絮凝器类型对饮用水生产中连续在线混凝（C-IN）低压膜（LPM）预处理的影响：膜污染、絮体特性与有机物去除

《Separation and Purification Technology》：Impact of flocculator type on continuous inline coagulation for low-pressure membrane pretreatment in drinking water production

　　

膜污染（membrane fouling）受在线混合器配置选择显著影响。混凝（coagulation）+絮凝（flocculation）相比单独混凝或单独絮凝可降低污染。低浓度的大尺寸、不规则形状絮体（flocs）可降低污染潜力（fouling potential）。停留时间（residence time）和水力条件（hydrodynamic condition）支配螺旋絮凝器（helical flocculator）性能。絮凝器类型和停留时间对有机物（organics）去除没有影响。

研究背景：低压膜（low-pressure membranes, LPMs）在饮用水生产中具优势，但易受天然有机物（natural organic matter, NOM）污染，导致产水率下降。混凝（coagulation）是常用预处理；常规混凝-絮凝-沉淀有效但占地与流程复杂；在线混凝（inline coagulation, C-IN）因小占地和工艺简化成为常见策略。C-IN性能取决于膜表面截留絮体形成滤饼层的性质，滤饼层保留絮体聚集体特性。已有模型表明絮体尺寸和三维分形维数（D_f）影响比滤饼阻力；大而疏松絮体常降低阻力。混合条件、快速混合（rapid mixing, RM）有无和絮凝器类型可改变絮体形成，但不同絮凝器类型对下游LPM污染影响不清，尤其螺旋盘管絮凝器（helically coiled tube flocculators, HCTFs）研究有限，且文献直接比较时可能未考虑絮体性质差异。因此，Joseph D. Ladouceur、Roberto M. Narbaitz、Christopher Q. Lan 开展研究，目标为：考察RM加入是否改变絮体性质与LPM污染；比较不同絮凝器类型对污染影响；评估HCTF及其几何对絮体性质和LPM污染的作用。该研究首次直接比较连续流C-IN中RM与RM+絮凝对不同连续流水力絮凝器（含螺旋絮凝器）的絮体性质和下游LPM污染，为混合配置选择提供依据。

关键技术方法：研究采用合成水（含腐殖酸、牛血清白蛋白、海藻酸钠、高岭土、CaCl₂、NaHCO₃）模拟NOM与无机背景。使用管式多通道（TMC）聚醚砜膜，分子量截留约100 kDa，纯水渗透率700–1000 L m^?2 h^?1 bar^?1。恒通量80 L m^?2 h^?1，每30 min过滤后2 min反洗（300 L m^?2 h^?1）。铝盐3 mg-Al L^?1，pH 6。构建小型在线快速混合器；絮凝器包括直管对照、管内静态混合器（ISM）和多种HCTFs（HF-1000-?、HF-2000-?、HF-3000-?、HF-1000-?、HF-2000-?），并与批次反应器比较。用图像分析等效圆直径（ECD）、浓度、周长基分形维数（D_p）、圆形度；由跨膜压差计算水力可逆污染速率（FR_hr）、水力不可逆污染速率（FR_hirr）；测定浊度、色度和UV₂₅₄。

研究结果：
3.1 连续流台式在线快速混合器验证：通过对比RM、FLOCC及不同絮凝器下絮体性质，研究人员发现RM+FLOCC较FLOCC显著增大絮体ECD；对对照、ISM、HF-1000-?，RM+FLOCC降低絮体浓度和D_p，形成更密实絮体；HF-2000-?的浓度和D_p在RM前后95%置信区间重叠，但ECD增大，提示RM增加初级颗粒数。FLOCC-only时HF-2000-?最密实、ISM最松散；RM+FLOCC时D_p不依赖絮凝器类型，说明RM主导絮体密实度。RM改善混凝剂分散，形成更大、固含量更高絮体；在扫拂絮凝机制下RM重要性低于吸附/电中和机制。
3.2 替代混合类型下LPM污染比较：日周期过滤显示FR_hirr低且不显著，FR_hr主导（>94.83%）。与直接过滤相比，C-IN降低污染；批次混凝FR_hr最低，连续流配置较高。连续流中RM+FLOCC较FLOCC-only和RM-only显著降低FR_hr。絮体性质关系显示，FR_hr随ECD增大和圆形度降低而降低，随絮体浓度升高而升高；低浓度大而不规则絮体污染潜力低。
3.3 HCTF性质对RM+FLOCC下LPM污染影响：通过不同长度和管径HCTF，FR_hr随絮体尺寸增大、圆形度降低而降低。增大管径形成更小更圆絮体，提高FR_hr；增加管长形成更大、低圆形度絮体，降低FR_hr，对3.175 mm管径更明显。小口径HCTF的迪恩数（D_e）约8.11、雷诺数（Re）约33.32、速度梯度（G）约17.8 s^?1处于较优范围；较大管径的D_e约5.57、G约2.22 s^?1，混合较差。固定几何变HRT时，FR_hr呈单峰：2→4 min由22.57降至14.43 mBar h^?1，5.22 min升至25.52 mBar h^?1；ECD在4 min最大。说明存在最优HRT，可能源于中心低剪切聚集和壁面高剪切破碎平衡。
3.4 处理水质：通过水质指标测定，直接过滤与多数C-IN对浊度去除的95%置信区间重叠，因有机物经0.45 μm预过滤、颗粒主要为高岭土。直接过滤UV₂₅₄去除44.38%，真色去除53.44%，表色去除75.3%。C-IN较直接过滤改善有机物去除，但不同混合配置、RM有无、絮凝器类型及HRT对四项水质指标去除无统计差异；去除主要取决于混凝化学（剂量、pH、Al³⁺/DOC比值）。合成水可能高估自然水中的有机物去除。
3.5 工程意义：研究指出无标准化台式测试方法，混合配置显著影响絮体和膜性能。连续流虽比批次污染高，但更代表全尺度水力条件。研究人员开发并验证连续流在线快速混合器，建议未来台式研究纳入RM。HF-2000-?表现好，Re约33、G约18 s^?1、HRT约4 min，可作基准。HCTF简单便宜且具强二次流。建议至少报告RM有无、强度与HRT、流量、絮凝器几何与类型。可逆污染评估需中空纤维膜、至少1天、充分反洗、亚临界通量；不可逆污染需加速污染测试。

讨论与结论：讨论部分强调，混合配置对C-IN-LPM系统比较很重要，可能混淆文献间差异；可通过优化混合配置形成低污染倾向絮体，而不损害有机物去除。但研究使用合成水和日周期实验，无法量化水力不可逆污染，需自然水、长期中试或更长台式试验验证。结论部分翻译如下：1. 最重要贡献是开发新型小型在线快速混合器和混凝剂投加系统，使连续流C-IN LPM测试无需过大流量和水体积。2. 使用该快速混合器确认RM重要性；对四种絮凝器，RM+FLOCC较FLOCC-only显著增大絮体尺寸；RM+FLOCC下絮体密实度不受絮凝器类型影响，而受RM存在控制。3. 水力可逆LPM污染受C-IN混合配置强影响；批次混凝污染率最低，连续流C-IN较高；连续流中RM+FLOCC较单独RM或单独絮凝降低污染；混合配置差异可能混淆跨研究比较，解释污染结果时必须考虑混合条件。4. HCTF在台式连续流絮凝中有效；RM+HF-2000-?产生最大絮体和最低FR_hr，是有前景的连续流C-IN模拟配置，避免现有设计大原水需求限制。5. HCTF性能受水动力条件和HRT支配；较大管径HCTF在次优水动力条件（Re=16.7）下增加HRT对絮体聚集和污染降低有限；较小管径HCTF在Re=33.3、HRT 2–5.22 min变化时，ECD先增后降，浓度和圆形度反向变化，单峰可能与絮体与管壁高剪切区相互作用增强有关。6. 在基于zeta电位瓶试验最优条件下，整体C-IN-LPM系统对 bulk organic WQIs 去除不受混合配置影响，包括絮凝器类型和RM有无，表明可优化混合配置产生低污染倾向絮体而不损害水质；但这些结果属扫拂絮凝条件，其效果对混合相对不敏感，在亚优混凝化学和低剂量下混合配置影响可能更明显。最终，混合配置选择对C-IN-LPM系统LPM性能重要；未来研究需考虑实验设计偏差，文献解释需考虑混合策略；合成水限制需自然水验证；日周期无法量化不可逆污染，需长期中试或更长台式测试。作者：Joseph D. Ladouceur、Roberto M. Narbaitz、Christopher Q. Lan。