基于attapulgite粘土的陶瓷膜的原位电化学反冲洗技术，用于屋顶收集雨水的处理

《Journal of Water Process Engineering》：In-situ electrochemical backwashing of attapulgite clay–based ceramic membranes for roof-harvested rainwater treatment

微塑料污染治理与雨水回用系统优化研究。采用纳米 attapulgite 基陶瓷膜（NMA）结合重力驱动膜分离技术（GDCM），通过电氧化反冲洗技术解决长期运行中膜孔隙堵塞问题，实现微塑料、浊度、UV254 和氨氮的高效去除（>86%），恢复效率达3倍，孔隙率73%膜性能优于66%膜。系统利用屋顶高差势能驱动，降低能耗，为可持续雨水回用提供技术方案。

　　

杜星|刘传曦|孙楠|林大超|宋伟|王志宏|罗云龙

广东工业大学土木与交通工程学院，广州，510006，中国

摘要

源自大气沉降或屋顶材料老化的微塑料（MPs）不可避免地会通过初期降雨冲刷或渗透进入水环境，对生态系统和人类健康构成严重威胁。本研究采用基于膨润土的陶瓷膜（NMA）与重力驱动的陶瓷膜（GDCM）组合技术对屋顶收集的雨水进行处理，该膜具有定制的孔径。长期运行过程中，微塑料和微生物的积累会导致孔隙堵塞，从而降低渗透通量。为维持通量，引入了基于电氧化技术的原位反冲洗工艺。实验结果显示，在108天的运行时间内，该系统有效去除了微塑料、浊度、UV₂₅₄和氨氮。微塑料、浊度和UV₂₅₄的去除率几乎达到100%，而氨氮的去除率超过86%。电氧化反冲洗后，生物过滤层在大约六天内恢复了净化性能。研究发现，孔隙率较高的NMA膜（约73%）的通量恢复能力是孔隙率为66%的膜的三倍，显示出更好的重复使用性。此外，该系统利用屋顶高度的重力势能作为雨水净化的驱动力，从而降低了能耗。所提出的NMA-GDCM系统为分散式屋顶雨水收集和再利用提供了一种可持续且经济高效的方法，同时提升了经济、社会和环境效益。

引言

快速的城市发展和环境变化导致许多中国城市的用水需求不断增加，给市政供水系统带来了巨大压力[1]。近年来，对替代性非常规水资源的探索受到了广泛关注。这些水资源不同于地表水和地下水，主要包括工业废水、生活污水、雨水、海水、矿井水和微咸水，所有这些水资源都可以经过处理后重新利用[2]。这些趋势要求找到实用的技术方案，确保替代水源既可靠又适合现场处理。在某些情况下，非常规水资源具有实际优势。在许多发展中国家，河流、地下水和雨水等天然水源常常未经处理就被直接使用，尽管它们可能含有悬浮颗粒、病原体和其他污染物，影响卫生。本地收集和处理雨水是一个更可靠的选择，因为雨水易于获取，并且可以通过简单的现场处理方法使其安全可用[2]、[3]。其中，屋顶收集的雨水是一种高效利用非常规水资源的方法[4]。根据《中国水资源公报》（2022–2024年），2022年非常规水的使用量为175.8亿立方米，占总供水量的2.9%；2023年这一比例上升至3.6%，雨水的使用量比2022年增加了1.4%。然而，源自大气沉降或屋顶材料老化的微塑料会通过初期降雨径流或渗透进入水环境，对生态系统和人类健康构成潜在威胁[5]。微塑料被定义为直径小于5毫米的聚合物颗粒[6]、[7]。在城市环境中沉积的微塑料总量可能是通过处理废水排放量的1.7至12倍。大约10%的微塑料直接沉入城市水体，其余部分则通过径流进入水体。

大气中的微塑料通过降雨进入水体，对生态系统和人类健康构成严重威胁，已在化妆品和个人护理产品[8]、日常饮料[9]以及瓶装水中检测到其存在。吸入的微塑料大部分通过黏液纤毛作用被清除，但部分会积聚在肺部，导致局部炎症或肺部疾病[10]。人体肺组织中暴露的微塑料平均浓度为每克肺组织1.42±1.50个颗粒[11]，人体全血中的微塑料平均浓度为1.6微克/毫升，这些微塑料会通过循环系统输送到各个器官和组织[12]。微塑料进入血液后可能引发溶血，在严重情况下还会增强血小板聚集，导致血栓形成和相关危害[13]。微塑料的积累还会对消化系统产生不良影响。在肠道中，最常见的五种塑料材料包括聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC），其平均直径在60至140微米之间[14]。不溶性微塑料（15–150微米）在环境中最为普遍，可以通过吸收和转运等机制穿过肠上皮[15]。由于微塑料能够在生物体内迁移并通过食物链积累，并且不同类型和形状的微塑料可以吸附有毒物质和化学添加剂，它们的综合负面影响可能会被放大，导致广泛的毒理学效应[16]。这表明雨水中的微塑料可能引发一系列环境污染和公共卫生安全问题，成为雨水再利用的主要障碍。

传统的雨水过滤系统对这些新兴污染物的去除能力有限。即使经过生物滞留池等基于砂的系统的处理，大量微塑料仍会滞留在介质孔隙中，并可能随后释放到环境中[17]、[18]、[19]。相比之下，陶瓷膜屋顶收集系统可以利用屋顶和地面之间的自然高度差进行原位雨水净化[20]、[21]，同时定期更新表面过滤层以防止微塑料再次进入。然而，微塑料容易在陶瓷膜中造成孔隙堵塞，导致不可逆的污染和渗透通量逐渐下降。在重力驱动的陶瓷膜（GDCM）运行过程中，最初均匀的污染层会逐渐变得不均匀[22]、[23]、[24]、[25]。最终可能会形成具有优先流动通道的多孔结构[22]、[23]、[24]、[25]。这种演变可能是由EPS降解、细胞死亡、生物膜中的小菌落形成和捕食作用等生物过程驱动的[22]、[26]、[27]、[28]、[29]。随着长期过滤，生物活性过滤层的持续积累和微生物的繁殖会进一步缩小膜孔结构，导致通量持续减少[25]。因此，这些系统可能会出现通量持续下降的问题。

减少污染和延长膜性能的一种方法是反冲洗[30]、[31]、[32]。这种机械方法依靠定期反转渗透流通过膜来清除沉积在表面和孔隙内的物质[33]、[34]。研究表明，反冲洗结合化学浸泡可以减少渗透过程中溶解的牛血清白蛋白（BSA）引起的孔隙堵塞。尽管化学清洗可能会损坏功能层，但这种效果会随时间逐渐减弱[35]。屋顶收集的雨水通常含有较高水平的氯离子[21]、[36]、[37]，这为引入电化学氧化提供了机会。在施加电场的情况下，氯离子（Cl^?）会被转化为活性自由氯物种，如Cl₂、HClO和ClO^?。结合反冲洗使用，这一过程有助于缓解孔隙堵塞，恢复膜通量，并提高整体产水效率。

为了解决GDCM系统在处理屋顶收集雨水时的局限性，本研究采用了一种低成本的陶瓷膜作为过滤单元，其孔径经过调整以适应微塑料的典型尺寸范围。实际收集的雨水分析显示其具有有机物质和悬浮固体的复合性质。长期运行不可避免会导致生物污染和膜孔堵塞。本研究利用雨水中天然存在的Cl^?驱动电化学过程，无需添加任何化学物质，提供了一种绿色且低碳的通量维持策略。通过运行GDCM系统，评估了NMA膜的长期产水能力和净化性能，并分析了原位电化学反冲洗对污染行为和通量恢复的影响。本研究旨在为分散式、现场再利用屋顶收集的雨水提供科学基础和技术支持，同时控制微塑料污染。

材料

本研究使用的陶瓷膜是实验室制造的纳米级膨润土（NMA）基陶瓷膜[38]。每块膜的直径为23毫米，孔隙率分别为66%和73%，对应的孔径分别为326纳米和286纳米。实验中使用的微塑料颗粒购自恒发公司（中国），尺寸范围为50–300微米和1毫米。电极板购自中国苏州硕瑞泰工业科技有限公司。所有使用的试剂...

NMA陶瓷膜过滤系统的产水效率

图3展示了NMA-GDCM系统运行过程中膜通量的变化情况。如图3a所示，该图评估了通量下降行为、电氧化辅助反冲洗对通量恢复的效果，以及两种不同孔隙率膜的过滤阻力对比分析。实验开始时，由于微塑料堵塞膜孔和悬浮颗粒的积累，通量急剧下降...

实际意义

随着城市供水压力的增加以及对分散式水处理解决方案的兴趣上升，对简单、低能耗且可靠的雨水处理技术的需求日益增强。GDCM系统提供了一种有前景的方法；然而，其长期性能往往受到维持足够渗透通量和实现水质稳定之间的权衡限制。这一限制突显了操作策略的重要性...

结论

通过将新型NMA陶瓷膜集成到重力驱动的过滤系统中，本研究加深了对创新低成本材料在长期暴露于微塑料、生物膜生长和电化学清洗条件下的性能理解。研究表明，材料特性、生物活性和操作策略的结合可以提高被动膜系统的稳定性和可靠性。主要发现总结如下：

(1) 利用屋顶重力...

作者贡献声明

杜星：撰写——初稿撰写、验证、项目管理、方法论设计、概念构思。刘传曦：可视化制作、项目管理、调查、数据分析。孙楠：可视化制作、调查。林大超：可视化制作、方法论设计、调查。宋伟：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、调查、资金筹集。王志宏：监督、资源调配、项目管理、调查。罗云龙：撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52170070和52200088）的支持。