预混凝助力浸没式纳滤：有效缓解膜污染的新策略

在纳滤（NF）过程中，膜污染是一大难题。研究人员开展了浸没式纳滤处理前预混凝的研究。结果表明，聚硅酸铁（PSI）预混凝能显著减缓跨膜压力（TMP）上升，减少膜污染。该研究为解决膜污染问题提供了新方向。

　　在当今社会，随着城市化进程的加快和人口的不断增长，许多城市的饮用水源，像河流、湖泊水等，都面临着越来越严重的污染问题。水中不仅混入了大量的有机物，还出现了一些新兴污染物。这些污染物对人们的健康构成了潜在威胁，因此，保障饮用水的安全变得至关重要。

纳滤（NF）膜技术作为一种先进的分离技术，能够有效去除水中那些比其孔径（1.0 - 2.0nm）还小的污染物，比如微污染物和微塑料，在饮用水处理中发挥着重要作用。然而，传统的螺旋卷式 NF 膜在使用时，需要进行微滤（MF）或超滤（UF）等预处理，以去除大颗粒物质，防止其堵塞膜通道，降低膜表面的有机负荷。但这种预处理过程不仅成本高昂，还增加了操作的复杂性。

相比之下，浸没式 NF 处理采用平板 NF 膜，因其膜片间距较大，无需预过滤，而且可以通过物理清洗来清洁膜表面。不过，没有预过滤的情况下，膜污染问题依然严峻，大部分污染物会直接接触膜表面，导致膜污染，影响纳滤效果。

为了解决这一难题，来自国外的研究人员开展了一项关于浸没式纳滤处理前预混凝的研究。他们的研究成果发表在《Desalination》上。该研究旨在探究预混凝在浸没式 NF 处理过程中减轻膜污染的潜力，为提高浸没式 NF 处理的可行性提供新的思路和方法。

研究人员在实验中用到了几个关键技术方法。首先，他们采用了混凝优化技术，通过 jar 试验确定最佳混凝剂剂量，以达到降低原水浊度的目的。在过滤实验中，利用实验室规模的浸没式平板 NF 系统，模拟实际处理过程，对有预混凝和无预混凝的情况进行对比。同时，运用多种分析技术，如对水质量进行检测（包括测量浊度、电导率、pH、激发 - 发射矩阵荧光光谱以及溶解有机碳浓度等），对膜进行表征（利用场发射扫描电子显微镜和能量色散光谱、X 射线光电子能谱等分析膜表面的形态和元素组成），以及进行统计分析，来全面评估预混凝对膜污染和处理后水质的影响。

研究结果

1. 混凝剂优化：研究人员通过对不同坝水样本进行全混凝（快速和慢速混合以及沉淀）的 jar 试验，以浊度去除率为指标优化混凝剂剂量。实验发现，对于所有坝水样本，在混凝剂剂量为 4 - 8mg - Fe/L（FeCl₃或 PSI）时，浊度去除率能超过 95%。综合考虑，最终选择 5.0mg - Fe/L 的混凝剂剂量用于长期浸没式 NF 处理坝水，且在此剂量下无需预先调节溶液 pH。
2. 浸没式 NF 处理：对比使用 FeCl₃和 PSI 进行预混凝的浸没式 NF 处理，研究人员发现两者在跨膜压力（TMP）上升方面存在显著差异。FeCl₃预混凝虽能在一定程度上减轻膜污染，但效果相对有限。例如，经过几个过滤周期后，FeCl₃预混凝的膜 TMP 显著低于无预混凝的情况，但 TMP 仍有一定上升。而 PSI 预混凝效果则更为突出，几乎没有 TMP 的增加。在 DOC 去除方面，FeCl₃和 PSI 预混凝与无预混凝处理之间差异并不显著，这表明预混凝主要去除的是 NF 膜也能截留的较大有机物，而对于小于 NF 膜孔径的有机物去除效果不佳。
3. 膜污染和清洗的机制：研究发现，尽管 FeCl₃或 PSI 预混凝能降低大颗粒物质的浓度，但仍有污染物沉积在膜表面。通过对比有无预混凝的膜表面细菌细胞情况，发现预混凝后细胞大多被困在絮凝物中，膜表面细胞数量减少，但生物污染似乎并非 TMP 增加的主要原因。对膜污染物的化学成分分析显示，FeCl₃或 PSI 预混凝后膜表面都有铁和氧的峰值，PSI 预混凝后膜表面硅质量未增加，说明大部分硅酸盐未残留。而未预混凝的膜表面有铝和硅的峰值。推测预混凝形成的污染层具有更多孔隙，从而导致 TMP 增加较少。
4. 实际应用意义：预混凝结合浸没式 NF 处理能够减少膜污染，尤其是 PSI 预混凝在降低 TMP 增加方面表现出巨大潜力，有望实现无化学清洗。然而，预混凝后膜表面会有铁基污染物沉积，虽然目前未发现其对 NF 膜的水力阻力产生影响，但长期来看，这些无机化学物质可能会导致不可逆的无机污染。因此，需要对不同地表水进行长期评估，以明确浸没式 NF 处理结合 PSI 预混凝是否会导致 TMP 增加。此外，未来还应探索铝基混凝剂以及不同类型进水对浸没式 NF 系统膜污染缓解的影响。

研究结论与讨论

综上所述，该研究表明在浸没式 NF 处理坝水时，使用 FeCl₃或 PSI 混凝剂进行预混凝能够有效降低 TMP 的增加，尽管预混凝前后 NF 处理后的 DOC 浓度几乎相同，但预混凝能够形成大颗粒絮凝物，这些絮凝物可被 NF 膜去除。膜表征结果显示，预混凝形成的污染层含有大量铁和氧，具有更疏松多孔的结构，从而使得 TMP 增加较少。而且，无论是否进行预混凝，膜表面的污染物都能通过一次海绵擦拭清洗去除，但预混凝减少 TMP 增加意味着可以减少海绵清洗的次数。

这项研究意义重大，它为浸没式 NF 处理地表水过程中缓解膜污染提供了一种潜在的有效策略，让人们看到了预混凝技术在实际应用中的前景。不过，目前的研究只是初步探索，对于长期运行过程中可能出现的不可逆无机污染等问题，还需要进一步深入研究。只有充分了解这些潜在风险，才能更好地将预混凝技术应用于实际的饮用水处理中，确保饮用水的安全可靠，为人们的健康提供更有力的保障。