综述：在废水处理中，将混凝-絮凝工艺作为膜过滤前的预处理方法的应用

《Sustainable Materials and Technologies》：Application of coagulation-flocculation as pretreatment for membrane filtration in wastewater remediation

【字体：大中小】 时间：2026年08月26日 来源：Sustainable Materials and Technologies 9.7

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　　摘要传统的废水处理系统面临着日益复杂的废水和新兴污染物的挑战，这促使人们整合了先进的膜工艺，如微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。尽管膜技术能够提供高质量的出水、较小的占地面积并减少化学品的使用，但膜污染仍然是其长期可持续性的主要限制因素。本文批判性地评估了

摘要

传统的废水处理系统面临着日益复杂的废水和新兴污染物的挑战，这促使人们整合了先进的膜工艺，如微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。尽管膜技术能够提供高质量的出水、较小的占地面积并减少化学品的使用，但膜污染仍然是其长期可持续性的主要限制因素。本文批判性地评估了混凝-絮凝作为废水处理中膜过滤预处理策略的效果。系统地分析了化学絮凝剂、聚电解质、天然絮凝剂和电絮凝剂在絮体形成、物理化学相互作用以及膜污染行为方面的作用机制。特别强调了操作参数（如絮凝剂用量和类型、pH值、废水特性和膜类型）如何影响絮体形成、污染物的可逆性、滤饼层形态以及渗透通量。对集成混凝-膜系统的比较分析表明，优化的预处理措施可以将污染从不可逆的孔堵塞转变为可逆的滤饼过滤，从而提高通量恢复率和膜的使用寿命。然而，不理想的混凝过程可能会通过微絮体的穿透或滤饼的紧密堆积加剧污染。本文还讨论了污泥生成、残留金属问题、技术经济影响以及包括天然絮凝剂和钛基絮凝剂在内的新兴可持续替代方案。通过对商业规模应用和混合电絮凝-膜系统的评估，来评估其实际可行性。只要仔细优化混凝化学条件和操作参数，混凝辅助膜系统可以成为提高系统性能的一种可靠且适应性强的策略。

引言

使用微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）或反渗透（RO）等膜工艺进行废水处理（WWT）是目前广泛应用于废水处理的技术。人们对这项技术的兴趣源于传统处理方法无法有效处理含有新兴污染物的复杂废水[1][2]。此外，膜技术还具有高选择性、占地面积小、产生的污泥量相对较少、能耗和化学品消耗低等优点，最重要的是，能够获得高质量的出水[3][4][5]。这些优点使得膜技术在现代废水处理中更加受欢迎，日本、英国、新加坡和美国等国已在全规模的水和废水处理厂中采用了该技术[6]。膜工艺通过其孔隙选择性分离废水中的污染物。例如，在海水淡化过程中，由于反渗透具有半透性，可以分离分子和离子[7]，因此成为合适的选择。这些工艺被集成到处理厂中以最大化污染物的去除效率。

此外，膜技术可以轻松与传统的或新兴的处理方法结合使用，这对于延长处理系统的使用寿命至关重要，因为膜容易发生污染。在用于膜处理的污染控制策略中，预处理方法对于实现可持续的膜过滤至关重要。由于预处理是废水处理中成功且可持续的膜过滤的关键，本文重点介绍了废水处理领域的进展。预处理主要去除大颗粒物、悬浮固体（SS）、胶体和其他可能堵塞膜孔隙或表面的污染物，从而提高后续处理方法的效率和使用寿命[8][9]。本文探讨了在膜过滤前使用混凝/絮凝作为预处理步骤的方法。本文旨在评估其进展，识别有前景的絮凝剂，评估它们的优缺点，并研究影响混凝效率的因素。混凝被定义为一种化学和物理过程，涉及絮凝剂与水碱度之间的相互作用，产生不溶于水的大絮体并沉淀在底部[10][11]。选择研究混凝方法是因为它简单且能有效地去除污染物，尽管会产生大量污泥并且需要较高的絮凝剂用量[12][13][14]。本文通过系统比较化学絮凝剂、聚电解质、天然絮凝剂、钛基絮凝剂和电絮凝剂，批判性地评估了混凝作为膜过滤预处理策略的效果。本文考察了它们的混凝机制、絮体性质、膜污染行为、操作优化、处理性能、商业应用、技术经济和环境影响以及未来研究需求。通过将这些方面整合到一个框架中，本文填补了现有文献中的重要知识空白。

尽管已有几篇综述[15][16][17]讨论了混凝-膜系统，但它们主要集中在低压膜预处理、膜污染控制或个别混凝机制等特定方面。对化学絮凝剂、天然絮凝剂、钛基絮凝剂和电絮凝剂在微滤、超滤、纳滤和反渗透膜上的综合比较，以及它们的污染控制机制、可持续性、技术经济方面和商业应用仍然有限。因此，本文提供了对这些混凝策略的全面和批判性评估，突出了它们的机制、性能、局限性以及未来发展方向，以指导可持续混凝-膜系统的设计和优化。

部分摘录

影响膜过滤性能的混凝预处理因素

在使用混凝作为预处理时，多个因素会影响膜的性能，包括絮凝剂量、pH值、膜工艺以及系统的进水条件和操作条件[15][18][19][20]。其中，絮凝剂量尤为重要，因为它直接影响膜污染的控制、渗透通量和整体性能效率。混凝过程与絮凝剂量之间的关系通常分为四种类型...

化学絮凝剂、聚电解质、天然絮凝剂和电絮凝剂在废水处理中的作用机制

本节讨论了在预处理步骤中化学絮凝剂、天然絮凝剂和电絮凝剂与废水中的污染物之间的相互作用。

铁基絮凝剂

铁基絮凝剂因其在废水处理中的有效性、相对较低的健康风险、能够形成致密且不溶的絮体以及出色的浊度和溶解有机物（DOC）去除效果而被广泛使用[69][70][71]。常见的铁基絮凝剂包括单体硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸铁氯盐，以及聚合物聚铁氯化物和聚铁硫酸盐[72]。硫酸铁或硫酸亚铁...

商业化的集成混凝-膜系统

实验室规模的研究对于推进集成水处理系统的放大和商业化至关重要。这些研究有助于工艺优化，提供对膜污染和絮凝剂机制的见解，支持污染控制，并有助于成本估算和可扩展性评估。本节讨论了商业化的集成混凝-膜水处理系统。

混凝-膜系统中的污泥管理策略

在混合混凝-膜系统中，虽然预处理可以减少污染并提高膜性能，但不可避免地会产生污泥，使得污泥管理成为整体可持续性的关键组成部分。化学混凝通常会产生富含金属的污泥，其中包含Fe(OH)₃和Al(OH)₃等金属氢氧化物、吸附的有机物和病原体。污泥的产量直接受废水浊度的影响...

技术经济和环境考虑

集成混凝-膜系统的可行性不仅取决于去除效率，还取决于能源需求、运营成本和环境影响。为了客观评估这些因素，本节综合了最近的技术经济分析和生命周期评估（LCAs）的定量指标。运营支出（OPEX）主要受化学品消耗率和材料成本的影响...

未来展望

尽管已经证明了混凝预处理在减轻膜污染方面的有效性，但仍存在一些知识空白和技术挑战。未来的研究应建立絮体特性（如分形维度和絮体强度）与膜污染机制之间的定量关系，以实现预测性污染控制。还应更加重视以污染控制为导向的混凝优化，其中pH值、絮凝剂类型和用量是关键因素...

概述与结论

化学混凝通过减少污染倾向和增强污染物去除效果，仍然是提高废水处理中膜过滤性能的关键策略。使用无机和聚合物絮凝剂进行化学混凝特别有效，尤其是对于去除藻类、悬浮固体、营养物质和微生物。如表1所示，与微滤、超滤、纳滤和反渗透膜结合使用的化学絮凝剂能够持续实现较高的COD、浊度、油分和TOC去除效率...

CRediT作者贡献声明

Funeka Matebese：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析、概念化。Ronewa Phadagi：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析。Meladi L. Motloutsi：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析。Tewolde M. Mekoyete：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Meladi L. Motloutsi表示获得了南非国家研究基金会（National Research Foundation, ZA）的财务支持；Mabore J. Raseala表示获得了南非国家研究基金会的财务支持；Richard M. Moutloali表示获得了南非国家研究基金会的财务支持；Ronewa Phadagi表示获得了南非...

致谢

作者感谢南非大学（UNISA）的纳米技术和水可持续发展研究所（iNanoWS）在项目过程中提供的支持。RP感谢南非科学与工业研究委员会（CSIR）/科学与创新部的支持；MLM、MJR和RMM感谢

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