结晶流化床-超滤-反渗透组合工艺去除地下水硬度的中试研究及膜污染控制机制

针对高硬度地下水处理中反渗透(RO)膜污染与浓水管道结垢难题，陕西科研团队创新性提出结晶流化床(CrystPFB)-超滤(UF)-RO组合工艺。研究表明，CrystPFB预处理使钙离子去除率达98%，RO系统运行周期延长3-5倍，并建立CaCO3 膜面沉积模型，为双膜工艺工程应用提供关键理论支撑。

　　

在中国陕西某日处理量2万立方米的地下水厂，高硬度"380岩溶地下水"的处理长期面临严峻挑战。由于水源流经奥陶纪石灰岩溶隙，水中钙离子浓度极高，传统双膜工艺（超滤UF-反渗透RO）运行时，RO膜表面会快速形成CaCO₃
结垢，浓水管道也频繁发生堵塞，导致系统化学清洗周期缩短、运行成本激增。这一难题严重制约着膜技术在硬水地区的推广应用。

为破解这一瓶颈，来自陕西省教育厅重点科研项目团队创新性地将化学结晶循环流化床(Crystallization Pellet-fluidized Bed, CrystPFB)引入预处理环节。研究人员构建了CrystPFB-UF-RO三级组合工艺中试系统，通过氢氧化钠（100-350 mg/L）诱导钙离子结晶、盐酸调节pH（6.5-8.5）等关键技术，使软化水浊度稳定低于5 NTU。令人振奋的是，当钙离子去除率达70%时，RO系统在产水通量、膜压差和脱盐率三项关键指标达到清洗阈值前的运行时间，较直接处理原水分别延长了3.4倍、3.4倍和5.0倍。

研究采用多维度技术手段：1) 基于380岩溶地下水特征参数（硬度、碱度、温度等）的软化工艺优化；2) 通过归一化产水量、膜压降和盐透过率建立RO清洗阈值判定体系；3) 采用扫描电镜-能谱联用技术解析膜面结垢组分空间分布；4) 建立浓水结垢倾向预测模型（LSI、SDSI指数）。

Properties of softened water
实验数据显示，CrystPFB对钙离子和总硬度的去除率分别达到55-98%和40-65%，结晶效率最高达80%。盐酸投加不仅控制pH在6.5-8.5，还通过溶解悬浮物使出水浊度<5 NTU，为后续UF提供理想进水条件。

Conclusion
该研究证实CrystPFB预处理可显著延缓RO膜污染，使化学清洗频率降低66%-80%。膜表征发现结垢沿水流方向递增，主要成分为CaCO₃
。创新提出的CaCO₃
沉积动力学模型，首次实现了对组合工艺中膜污染进程的定量预测。

这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的成果具有双重突破：工程上，为高硬度地下水处理提供了经济可行的解决方案，使RO系统运行成本降低40%以上；理论上，建立的结晶-膜污染耦合模型为类似组合工艺设计提供了普适性方法。研究团队特别指出，该工艺对中国北方广泛分布的岩溶高硬水处理具有重要示范价值，其技术路线已应用于陕西多个饮用水厂改造项目。