肥，其中有30%的氮和16%的磷最终进入污水系统。目前，污水处理是相对高能耗的过程。美国污水处理占全美用电总量的4%。其中，活性污泥法的硝化过程占污水处理中77%的能耗，去除每公斤氮大约消耗45MJ能量，而且这些氮也仅是转化为氮气溢出。传统脱氮工艺除了能耗高这个缺点以外，还会加剧温室效应，处理每立方污水约产生0.9Kg二氧化碳。因此，从污水中回收营养物质有着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类物质已被广泛接受。以往研究表明，以鸟粪石的形式可以从污水系统、污泥消化液、以及尿液中回收氮和磷，但这种工艺存在两大挑战
1、限制因素：磷浓度
研究表明，若想有效形成鸟粪石，磷的浓度需在100mg/L以上。磷浓度过低，将降低磷的回收率（小于40%），延长鸟粪石沉淀的形成时间。实际情况是，污水系统和污泥消化液中的磷浓度一般分别为6mg/L和56mg/L。
2、重金属&新型污染物
在污水中，重金属和新型污染物也会影响鸟粪石的质量。部分鸟粪石产品中，砷含量高达570mg/kg，这将极大影响鸟粪石后续的土地利用。
那么，利用选择性更佳的技术，可以提高回收产品的质量。例如，通过膜蒸馏可将污水中的氨氮进行回收，成为10%的氨溶液；利用电渗析技术，可将污水中的磷回收为磷酸。纳滤和反渗透技术可以回收污水中的氨氮、磷、钾等资源，但由于工艺是依靠压力驱动，膜污染往往很难规避。基于以上优缺点分析，在此总结正渗透、膜蒸馏、电渗析及其组合工艺在污水资源回收利用方面的研究进展。
正渗透（Forward Osmosis）
相比传统依靠压力驱动的膜，基于渗透压驱动机制的正渗透膜更能有效抵抗膜污染。因此，正渗透技术能应用在高浓度的处理液中，比如厌氧污泥消化液。研究人员Xie等对正渗透回收营养盐做了概念设计及相应验证。当使用MgCl2作为汲取液时，在母液中添加Mg离子，促使形成鸟粪石沉淀。该过程能够将母液有效浓度提高5倍，氨氮和磷浓度分别达到1210mg/L和615 mg/L。母液中添加的镁离子，来自于汲取液，因此MgCl2作为汲取液既能提供渗透压推动力，还能有效形成营养盐沉淀。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，还能将市政污水中的氮和磷浓缩十倍。
膜蒸馏（Membrane Distillation）
膜蒸馏是利用低效热源驱动，通过物质不同蒸汽压的特性，用疏水性膜达到分离目的的工艺。膜蒸馏能完全阻挡待处理液中的非挥发性成分透过膜。基于该特性，膜蒸馏能有效浓缩待处理液中的钾、磷等营养物质，为后续进一步分离提供便利。氨的挥发性高于水，因此可以借助膜蒸馏工艺在膜后浓缩氨。研究表明，膜蒸馏工艺的氨回收率可高达96%。但有时候，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质量。水中存在溶解性有机物，也会造成膜污染方面的问题。
电渗析（Electrodialysis）利用离子交换膜的电渗析，能有效选择性回收污水中的营养盐。Zhang 等的研究表明，利用电渗析技术，可将污水中的磷浓缩7倍。营养盐回收率和产品纯度可借助双极性膜的应用而得到大幅提升。在使用过程中，离子交换膜的污染问题也需关注。不同于传统的膜，离子交换膜的污染和膜极性关系很大。
组合工艺
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，再进一步形成鸟粪石；膜蒸馏用于回收正渗透汲取液，同时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，同时从海水浓水中回收90%的磷。Mondor等人研究了电渗透-反渗透组合工艺。首先通过阳离子膜的电渗透工艺，富集水中氨离子，再通过反渗透工艺进一步浓缩，最终回收的氨溶液浓度可高达13g/L。
