《Separation and Purification Technology》：Integrating coagulation and submerged nanofiltration for achieving low-energy drinking water treatment
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本研究评估了聚铝氯化物（PACl）预处理对浸没式平片纳滤膜系统污染抑制的效果，测试了快速混合+慢混合与快速混合单一条件。结果显示，组合混合法在24天内TMP增幅（24%）显著低于单一快速混合法（32%），且膜面薄层结构降低水力阻力，但长期可能因微生物滋生导致TMP上升。研究表明PACl预处理有效，但需结合动态调控策略以平衡操作复杂性与长期稳定性。
Sandrine Boivin | Hideaki Sano | Tetsuji Okuda | Takahiro Fujioka
长崎大学综合科学技术研究生院，日本长崎市文京町1-14，852-8521
摘要
膜污染仍然是用于地表水处理的纳滤（NF）系统长期稳定运行的主要挑战，这突显了需要有效的预处理策略来缓解这一问题。本研究评估了使用聚合铝氯化物（PACl）进行预混凝对浸没式平板纳滤膜系统污染减少的效果。测试了优化的PACl剂量和两种混合条件：先快速混合再缓慢混合以及仅快速混合。与直接过滤相比，两种PACl预混凝方法均显著降低了浊度并减轻了污染。然而，快速混合与缓慢混合的结合更为有效，24天后跨膜压（TMP）增加了24%，而仅快速混合则增加了32%。不同的混合条件导致了不同的污染机制和滤饼层特性。快速混合与缓慢混合的结合产生了具有最小水力阻力的薄滤饼层，而仅快速混合则导致更高的残余浊度并形成了厚实的凝胶状滤饼层。尽管操作上更简单，但仅快速混合的方法在减轻污染和去除有机物方面效果较差。然而，最佳的快速混合与缓慢混合条件存在缺点：它们为生物污染创造了有利环境，这从17天后TMP的增加可以看出。本研究强调，PACl预混凝能有效减轻膜污染；然而，积极管理由此产生的污染条件对于确保浸没式纳滤系统的长期可靠运行和在可持续高级水处理中的应用至关重要。
引言
广泛的污染和水资源需求的增加导致了原始水资源的严重短缺，迫使公用事业机构依赖含污染物较多的水源。为解决这一紧迫问题，纳滤（NF）提供了一种有效的解决方案，作为一种高度选择性的膜屏障，可以从受污染的水源中生产出高质量的饮用水。聚合物纳滤膜具有1至2纳米的小孔径，能够有效分离各种污染物，包括溶解有机物、多价离子以及新兴污染物（如微污染物和药物分子）[1]、[2]、[3]，还有多氟烷基和全氟烷基物质[4]。由于其已被证明的有效性，纳滤越来越多地被应用于全规模的饮用水处理设施[5]、[6]。然而，使用螺旋缠绕膜的传统纳滤系统面临严重的膜污染问题[7]、[8]，需要经过微滤（MF）和超滤（UF）等复杂的预处理过程来去除可能堵塞螺旋缠绕膜狭窄通道的颗粒，并减少导致快速污染的天然有机物（NOM）和胶体物质。
在螺旋缠绕纳滤膜之前增加额外的预过滤步骤会大幅增加资本和运营成本[9]，从而影响了纳滤在高级饮用水处理中的可行性。因此，人们对绕过预处理的直接过滤方法越来越感兴趣，特别是那些使用浸没式平板纳滤膜的方法[10]。这种方法消除了对预过滤过程（如MF和UF）的需求，因为膜片之间的间距较大，同时也支持了高效的水力冲洗[11]或微纳米气泡[12]等物理清洗技术。此外，由于浸没式纳滤系统对压力要求较低，可以使用耐低压材料（如塑料管道）进行构建，从而无需高压-resistant组件（如钢管、高压泵和用于压力容器的增强塑料）。虽然浸没式平板纳滤膜模块尚未商业化，但可以通过扩展螺旋缠绕纳滤膜元件的中间产品来配置[13]。尽管由于跨膜压较低导致渗透通量较低，从而需要更大的膜表面积和更高的纳滤膜购买成本，但浸没式纳滤系统有望降低系统复杂性和相关成本。然而，未经预处理的膜污染仍然是一个挑战，这突显了需要简单而有效的污染缓解策略。
使用快速混合与缓慢混合的组合进行预混凝，或仅进行快速混合（即在线混凝，不包含缓慢混合）是一种简单而高效的预处理方法，所需能量较少[14]、[15]、[16]。当与浸没式膜过滤过程结合使用时，它还可以显著提高颗粒分离的效率，并通过消除沉淀和砂滤的需求来减少占地面积[17]、[18]。然而，预混凝的成功在很大程度上取决于初始混合和随后的絮凝条件，这些条件直接影响最终絮体的物理结构、大小和沉降性。例如，先前的研究[19]展示了使用无机混凝剂（如氯化铁和聚硅酸盐铁）在浸没式纳滤处理前进行预混凝以减轻污染的效果。聚合铝氯化物（PACl）作为一种传统的无机混凝剂，因其高电荷中和能力而在全球范围内被广泛用于水处理[20]。PACl通过中和带负电荷的胶体的电荷并形成无定形沉淀物来促进混凝。这些沉淀物经历扫荡絮凝，有效捕获悬浮固体。尽管PACl混凝（包括在线混凝）已被证明是使用MF或UF进行低压膜分离的有效预处理方法[21]、[22]、[23]，但在浸没式纳滤系统之前的预混凝的污染缓解效果尚未得到充分研究。特别是，在线PACl混凝作为浸没式纳滤系统预处理的潜力对于减少其占地面积具有重要意义。
本研究考察了PACl预混凝对减少地表水处理用浸没式平板纳滤膜污染的影响。通过利用罐式试验确定的最佳混凝剂量，本研究评估了在两种混合条件（先快速混合再缓慢混合以及仅快速混合）下PACl预混凝对减轻膜污染和改善渗透水质的效果。两种混合条件使用了相同优化剂量的PACl。此外，还通过表征纳滤膜表面的污染物来评估膜污染机制。本研究旨在明确PACl预混凝方法在减少浸没式纳滤系统膜污染和降低膜清洗频率方面的能力。
部分内容
进水与混凝剂
纳滤测试的进水来自日本长崎县一家饮用水处理厂的原始水库水。由于储存几周所需的大量进水不切实际，因此分批收集了四批水（水1-4），并按顺序使用。每个测试期间纳滤系统使用一批水。这种方法确保了进水质量的稳定性
使用罐式试验优化混凝剂
对每批水库水在两种不同的混合条件下进行了罐式试验：快速混合和缓慢混合，以及仅快速混合。快速混合与缓慢混合（即完全混凝）在所有类型的水和混凝剂剂量下均实现了超过98.6%的浊度去除率（图2a），在最佳剂量10 mg-Al/L时，残余浊度低至0.05至0.06 NTU（图S2a）。相比之下，仅快速混合（即无缓慢混合步骤）在最佳剂量4-10 mg-Al/L时
结论
与直接过滤地表水相比，PACl预混凝显著降低了浸没式纳滤系统的浊度和污染。然而，省略缓慢混合步骤导致污染控制效果较差，TMP增加了32%，而快速混合与缓慢混合的组合仅增加了24%，并且处理后的水质也较低，渗透液中的DOC浓度高出0.12–0.27 mg/L。虽然简化了操作流程，但仅快速混合的方法需要平衡
致谢
本研究部分得到了日本科学技术机构（JST）“可持续发展科学技术研究伙伴关系”（SATREPS）（JPMJSA2201）的支持。我们还要感谢Ito Tomoko女士在实验室测试中的技术协助。
作者贡献声明
Sandrine Boivin：撰写——原始草案、可视化、验证、调查、正式分析。Hideaki Sano：调查。Tetsuji Okuda：调查。Takahiro Fujioka：撰写——审阅与编辑、监督、调查、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
