磷酸盐对混凝-超滤-纳滤双膜工艺性能的潜在影响机制及优化策略研究

针对磷酸盐干扰混凝-超滤-纳滤(CUF-NF)系统效能的关键问题，研究人员通过铝/铁盐混凝实验结合膜过滤技术，揭示磷酸盐通过竞争"活性位点"抑制絮体形成，降低DOC去除率34.4%→14%，但使NF对THMFP/HAAFP截留率提升80%。该研究为含磷水源的双膜工艺优化提供理论依据。

　　

在水处理领域，溶解性有机物(DOM)如同水中"隐形杀手"，不仅产生异味，更是消毒副产物(DBP)的前体物质。传统混凝工艺虽能通过电荷中和、吸附架桥等机制去除部分DOM，但面对成分复杂的天然水体往往力不从心。更棘手的是，随着农业径流和工业废水排放，水体中磷酸盐浓度可达0.1-15 mg/L甚至更高，这些"不速之客"会与DOM产生微妙互动，但具体如何影响混凝-膜过滤工艺的"团队协作"？这个科学谜题直接关系到数千万吨饮用水的处理效能。

北京某研究团队在《Water Research》发表的研究，如同给水处理系统做了一次"全身体检"。通过设计严谨的混凝-超滤-纳滤(CUF-NF)实验体系，研究人员采用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)和X射线光电子能谱(XPS)等尖端技术，首次系统揭示磷酸盐在双膜工艺中的"双面角色"：既是混凝阶段的"破坏者"，又是纳滤阶段的"助攻手"。

材料与方法
研究以北京奥林匹克公园人工湖水为原水，选用FeCl₃·6H₂O和AlCl₃·6H₂O作为混凝剂，通过光散射分析(PDA)实时监测絮体生长。采用超滤(UF)和纳滤(NF)联用系统，结合三维荧光(EEM)、扫描电镜(SEM)和接触角测量等技术，全面解析磷酸盐(0-0.2 mM)对DOM去除及膜污染的影响机制。

磷酸盐对混凝的影响
当磷酸盐浓度从0升至0.2 mM时，铁盐絮体的絮凝指数暴跌56%，铝盐也下降37%。这如同在混凝"舞会"上，磷酸盐强行抢走了本该与DOM结合的金属离子"舞伴"。XPS分析显示，磷酸根(PO₄^3-)会优先占据絮体表面的活性位点，使絮体表面负电荷增加，导致电荷中和效率下降。这种"鸠占鹊巢"效应使DOC去除率从34.4%骤降至14%，尤其对高O/C比的含氧有机物去除影响显著。

纳滤阶段的逆转
令人意外的是，磷酸盐在NF阶段上演"逆袭"。当浓度达0.2 mM时，NF对DOC的去除率提升至20.2%，对三卤甲烷(THMFP)和卤乙酸(HAAFP)的生成潜能抑制超80%。FT-ICR-MS数据显示，这得益于磷酸盐促进NF膜对低分子量(LMW)有机物的截留——那些"漏网之鱼"的LMW有机物在磷酸盐存在下更易被拦截。接触角测试揭示，磷酸盐使膜污染层亲水性增强，形成"静电防护罩"般的功能层，进一步排斥带负电的DOM。

膜污染的双刃剑
SEM图像清晰显示，低浓度(<0.05 mM)磷酸盐对NF通量影响微弱，但超过此阈值后，通量下降明显。红外光谱(FTIR)在污染层中检测到磷酸酯键特征峰，证实磷酸盐参与污染层构建。这种污染层虽增加过滤阻力，但其增强的负电性和亲水性反而提升了DOM截留效率，形成独特的"以污治污"现象。

这项研究如同绘制出磷酸盐在双膜工艺中的"行为图谱"：在混凝阶段，它是抢夺活性位点的"竞争者"；在超滤环节，它是絮体生长的"抑制剂"；而在纳滤过程，却化身污染层的"改造者"。这种多面性提示水厂需根据原水磷酸盐浓度动态调整工艺参数——当磷酸盐浓度较高时，可适当增加混凝剂投加量补偿效率损失，同时利用其提升NF出水质量的特性。研究不仅为含磷水源处理提供优化思路，更开创性地揭示无机阴离子与有机污染物在膜界面的协同作用机制，为发展智能水处理技术奠定理论基础。