2050年全球人口預(yù)計(jì)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再增加23億，這意味著全球農(nóng)業(yè)化肥消耗將年均增加約4%。然而，目前化肥的生產(chǎn)主要是基于不可再生資源的消耗，如磷肥的生產(chǎn)將在2030年達(dá)到頂峰，隨后磷礦資源將被逐步耗盡。有研究估算，人類生產(chǎn)生活過程中消耗的化肥，其中30%的氮和16%的磷最終會(huì)進(jìn)入污水系統(tǒng)。
目前污水處理是一個(gè)相對(duì)高能耗的過程。美國污水處理占全美用電量的4%。污水處理中77%的能耗出現(xiàn)在活性污泥法的硝化過程，去除每公斤氮大約消耗45MJ的能量，而且這些氮也僅僅是被轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖绯?。傳統(tǒng)的脫氮工藝除了能耗高以外，還會(huì)加劇溫室效應(yīng)，處理每立方污水約會(huì)產(chǎn)生0.9Kg二氧化碳。因此，從污水中回收營養(yǎng)物質(zhì)有著相當(dāng)重大的環(huán)境和能源效益。
以鳥糞石(MgNH4PO4.6H2O)沉淀的形式從污水中回收營養(yǎng)鹽已被廣泛接受。以往的研究已經(jīng)表明可以從污水系統(tǒng)、污泥消化液、以及尿液中以鳥糞石的形式回收氮和磷，但該工藝存在兩大挑戰(zhàn)：
1、磷濃度是限制因素
有研究表明，如果想要有效形成鳥糞石，磷的濃度需要在100mg/L以上。磷濃度低將減少磷的回收率(小于40%)和增長鳥糞石沉淀的形成時(shí)間。然而，一般來說，污水系統(tǒng)和污泥消化液中的磷濃度通常分別為6mg/L和56mg/L。
2、重金屬和新型污染物
污水中的重金屬和新型污染物也會(huì)影響鳥糞石的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，部分鳥糞石產(chǎn)品中砷含量高達(dá)570mg/kg，這將顯著影響鳥糞石后續(xù)的土地利用。
利用一些選擇性更佳的技術(shù)，可以提高回收產(chǎn)品的質(zhì)量。如通過膜蒸餾可以將污水中的氨氮回收成為10%的氨溶液;利用電滲析技術(shù)可以將污水中的磷回收為磷酸。納濾(NF)和反滲透(RO)技術(shù)可以回收污水中的氨氮、磷、鉀等資源，但由于工藝是基于壓力驅(qū)動(dòng)，膜污染往往很難避免。基于以上各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析，在這里總結(jié)了正滲透(FO)，膜蒸餾(MD)，電滲析(ED)及其組合工藝在污水資源回收方面的研究進(jìn)展。
正滲透（ForwardOsmosis）
基于滲透壓驅(qū)動(dòng)機(jī)制的正滲透膜比傳統(tǒng)依靠壓力驅(qū)動(dòng)的膜更能有效抵抗膜污染。因此，正滲透技術(shù)能在高濃度的處理液中應(yīng)用，如厭氧污泥消化液等。研究人員Xie等對(duì)正滲透回收營養(yǎng)鹽做了概念設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。當(dāng)使用MgCl2作為汲取液(Drawsolution)時(shí)，在母液(FeedSolution)中添加Mg離子，促成鳥糞石沉淀形成。
該過程能夠?qū)⒛敢河行舛仍黾?倍，使氨氮和磷分別達(dá)到1210mg/L和615mg/L。母液中添加的鎂離子來自于汲取液，因此MgCl2作為汲取液不僅能夠提供滲透壓推動(dòng)力，而且能有效形成營養(yǎng)鹽沉淀。研究表明，當(dāng)使用海水作為汲取液處理污水時(shí)，理論上不僅能夠回收93%的水，還可以將市政污水中的氮和磷濃縮十倍。
膜蒸餾（MembraneDistillation）
膜蒸餾(MD)是利用低效熱源驅(qū)動(dòng)，通過物質(zhì)不同蒸汽壓的特性，以疏水性膜達(dá)到分離目的的工藝。膜蒸餾可以完全排斥待處理液中的非揮發(fā)性成分通過膜。鑒于該特性，膜蒸餾能夠有效濃縮待處理液中的鉀、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，為后續(xù)的進(jìn)一步分離提供便利。
氨的揮發(fā)性高于水，因此可以通過膜蒸餾工藝在膜后濃縮氨。有研究表明，膜蒸餾工藝的氨回收率可高達(dá)96%。但有些時(shí)候，水中的揮發(fā)性脂肪酸及其它有機(jī)組成也可以同時(shí)通過膜，這將會(huì)影響后續(xù)回收氮肥的質(zhì)量。水中溶解性有機(jī)物的存在，也會(huì)造成膜污染方面的挑戰(zhàn)。
電滲析（Electrodialysis）
利用離子交換膜的電滲析(ED)技術(shù)，能有效選擇性回收污水中的營養(yǎng)鹽。Zhang等的研究表明，利用電滲析，可以將污水中的磷濃縮7倍。營養(yǎng)鹽回收的效率和產(chǎn)品的純度可以通過雙極性膜的應(yīng)用而得到大幅提高。而在使用過程中，離子交換膜的膜污染也是需要關(guān)注的問題。不同于傳統(tǒng)的膜，離子交換膜的污染和膜極性有很大關(guān)系。
組合工藝
研究人員Xie等利用正滲透--膜蒸餾組合工藝。通過正滲透濃縮污泥消化液中的氮和磷，并進(jìn)一步形成鳥糞石;膜蒸餾用于正滲透汲取液的回收，并從污泥消化濃縮液中回收水。
Qiu等人的研究表明FO-MBR工藝(利用正滲透膜的MBR工藝)，在使用MgCl2為作為汲取液時(shí)，通過磷酸鈣沉淀的形式可回收污水中95%的磷，并能從海水濃水中回收90%的磷。
Mondor等人研究了電滲透-反滲透組合工藝。先通過陽離子膜的電滲透工藝，富集水中的氨離子，再通過反滲透工藝進(jìn)一步濃縮，最終回收氨溶液的濃度可高達(dá)13g/L。
