《Bioresource Technology》：New modelling approach for nitrogen transfer and water passage in gas-permeable membranes for wastewater treatment
编辑推荐：
文章推荐
为解决气体可渗透膜（GPM）在回收废水中总氨氮（TAN）时，因氨和水同时跨膜迁移导致的捕集溶液稀释、氮传递分析受限等问题，本研究提出了一种基于实验可测变量（TAN浓度、溶液体积）的新建模方法，该方法无需渗透压或化学形态数据即可准确评估氨扩散与水通量。模型在合成与实际废水中验证有效，为实际废水处理中TAN回收的模拟提供了实用工具，填补了理论传输模型与实验应用之间的空白。
论文解读
随着人类活动导致的环境活性氮输入大幅增加，富含氮的废水排放已成为水体富营养化、温室气体排放和公共卫生风险的重要驱动因素。与此同时，全球氮肥需求高度依赖能耗巨大的哈伯-博世工艺，其能源消耗占全球总量的约2%。因此，从废水中回收铵态氮具有双重意义：既能减轻环境影响，又能通过将其转化为有价值的产品（如肥料）来促进循环经济。在众多回收技术中，气体可渗透膜（Gas-permeable membrane, GPM）因其能够直接高效回收氨而成为一项极具前景的技术。这种疏水膜允许氨（NH3）通过其充满气体的纳米孔或微孔，扩散到酸性捕集溶液中，从而生产浓缩的铵盐溶液。
然而，GPM技术在实际应用中仍面临挑战，尤其是在处理成分复杂的真实废水时。一个核心难题是氨和水会同时跨膜迁移。强渗透压梯度会导致水分子通过渗透蒸馏（osmotic distillation）跨膜迁移，稀释捕集液，降低工艺效率。此外，膜润湿（membrane wetting）现象会改变传质机制，促进小溶质跨膜迁移。这些水迁移现象不仅稀释了有价值的产品，还干扰了对氮传递的分析，使得评估膜性能变得复杂。现有模型多基于渗透压估算或假设溶液体积恒定，在处理真实废水时适用性有限，因为它们通常难以获得详细的渗透压和化学形态数据。
为了更可靠地描述GPM在可变条件下的性能，并解释氨与水耦合传输的化学效应，来自巴塞罗那大学的研究团队在《Bioresource Technology》上发表了这项研究。他们旨在开发一种新型建模方法，仅使用总氨氮（TAN）浓度和溶液体积等实验可测变量，来描述氨和水在GPM中的耦合传输，从而无需化学形态数据即可准确估计TAN扩散，并捕捉水通量引起的稀释效应。该模型为获得膜本征的氨渗透性（PNH3）和模拟真实废水处理中的TAN回收提供了一个实用工具。
关键技术方法
研究团队首先配制了不同TAN浓度的合成废水，并收集了三种实际高浓度废水（包括城市固体废弃物有机组分厌氧消化上清液、酸解发酵液和动物副产品加工废水）作为实验物料。实验采用一套密封的夹套玻璃罐系统，与一个活性表面积为0.50 m2的微孔中空纤维聚丙烯膜接触器连接，在35°C恒温下运行。进料液和捕集液（初始为0.1 M H2SO4>）分别以不同流速循环，并严格控制pH值（进料pH=9，捕集pH=2）。研究人员通过改变合成废水的TAN浓度和进料-捕集体积比（ω），以及使用不同体积比处理实际废水，系统评估了氨扩散和水迁移。实验过程中定时取样，通过氨离子选择性电极法（Method 4500-NH3D）测量TAN浓度，并通过校准液位高度来精确测定溶液体积变化。
研究结果
3.1. 使用合成废水时的水与氨扩散
实验结果表明，当捕集液中TAN浓度升高导致水活度梯度增大时，水的跨膜迁移显著增加。在进料-捕集体积比为2（ω=2）的实验中，随着初始TAN浓度从2.4 g N/L增至10.6 g N/L，捕集液最终体积增幅从0%增加到149%（对应于实验A1.4）。模型成功预测了这种水通量引起的体积变化和TAN浓度动态。对于合成废水，模型估算的平均氨渗透性为1.26×10?6m/s。与整合了渗透压的TAN-H2O传输模型以及传统的恒体积模型相比，本研究提出的近似模型在拟合精度（R2>0.98）和参数估计上表现相当，但优势在于无需输入难以测定的渗透压数据。
3.2. 高浓度废水中的模型验证
模型在三种实际废水（厌氧消化上清液、酸解发酵液、动物副产品废水）中进行了验证。尽管这些废水基质成分复杂，含有高浓度的可溶性化学需氧量（sCOD）和挥发性脂肪酸（VFA），导致水迁移更为显著（捕集液体积最大可增加292%），模型依然能够准确复现TAN浓度随时间的变化曲线。对于实际废水，估算的氨渗透性值范围较宽，在0.58×10?6到 1.83×10?6m/s之间，这反映了基质组分与膜之间的相互作用。尽管如此，这个相对狭窄的分布范围证实了模型的稳健性，因为渗透性是膜的本征参数。水迁移与进料液和捕集液之间的渗透压梯度呈正相关。
3.3. 模型性能与讨论
通过对所有实验数据的拟合，证实了所提出的近似模型能够可靠地量化氨渗透性，并同时描述氨和水的传输动力学。模型的核心在于，它通过假设进料TAN浓度呈指数衰减（基于实验观察的一级传输行为），将水通量（由渗透压梯度驱动）与TAN通量解耦，从而推导出一个近似解析解。这使得模型仅依赖于易于测量的TAN浓度和溶液体积，避免了在复杂废水体系中难以准确估算的渗透压和渗透系数。该模型框架将常用的表观传质系数（Km）与更根本的膜本征氨渗透性（PNH3）通过酸碱平衡参数（μ，与pH和温度相关）联系起来，为理解不同研究间Km值差异较大而PNH3相对稳定的现象提供了合理解释。
结论与意义
本研究成功开发并验证了一种用于描述气体可渗透膜中氨与水耦合传输的新型建模方法。该模型的主要优势在于其“实验可测性”，仅需TAN浓度和溶液体积数据，无需预先知道废水的渗透压或详细化学组成，极大地增强了对真实、成分多变废水处理过程进行模拟的实用性和稳健性。研究表明，水迁移是GPM工艺中不可忽视的现象，它会显著稀释产物并影响对传质性能的解读，而本模型能够明确量化并校正这种稀释效应。模型计算得到的氨渗透性（PNH3）是膜的本征属性，其数值在不同废水基质中保持相对稳定，这为跨研究比较和膜性能评估提供了可靠指标。
这项工作的重要意义在于，它弥合了GPM的理论传输模型与实际应用之间的差距。所提出的模型为工程师和研究人员提供了一个实用工具，可用于优化GPM工艺的设计与操作（如预测回收效率和产物浓度），评估不同膜材料在处理特定废水时的性能，并更准确地解释实验数据。在循环经济和资源回收的背景下，该研究有助于推动GPM技术作为一种低能耗、有经济效益的废水氮回收方案，朝着更高效、可预测和规模化应用的方向发展。
