从污染控制到工艺经济性：高品质饮用水陶瓷膜处理工艺链的工程评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：From fouling control to process economics: Engineering assessment of a ceramic membrane treatment train for high-quality drinking water

　　

• •
  溶气气浮（DAF）预处理在短流程预处理中将浊度稳定在 6 NTU 以下。
• •
  通过原位臭氧（O₃）的降解和剪切作用减轻了膜污染。
• •
  O₃/H₂O₂-生物活性炭（BAC）处理使纳滤（NF）浓水排放中的氨氮（NH₃-N）符合标准。
• •
  浸没式膜耐受进水波动，而管式膜更易于致密化。

引言

地表水是全局饮用水供应的主要来源。然而，由于极端降水事件、藻华和人为污染物输入导致的原水水质波动加剧，已大幅增加饮用水处理的挑战[1], [2], [3]。传统的饮用水处理工艺，包括混凝、沉淀、过滤和消毒，能有效去除悬浮颗粒和胶体物质。然而，它们对低分子量天然有机物（NOM）、微量有机污染物和无机离子的去除效率仍然有限，特别是在水质波动条件下[4], [5]。随着饮用水水质标准的日益严格，仅靠传统处理工艺已不足以确保生产高质量的饮用水[6], [7]。因此，高级处理技术已成为传统工艺的重要补充[8], [9], [10]。在这些技术中，膜分离因其基于物理筛分机制的高分离效率、稳定的出水质量和高度自动化的操作，已成为高级饮用水处理的关键技术之一[11], [12]。

纳滤（NF）作为一种经典的膜工艺，能有效去除约 90% 的 NOM 同时保留有益的矿物离子，适用于高质量饮用水生产[13]。然而，进水中颗粒、NOM、无机离子和藻类衍生物质的积聚很容易诱发 NF 膜孔堵塞和污染[14], [15]。因此，针对颗粒污染物的预处理策略被认为是减轻 NF 膜污染的有效途径。超滤（UF）因其优异的去除悬浮固体、胶体和微生物的能力，正越来越多地被用作 NF 的预处理工艺，从而减少进入 NF 系统的颗粒污染负荷。UF 和 NF 的集成代表了基于膜的饮用水处理的重要进展。Kim 等人[16]报道，UF-NF 工艺是去除亲水性 NOM 和潜在消毒副产物（DBP）最有效的技术之一，而后续研究进一步证实了双膜工艺在高级饮用水处理中的潜力[17]。

与传统聚合物膜相比，陶瓷膜具有高强度、耐化学性、热稳定性和耐受强氧化剂的特性，使其在苛刻操作条件下的水处理中特别具有吸引力[18], [19], [20]。陶瓷 UF 系统可以在不同的膜配置和过滤模式下运行。管式陶瓷膜通常在压力驱动过滤系统中运行，而浸没式平板陶瓷膜提供了一种替代配置，其中膜组件直接浸入进水中[21], [22]。这些膜配置和水力操作上的差异可能导致不同的运行特性和系统要求，使膜配置成为陶瓷 UF 工艺选择中的重要考虑因素。尽管如此，膜污染仍然是陶瓷 UF 运行的主要制约因素。有机物和其他污染物在膜表面和膜孔内的积聚可增加跨膜压差（TMP），降低渗透性，缩短过滤周期，并增加物理和化学清洗的频率。因此，已研究了各种预处理和污染控制策略以维持陶瓷膜性能。

陶瓷膜的强抗氧化性使得膜过滤与氧化工艺的集成成为可能。特别是，据报道原位或原位臭氧化可以通过改变有机污染物并减少其在膜内或膜上的积聚来减轻陶瓷膜污染[23], [24], [25]。基于氯的氧化也广泛应用于膜系统中进行污染控制和膜清洗[26]。先前的研究证明了氧化辅助陶瓷膜过滤的有效性，并主要集中在阐明污染机制、优化氧化剂投加策略、开发催化陶瓷膜或提高特定污染物去除率方面。然而，相比之下，人们对原位氧化作为集成陶瓷 UF-NF 饮用水处理工艺流程中运行增强策略的作用关注较少。特别是，仍需对氧化辅助陶瓷 UF 运行、下游 NF 处理性能、产品水质量和工程考虑因素进行同时评估，以评估此类短流程处理工艺流程的实际适用性。

因此，本研究评估了在实用原水条件下用于饮用水生产的陶瓷 UF-NF 短流程处理工艺流程的工程性能，特别关注原位氧化在维持陶瓷 UF 运行中的作用。研究了两种具有不同膜配置和氧化辅助运行策略的陶瓷 UF 系统，以表征其各自的过滤性能和工程特性。进一步评估了下游 NF 系统的性能，包括运行行为和产品水质。还评估了浓水处理和运行成本，以提供更全面地评估陶瓷 UF-NF 处理工艺流程的工程适用性。研究结果为陶瓷 UF-NF 短流程系统用于高质量饮用水生产的设计和运行提供了实践证据。

章节摘要

中试规模系统与运行条件

在中国浙江省海盐县天鲜河水处理厂建立了一套中试规模陶瓷超滤 - 纳滤（UF-NF）处理系统，作为拟建海盐第二水厂（南水厂）预设计评估的一部分。该中试系统设计用于评估在实用原水条件下陶瓷 UF-NF 短流程处理工艺流程的处理性能和运行可行性，并提供

预处理性能

图 1 展示了水处理厂混凝、沉淀和溶气气浮（DAF）处理前后原水的浊度去除性能。如图 1a 所示，在 28 天的运行期间，原水浊度在 22.20 至 156.00 NTU 之间波动。混凝表现出一定的浊度去除能力。有趣的是，混凝的去除效率随浊度增加而增加（图 S4）。这一现象可以是

结论

超滤 - 纳滤（UF-NF）双膜工艺因其优异的污染物截留能力而被广泛应用于高级水处理；然而，膜污染仍然是长期运行的主要限制因素。在本研究中，开发并通过中试运行评估了一种原位氧化辅助的 UF-NF 双膜工艺，以调查其污染控制能力、膜运行稳定性和整体处理性能。该

CRediT 作者贡献声明

梁嘉伟：可视化，调查。邹云婷：可视化，调查，数据整理。熊长学：初稿撰写，数据整理，概念构思。王合松：审阅与编辑，资金获取，概念构思。张翰：项目管理。杨家轩：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢

本研究由哈尔滨工业大学城市水过程与水资源利用国家重点实验室开放基金项目（编号：MS202631）和黑龙江省优秀资助计划（编号：LJYXLZR2025-042）共同支持。

熊长学 | 邹云婷 | 梁嘉伟 | 杨家轩 | 张翰 | 王合松