污水二次出水反渗透膜污染特征解析与污染控制策略研究

《Environmental Technology & Innovation》：Membrane autopsy for fouling mitigation in reverse osmosis process of wastewater secondary effluent in a sewer mining plant

本研究针对污水回用反渗透(RO)系统膜污染严重问题，通过膜解剖分析揭示了污染物空间分布规律，发现首端膜元件TOC、Si、Al污染物覆盖密度分别为末端元件的1.6、1.7和7.6倍，证实酸-碱联合清洗策略的必要性，为优化RO系统运行提供重要依据。

　　

在全球水资源日益紧缺的背景下，污水回用技术成为解决水资源短缺的重要途径。其中，"下水道采矿"(sewer mining)技术通过直接从下水道提取污水进行现场处理和回用，为分散式淡水回收提供了一种创新解决方案。在这一技术体系中，反渗透(RO)工艺凭借其卓越的脱盐能力和污染物去除效果，成为生产高品质再生水的核心环节。然而，膜污染问题始终是制约RO技术在下水道采矿应用中广泛推广的主要瓶颈，它会导致产水通量下降、运行压力升高、化学清洗频繁和膜寿命缩短等一系列问题。

近日发表在《Environmental Technology》上的研究论文《Membrane autopsy for fouling mitigation in reverse osmosis process of wastewater secondary effluent in a sewer mining plant》对这一问题进行了深入探讨。该研究通过对澳大利亚悉尼某下水道采矿厂中实际运行的RO膜元件进行系统解剖分析，揭示了污水二次出水RO处理过程中膜污染的特有规律，为优化膜污染控制策略提供了重要科学依据。

研究人员采用膜解剖(membrane autopsy)方法，对运行5年的RO膜元件进行了解析研究。关键技术方法包括：扫描电子显微镜(SEM)观察膜表面形貌，能量色散X-ray光谱(EDX)分析污染物元素组成，酸/碱提取结合总有机碳(TOC)分析和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定污染物组成。研究样本来自实际运行的下水道采矿厂，该厂采用膜生物反应器(MBR)作为RO的前处理工艺。

3.1. 膜更换前RO膜性能

在膜更换前，RO系统虽然能够产出电导率约36μS/cm的高品质再生水，但第一阶段的压差高达21kPa，表明存在严重的不可逆膜污染。更换新膜后，压差降至16kPa，产水电导率稳定在15μS/cm左右，证实了膜污染对系统性能的显著影响。

3.2. 污染膜视觉观察

肉眼观察显示，膜元件外部特别是头部位置存在粘滑的有机和生物污染层，即使经过15分钟渗透水冲洗后，膜表面仍残留大量污染物，这些污染物增加了水透过膜的阻力，导致操作压差升高。

3.3. 污染特征分析

SEM图像显示污染层由无机垢、有机物和微生物组成，分布不均匀。图4A呈现了致密的凝胶层和颗粒物，表明存在由微生物群落产生的胞外聚合物(EPS)。图4B展示了由有机和无机化合物组成的复杂颗粒层，其边缘形态表明污染物组成的多样性。值得注意的是，图4D中发现了硅藻骨架结构，这一现象在以往的RO膜污染研究中很少报道，可能表明MBR系统存在膜泄漏或原水中含有径流水或海水。

EDX光谱证实了污染层中有机和无机成分共存，铝、铁等无机成分以及显著的碳信号，反映了污染物组成的复杂性。酸/碱提取分析进一步量化了污染物组成，碱提取液中TOC浓度显著高于酸提取液，表明NaOH通过水解作用更有效地溶解了有机污染物。硅酸盐在酸提取中未被检测到，但在碱提取中显示出很高的覆盖密度。

特别值得注意的是污染物在膜系统中的空间分布规律：第一个膜元件的TOC、Si和Al污染物覆盖密度分别是最后一个膜元件的1.6、1.7和7.6倍。这种空间变异与水流分布规律一致，第一个膜元件处理的水量占比(40-50%)远高于最后一个膜元件(10-20%)。而最后一个膜元件中钙和铁的较高覆盖密度可能与浓度极化效应有关。

该研究系统揭示了下水道采矿中RO膜污染的特有规律，明确了污染物沿膜系统的空间分布特征。研究发现污染层由复杂的有机和无机成分组成，可能存在生物膜形成，证实了多种污染机制的共同作用。污染物提取分析显示各膜元件位置的有机和元素组成存在差异，强调了定制化清洗策略和预处理的重要性。这些结果证明了顺序酸-碱化学清洗(CIP)协议去除多种污染物类型的必要性，强调了通过优化预处理和CIP方案来改进RO系统可靠性和成本效益的重要性。

这项研究不仅丰富了对污水回用RO膜污染机制的理解，而且为实际工程中膜污染控制策略的制定提供了具体指导，对推进下水道采矿技术的可持续发展具有重要意义。特别是在自动化、无人值守的下水道采矿厂中，优化预处理和化学清洗方案对提高RO系统运行可靠性具有重要价值。