《Desalination》：Integration of granular activated carbon (GAC) and gravity-driven membrane (GDM) reactor pretreatment for biofouling control in reverse osmosis (RO): Toward municipal wastewater reclamation and reuse
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重力驱动膜（GDM）与活性炭（GAC）结合预处理对反渗透（RO）膜污染控制及经济性影响研究。GAC-GDM显著提升总有机碳（TOC）去除率至75.1%，降低硝酸盐（25.4%）和总磷（41.4%），使RO跨膜压力（TMP）下降21.1%，生物膜多糖和蛋白质减少26.6%和21.3%。动态水力梯度操作使通量提高28.4%-48.5%，经济分析显示整体成本降低12.5%-14.0%。
韩秀娜|郑载雄|李娜英|李松喜|尤坤哲|蔡圭正|杨恩泰|李善基
韩国海洋大学环境工程系，釜山，49112，大韩民国
摘要
本研究评估了一种重力驱动膜（GDM）反应器与颗粒活性炭（GAC）结合使用作为反渗透（RO）基市政废水二级出水回收和再利用预处理过程的性能，特别关注减轻RO生物污染的问题。加入GAC显著提高了GDM反应器中有机物的去除效率，总有机碳（TOC）的去除率达到75.1%，同时硝酸盐（25.4%）和总磷（41.4%）也有所减少，而仅使用GDM的预处理效果则不明显。这种改进的预处理有效减轻了下游RO的生物污染，使得跨膜压（TMP）增加了21.1%，并且RO生物膜中的多糖（26.6%）和蛋白质（21.3%）含量也有所降低。为了确定GAC-GDM反应器的有效运行策略，研究了GDM运行过程中不同静水头条件的影响。在GAC-GDM反应器中，逐步增加静水头的操作方式使得通量比恒定静水头和降低静水头条件下的通量分别高出28.4–48.5%。经济分析表明，与仅使用GDM的预处理相比，GAC-GDM预处理使整体回收水的生产成本降低了12.5–14.0%。总体而言，这些发现证明了GAC-GDM反应器作为RO预处理过程的可行性，并强调了逐步变化静水头的操作策略对于进一步提高工艺性能和经济性的实际意义。
引言
随着城市化、工业进步和人口增长，全球对高质量淡水的需求持续上升，而气候危机日益限制了水资源的可用性。水回收和再利用是解决这一不平衡问题的关键策略；然而，其在实际应用中的推广仍然非常有限。根据世界银行集团（2025年）的数据，回收水仅占城市淡水使用量的12%，其中仅有3%用于饮用和工业用途[1]。为了克服这一限制，处理过的市政废水被认为是一种实用且可靠的回收水源，因为它具有可预测的可用性和可控的质量[2]。
反渗透（RO）是一种重要的压力驱动膜过程，通过有效去除盐分、微量污染物和病原微生物来生产高质量的回收水。然而，RO膜的污染仍然是一个主要的运行挑战，导致运行压力增加、频繁需要化学清洗、膜寿命缩短，从而提高了运行成本[3]。
为了减轻废水回收过程中的RO污染，已经开发了多种预处理方法，包括混凝、颗粒活性炭（GAC）、超滤（UF）/微滤（MF）和膜生物反应器（MBR）[2]、[4]、[5]、[6]。尽管如此，有效控制RO生物污染仍然具有挑战性。例如，GAC预处理在去除有机物方面效果显著，但对微生物细胞等颗粒物的控制能力有限[7]。虽然UF/MF预处理能有效保留颗粒物，但在去除可溶性有机碳（AOC）等生物可利用的有机成分方面效果有限，这可能会促进微生物生长和下游RO污染[8]。此外，基于膜的预处理过程通常能耗较高且维护要求严格。
重力驱动膜（GDM）系统在较低的静水头（通常为30–100毫巴）下运行，能够实现稳定的膜过滤，且能耗极低、维护需求小。由于这些优点，最初为分散式饮用水处理开发的GDM系统越来越多地被应用于各种水处理领域，如海水、河水、灰水和废水[9]。
尽管已有研究探索了GDM系统处理二级废水出水，但以往的研究主要集中在GDM的过滤行为[10]或特定污染物的去除（如重金属[11]），而不是评估其作为RO预处理过程的性能。相比之下，将GAC集成到GDM系统中的研究主要针对原始废水进水[12]、[13]、[14]。另外，GAC-GDM方法也被研究作为海水反渗透脱盐的有效预处理策略，其中生物污染的减轻归因于比单独使用GDM时更好的有机物去除效果[15]。然而，GAC-GDM预处理在处理过的市政废水再利用系统中的适用性尚未得到充分探索，因为二级出水已经经过生物处理，在有机成分和污染特性上与原始废水和海水有根本差异。
另一方面，GDM系统的一个关键局限性是其稳定的通量相对较低，这可能需要更大的膜面积，从而增加资本成本[9]。大多数关于GDM系统的研究都是在恒定静水头条件下进行的，在这种条件下，通量通常会先快速下降，然后逐渐稳定。在这种条件下，较高的静水头并不会导致通量成比例增加，反而可能由于生物膜压缩而降低渗透性[16]、[17]。鉴于生物膜发展的动态和时间依赖性，整个运行过程中保持固定的静水头可能不利于形成高渗透性的生物膜结构。尽管有少数研究探索了变静水头条件，但报道的渗透性改善往往伴随着清洗或间歇性操作，掩盖了静水头变化的内在效应[18]、[19]。
因此，本研究旨在系统评估GAC-GDM反应器作为RO基水回收和再利用预处理的性能，重点关注：（i）评估GAC与GDM结合的性能和经济性；（ii）评估其在减轻RO生物污染方面的有效性；（iii）阐明GDM生物膜和下游RO生物膜中的微生物群落动态；（iv）研究变静水头对GDM通量的影响。
章节摘录
GDM反应器设置和变静水头操作
如图1所示，两个实验室规模的GDM反应器并行运行，每个反应器的工作体积为7.7升：其中一个在底部装有1公斤的GAC介质（SGL 8×30，Calgon Carbon，美国）（称为GAC-GDM反应器），另一个则没有GAC（称为GDM反应器）。GAC的类型和用量是基于我们之前关于市政废水处理的GAC-GDM研究选择的[20]。
为了评估静水头变化的影响，使用了三个相同的空心纤维膜
GAC-GDM反应器的预处理性能
GDM和GAC-GDM反应器使用市政废水出水作为进水，并行运行了28天。如图2所示，通过浊度、有机碳和无机碳、氮以及磷浓度来评估GDM反应器的出水水质。尽管进水的浊度相对较低（0.9±1.8 NTU），但控制组GDM反应器的浊度降低了69.9%，表明通过重力沉降实现了有效的物理澄清
结论
本研究评估了GAC-GDM预处理在RO基废水回收和再利用中的效果。结果清楚地表明，将GAC加入GDM反应器可以有效减轻下游RO的生物污染，通过增强有机污染物的生物去除来显著抑制RO生物污染的发展。不同运行情景下的经济分析进一步表明，在长期批处理RO运行过程中，化学药剂的使用量有所减少
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
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）提供资金支持（项目编号：RS-2023-00219497）。我们感谢釜山环境公司（BEC）的工作人员在收集釜山永岛污水处理厂二级出水方面的协助。
