超滤-混凝联用处理火烧土壤渗滤液的膜污染机制与优化策略研究

本研究针对野火后土壤渗滤液对饮用水处理中膜工艺的污染问题，通过对比不同燃烧严重程度土壤渗滤液的理化特性，结合混凝-超滤(UF)工艺实验，揭示了DOM组成与膜污染的关系，并优化了铝氯羟基(ACH)混凝剂投加量。结果表明高燃烧程度渗滤液因亲水性DOM和金属-DOM复合物更易导致不可逆污染，为野火影响流域的水处理策略提供了重要依据。

　　

野火频发正深刻改变着全球森林流域的水质生态。作为60%饮用水源的森林区域，其土壤在火灾后释放的渗滤液含有大量颗粒物、重金属和溶解性有机物(DOM)，严重威胁膜法水处理工艺的稳定性。尤其令人担忧的是，不同燃烧程度土壤产生的渗滤液组分差异显著——低强度燃烧往往保留大分子芳香族化合物，而高强度燃烧则生成更多亲水性小分子DOM。这些物质如何影响超滤(UF)膜污染？如何通过混凝预处理优化工艺？这成为保障灾后饮用水安全的关键科学问题。

俄勒冈州立大学的研究团队以2022年Cedar Creek火灾后的高/低燃烧程度土壤为样本，通过实验室模拟渗滤过程，系统研究了混凝-超滤联用工艺对两类渗滤液的处理效能。研究发现，高强度燃烧土壤渗滤液虽具有更低pH(7.3)、浊度(2.4 NTU)和DOC(2.4 mg/L)，但其DOM的SUVA₂₅₄
值(3 L/mg·m)和斜率比(S_R
=3.22)显示其富含亲水性小分子物质。这些特性导致铝氯羟基(ACH)混凝剂在30 mg/L剂量下反而加剧膜污染，而低燃烧程度渗滤液在同等剂量下可实现36% DOC去除率和41.4%污染控制提升。论文发表于《Water Research X》，为野火后水处理工艺调整提供了重要理论支撑。

关键技术方法
研究采用激光散射粒度分析仪(Partica LA-960)和三维荧光光谱(HORIBA Aqualog)表征渗滤液DOM组成；通过死端过滤系统(Millipore)在40 psi压力下进行超滤实验，结合蛋糕-标准堵塞联合模型解析污染机制；利用扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析膜表面污染物组成；采用电阻串联模型量化可逆/不可逆污染阻力。所有实验均设置重复组，数据以均值±标准差呈现。

研究结果

3.1 渗滤液水质特征
高燃烧程度渗滤液呈现红褐色，其DOM荧光图谱显示humic-like物质峰强度比低燃烧程度的黑色渗滤液低30%。特别值得注意的是，高强度燃烧使DOM分子量降低，SUVA₂₅₄
从5.2降至3 L/mg·m，这与其土壤中检测到的赤铁矿(Fe₂
O₃
)含量升高相关。这种矿物相变提示长时间燃烧可能通过铁氧化物催化作用改变DOM结构。

3.2 混凝工艺效能
ACH对低燃烧程度渗滤液的DOC去除效果显著(30 mg/L时去除率36%)，但对高燃烧程度样品仅达18%。EEMs分析证实ACH能有效去除芳香族DOM(峰A/C降低50%)，而对亲水性组分作用有限。这解释了为何高燃烧程度渗滤液在ACH处理后仍保持较高膜污染潜力。

3.3 混凝剂量对UF膜污染的影响
阻力分析模型显示，高燃烧程度渗滤液在7.5 mg/L ACH时获得最佳污染控制，但不可逆污染阻力仍比低燃烧程度样品高2.3倍。SEM-EDS发现其膜面富集Fe、Al、Si元素，FTIR检出显著C-O(1032 cm^-1
)和NH₂
(1650 cm^-1
)峰，证实金属-DOM复合物和硅酸盐沉积是主要致污物。接触角测试进一步显示，处理高燃烧程度样品后的膜表面亲水性(61.6°)显著增强，这与污染物中羟基含量升高直接相关。

结论与意义
该研究首次阐明野火燃烧程度通过改变DOM特性影响膜污染机制的规律：低燃烧程度土壤渗滤液主要依靠ACH去除大分子疏水DOM控制污染；而高燃烧程度产生的亲水性小分子DOM易与金属形成稳定复合物，导致更严重的不可逆污染。这一发现对灾后水处理具有双重指导价值——对于高强度火灾区域，建议采用生物聚合物(如壳聚糖)替代传统混凝剂；同时开发针对金属-DOM复合物的专用清洗剂。研究还指出未来需通过FT-ICR-MS等先进技术进一步解析DOM分子组成，以精准预测不同火灾场景下的膜污染行为。

这项成果不仅填补了野火生态与水处理交叉领域的研究空白，更为气候变化背景下日益频发的极端火灾事件提供了应急水处理技术储备。通过建立燃烧程度-水质参数-膜污染特性的关联模型，该研究为智慧水务系统在灾后快速制定工艺方案奠定了科学基础。