用于减轻二次出水膜污染的VUV激活过氧化物预处理：性能与机理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：VUV-Activated Periodate Pretreatment for Membrane Fouling Mitigation in Secondary Effluent: Performance and Mechanisms

　　

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  提出了使用真空紫外/过氧化物（VUV/PI）对二次处理水进行预处理的方法。
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  VUV/PI氧化预处理使二次处理水中的溶解有机碳（DOC）去除率达到48%。
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  VUV/PI预处理使超滤膜的通量提高了82.8%。
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  VUV/PI通过降低污染物浓度和附着性减轻了膜表面污染。
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  ^•在VUV/PI过程中，^OH, ¹O₂和O₃是降解BPA的主要活性物质。

引言

废水处理厂的二次处理水质量稳定且数量充足，使其成为再利用水的重要来源[1]。然而，二次处理水中通常含有溶解有机物质（DOM）、病原体和微量污染物，这些因素限制了其在农业、工业或饮用领域的直接再利用[2]。因此，需要进一步对二次处理水进行高级处理以确保再生水的安全性。超滤（UF）技术能够有效去除微生物、藻类和大分子有机化合物。与纳滤和反渗透相比，UF具有较低的资本和运营成本，已成为全球范围内广泛应用的再生水核心处理技术[3][4]。不过，由有机物质引起的膜污染仍然是其应用的关键瓶颈[5]。这些污染物会在膜表面逐渐积累形成膜结层，或者渗透到膜孔中导致孔隙堵塞，从而降低处理效率并缩短膜使用寿命，限制了UF技术的进一步普及[6][7]。为了减轻膜污染，已经研究了多种预处理方法，包括混凝、吸附和高级氧化工艺（AOPs）[8][9]。作为常用的二次处理水预处理方法，混凝-沉淀技术能够有效去除悬浮固体和总磷，但在去除个人护理产品和药品等新兴污染物方面效果不佳[10]。相比之下，AOPs因其能够降解顽固的有机污染物并改变DOM的性质而受到越来越多的关注，从而降低污染风险[11]。

真空紫外（VUV，λ<200 nm）照射作为一种有前途的AOP技术，可以产生高能量的光子（647 kJ/mol）[12]。与传统紫外光（λ=254 nm）不同，VUV可以直接光解水分子生成羟基自由基（^•OH），并与O₂反应生成O₃作为水处理氧化剂，从而更有效地降解有机污染物[13][14][15]。VUV还能提高废物的生物降解性，并比紫外光更快地降解芳香族化合物[16]。单独使用VUV预处理在减轻膜污染方面的效果甚至优于某些紫外光联合处理方法[17]。然而，高能光子大部分被水和水中的溶解氧消耗掉，加之水光解产生的自由基量有限，因此仅依靠VUV光解产生的ROS难以有效去除顽固的有机污染物。因此，通常需要将VUV处理与外加氧化剂结合使用[18][19]。最近的研究表明，基于VUV的系统在治疗二次处理水方面表现出色，特别是与过氧化氢（H₂O₂）和过氧单硫酸盐（PMS）等氧化剂结合使用时[20][21]。不过，使用H₂O₂可能会产生无法控制的副产物[22]，而PMS的使用往往需要超过理论化学计量的氧化剂，因为自由基会发生自淬灭反应[23][24]。

过氧化物（PI）传统上被用作有机合成和改性的多功能试剂[25]。近年来，由于其无毒的转化产物，其在环境修复等领域的应用范围不断扩大[26][27]。PI具有深度矿化典型污染物的能力，能够降解顽固的有机污染物并降低环境风险[28][29]。此外，由于在常温条件下化学性质稳定，PI具有良好的运输和储存性能，在实际水处理场景中具有广泛的应用前景。然而，单独使用PI的降解效率相对较低，这限制了其在处理高浓度或复杂废水中的实际应用。因此，需要采用多种活化策略来增强其氧化能力，包括光催化（紫外光和可见光）、超声波以及过渡金属和过渡金属氧化物的活化[30]。先前的研究表明，PI在254 nm和222 nm的紫外光下会发生均裂反应，生成高活性的自由基，如过氧酸盐自由基（IO₄^•-）、碘酸盐自由基（IO₃^•-）和其他ROS（如^•OH）[31][32]。这些活性物质具有较强的氧化能力，可以积极参与降解过程，加速污染物去除。VUV结合了185 nm和254 nm的紫外波长，具有更高的光子能量，有助于增强PI的光解和电子转移[21]。因此，我们推测PI也可以在VUV照射下被活化，但这方面的研究仍不完善。如果将PI与VUV照射结合用作二次处理水的预处理方法，有望有效减轻后续高级处理过程中的膜污染。

本研究探讨了将VUV活化的PI作为UF预处理方法在二次处理水联合处理中的应用。研究目标包括：（1）研究VUV/PI作为膜预处理技术的潜力；（2）评估预氧化对膜性能的影响；（3）阐明减轻膜污染的内在机制。通过实现这些目标，本研究有望为优化UF系统以回收废水提供机制上的见解，并进一步推动可持续水处理技术的发展。

章节片段

实验材料

褐藻酸（HA，≥90%）、双酚A（BPA，>99.0%）和L-组氨酸（L-his）购自中国上海的Macklin试剂公司。牛血清白蛋白（BSA，≥98%）购自中国湖南的Huibai试剂公司。过氧化钠（NaIO₄，90%）、硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃，>98.5%）、二碘甲烷（CH₂I₂，98%）、甘油（GL，99%）、异丙醇（IPA，25-28%）、叔丁醇（TBA，≥99.5%）、肉桂酸（CA）、4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶（TEMP，>98%）、二甲基亚砜（DMSO，>99%）等试剂均购自相关公司。

水质特性的变化

为了研究水质特性的变化，通过测量UV₂₅₄、DOC和SUVA来分析水样。EfOM包含复杂的和难以降解的成分，这些成分容易在后续处理过程中引发膜污染。选择褐藻酸（HA）、牛血清白蛋白（BSA）及其混合物作为实验中的模型污染物。其中，HA代表二次处理水中典型的腐殖质物质，而BSA代表蛋白质；两者的混合物用于模拟

结论

本文研究了VUV/PI氧化对减轻UF膜污染的效果，主要结果总结如下： （1）VUV/PI预处理降低了二次处理水中荧光组分的总含量，DOC去除率达到48%。预处理使J/J₀值从0.29提高至0.53，相应的总污染阻力降低了60%。污染物的减少和膜上沉积物的松散延缓了过滤器的形成

作者贡献声明

王志辉：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、资金协调、数据管理。 马瑞：实验设计、数据分析、概念构思。 王亚涵：撰写 – 初稿撰写、实验设计、数据管理、概念构思。 程晓翔：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金协调、数据管理。 杨涛：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、方法设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2026QB14, ZR2025QC1146）和济南市-学校融合发展项目（JNSX2025024）的共同支持。

作者：程晓翔 | 王亚涵 | 王志辉 | 杨涛