利用海水淡化后的盐水来促进科威特内陆地区的虾类养殖

《Desalination》：Utilization of the desalination brine for enhancing inland shrimp farming in Kuwait

新型SiO?夹层松散纳滤膜（iLNF）成功实现生物质沼液中富里酸（HS）与无机盐的高效分离，水通量达147.19 LMH·bar?1，HS截留率98.07%，无机盐截留率仅5.07%，且具备长期稳定性和抗污染性。

　　膜分离技术在可持续处理和资源回收方面越来越受到重视，尤其是在处理沼气污泥这样的复杂废水时。沼气污泥作为农业废弃物处理过程中产生的副产品，其组成成分复杂，包含大量有机物质如腐殖质（HS）和氨基酸（AA），以及多种无机营养盐，如含氮（N）、磷（P）和钾（K）元素的盐类。从可持续发展的角度来看，对这些有价值成分进行分级回收和浓缩不仅有助于降低大规模排放带来的环境风险，还能够拓展其在农业和工业领域的应用价值。例如，腐殖质可以作为有机肥料，改善土壤性质并促进作物生长，而无机盐则可用于植物营养和工业用途。因此，实现沼气污泥中有机和无机成分的高效分离具有重要意义。

膜分离技术为沼气污泥中有价值物质的回收和分级提供了一个重要的平台。通常，反渗透（RO）和纳滤（NF）膜被用作浓缩沼气污泥的核心单元。这些膜由于其较小的孔径，能够有效截留腐殖质并实现对含N、P、K元素无机盐的高截留率。然而，RO和NF膜由于孔径较小，容易发生严重的膜污染问题，特别是由于大分子量的腐殖质容易堵塞膜孔并附着在膜表面，导致通透性显著下降。相比之下，微滤（MF）和超滤（UF）膜因其较大的孔径，能够允许大部分无机盐自由通过，但对小分子量的腐殖质（分子量从几百到几千）截留效果有限，因此无法有效实现腐殖质与无机盐的分离。鉴于这些技术的局限性，有必要开发一种先进的膜分离策略，以实现沼气污泥的可持续管理，并高效回收腐殖质。

松散纳滤（LNF）技术被认为是分离有机物和无机盐的一种有前景的方法，尤其适用于处理含有高浓度污染物的复杂废水，如垃圾渗滤液。这类废水通常含有大量腐殖质、氨氮等有机污染物以及多种无机盐。例如，Ye等人研究了一种LNF膜，实现了对无机离子（如Na?、K?、Cl?、NO??）的94.7%传输率和对腐殖质的95.7%截留率，从而在浓缩因子为9.6的情况下，达到了85.7%的脱盐效率和91.2%的腐殖质回收率。鉴于垃圾渗滤液和沼气污泥在成分上的相似性，我们推测LNF技术在沼气污泥中实现腐殖质与无机盐的分离具有巨大潜力。然而，目前针对这一具体应用场景的研究仍较为有限。

为了开发一种高效的LNF膜，需要确保其具备高渗透通量和良好的分离选择性。然而，基于聚合物的LNF选择层通常面临通量与选择性之间的权衡，因为它们的固有特性决定了这两个性能难以同时达到最优。近年来，通过引入中间层策略，这一权衡得到了有效突破。该策略显著提升了渗透通量，同时增强了分离选择性。多种纳米材料被广泛用于构建中间层，包括金属氧化物（如ZnO、TiO?）、金属有机框架（MOFs）以及酸性氧化物（如CaCO?、SiO?）。此外，与传统的真空过滤方法相比，原位生成中间层材料的方法更受青睐，因为它能够产生更稳定、更均匀的中间层基底。这一方法不仅提高了膜的性能，还增强了其在复杂废水处理中的适应性。

本研究开发了一种基于原位生成SiO?中间层的松散纳滤膜（iLNF），用于沼气污泥中腐殖质与无机盐的分离。该膜通过使用四乙氧基硅烷（TEOS）作为前驱体，在聚醚砜（PES）超滤膜的表面原位生成SiO?纳米颗粒，并在其上形成一层较薄的聚酯（PE）选择层。选择层的薄度和亲水性得到了充分验证。通过不同量的SiO?中间层对iLNF膜性能的影响，进行了系统的表征分析。同时，对膜的渗透性和分离性能进行了优化评估，特别是针对腐殖酸（HA，代表HS）与盐类的分离效果。最终，对优化后的iLNF膜在高盐浓度沼气污泥中的分离能力进行了全面评估。本研究提供了一种新型的腐殖质与盐类高效分离方法，为利用LNF技术实现沼气污泥中腐殖质的可持续回收提供了潜在解决方案。

为了实现这一目标，研究团队首先选择了一种实验室规模的PES超滤膜作为iLNF膜的多孔支撑层。PES膜的制备过程详见附录S1。随后，通过在PES膜表面原位生成SiO?纳米颗粒，构建了iLNF膜的中间层。这种方法不仅能够提高膜的亲水性和表面粗糙度，还能够有效减少选择层的厚度和交联度，从而改善膜的分离性能。在实验过程中，研究人员还利用葡萄糖作为水性单体，形成了具有较高亲水性的PE选择层。这一选择层的厚度和结构得到了充分优化，以确保膜在高盐浓度条件下的稳定性和高效性。

对原位生成的SiO?中间层基底进行了系统的表征分析。结果显示，与纯PES基底相比，SiO?纳米颗粒在基底表面均匀分布，没有明显的聚集现象。能量色散X射线光谱（EDS）分析进一步确认了Si元素的存在（见图S2）。随着TEOS用量的增加，更多的纳米颗粒在PES顶层及其内部形成（见图1a–c）。此外，纳米颗粒的离散分布能够增加膜表面的粗糙度，从而改善膜的亲水性和抗污染能力。这些特性使得iLNF膜在处理高盐浓度的沼气污泥时表现出优异的性能。

在性能评估方面，优化后的iLNF2膜展现出显著的优势。其水通量高达147.19 LMH·bar?1，这表明膜具有较高的渗透能力。同时，iLNF2膜对HA的截留率达到98.07%，表现出优异的有机物分离能力。然而，对混合盐类的截留率较低，仅为5.07%，这表明膜能够有效去除腐殖质，同时允许无机盐的高效透过。这一特性对于实现腐殖质与无机盐的分离至关重要。值得注意的是，即使在30 mM的高盐浓度条件下，iLNF2膜仍然能够保持高达98.17%的HA截留率，并实现97.31%的混合盐类透过率。这说明该膜在高盐环境下的稳定性和高效性得到了充分验证。

此外，iLNF2膜还表现出良好的长期稳定性和抗污染性能。这使得该膜在实际应用中具有较高的可行性，能够持续运行而不易发生性能衰减。膜的抗污染能力主要归因于其表面的亲水性和电负性增强，这有助于减少有机物和无机盐在膜表面的沉积，从而延长膜的使用寿命。同时，膜的表面粗糙度增加也有助于提高其抗污染能力，因为它能够减少污染物在膜表面的吸附和堵塞。

本研究的成果不仅为沼气污泥中腐殖质的高效回收提供了新的思路，也为LNF技术在复杂废水处理中的应用拓展了可能性。通过引入SiO?中间层，研究人员成功打破了传统膜技术中通量与选择性之间的矛盾，实现了高效分离与高通量的结合。这种创新方法为未来可持续资源回收技术的发展提供了重要的参考价值。此外，iLNF膜作为预处理步骤，能够有效减少后续纳滤（NF）或反渗透（RO）过程中的膜污染问题，从而提高整个处理流程的效率和可持续性。

在实际应用中，这种新型iLNF膜具有广阔的前景。首先，它能够提高沼气污泥处理的整体效率，使有机物和无机盐的回收更加经济可行。其次，通过分离出高价值的腐殖质和无机盐，可以减少废弃物排放，降低环境影响。此外，这种技术还能够为农业和工业领域提供高质量的资源，如有机肥料和植物营养盐，从而推动循环经济的发展。最后，iLNF膜的抗污染性能和长期稳定性使其能够在复杂的实际操作环境中保持高效运行，为大规模应用提供了保障。

本研究的创新点在于首次将SiO?中间层应用于沼气污泥处理中的LNF膜设计。通过优化SiO?纳米颗粒的生成条件和膜结构，研究人员成功开发出一种具有高通量和优异分离性能的iLNF膜。这种膜不仅能够有效分离腐殖质和无机盐，还能够在高盐浓度条件下保持稳定的性能，从而满足实际应用的需求。此外，研究团队还通过系统的表征分析，验证了膜的结构和性能变化，为后续研究提供了理论依据和实验数据支持。

综上所述，本研究为沼气污泥中腐殖质的可持续回收提供了一种可行的技术路径。通过引入SiO?中间层，研究人员不仅提升了膜的性能，还克服了传统膜技术的局限性。这一成果为未来在复杂废水处理中应用LNF技术提供了重要的参考价值，同时也为实现资源的高效利用和环境保护目标做出了积极贡献。