在超滤过程中，较高的回收率并不一定意味着膜污染程度较高，尤其是用于处理沉淀池出水的超滤系统时

《Journal of Water Process Engineering》：High recovery does not necessarily mean high membrane fouling in ultrafiltration for the treatment of sedimentation tank effluent

本研究探究了超滤（UF）处理沉淀池出水时回收率变化对膜污染的影响，发现随着回收率从75%增至97.9%，跨膜压（TMP）呈现缓慢上升、快速增加和随后减缓的三阶段特征。长期运行表明适度高回收率可缓解TMP上升，并通过预沉积实验和OCT观测证实，97.5%回收率促进松散滤饼层形成，该层发挥预过滤作用，有效抑制膜污染。

　　

彭志辰|李永明|景天慈|谢一民

国家能源管理局大型水坝安全监督中心，中国杭州，311122

摘要

由于超滤（UF）在拦截病原体和颗粒物方面具有高效性，因此被广泛应用于饮用水处理。膜系统中这些被截留物质的浓度通常通过调整回收率来控制，回收率定义为渗透体积与进水流量的比值。人们普遍认为，较高的回收率会因被截留污染物的浓度增加而加剧膜污染。在这项研究中，我们探讨了回收率的变化如何影响渗透水质和膜污染，并阐明了回收率与超滤处理沉淀池出水时膜污染行为之间的关系。结果表明，当回收率从75%增加到97.9%时，渗透水质保持稳定，而跨膜压（TMP）则经历了三个不同的阶段：缓慢上升、快速增加和随后下降。长期在不同回收率下的运行表明，适中的高回收率可以缓解TMP的升高。此外，预沉积实验和光学相干断层扫描（OCT）观察显示，适中的高回收率（97.5%）在初始过滤阶段会导致松散的滤饼层迅速形成，这种滤饼层可以通过预过滤效应减轻膜污染。这项研究表明，高回收率（从而提高产水量）可以与轻微的膜污染共存，挑战了传统的观念，并为饮用水处理中超滤操作的优化提供了新的见解。

引言

超滤（UF）膜在截留病原体（截留率超过99.9999%）和颗粒物方面非常有效[1]，使其成为饮用水生产中最广泛使用的替代处理工艺之一[2]。例如，在中国，2020年使用UF技术的大型水处理厂（>10,000 m3/d）的总处理能力超过了1000万m3/d[3]。尽管UF工艺能有效去除颗粒物，但在去除小于其孔径的可溶性污染物（如溶解有机物和重金属离子）方面效率较低[3]。此外，在过滤过程中，物质可能在膜上积累，导致膜污染[4]。膜与污染物之间的相互作用通常在决定污染行为中起着关键作用。最近在膜界面工程方面的进展表明，通过定制表面化学性质和微/纳米结构可以根本性地调节污染[5]、[6]，为膜污染控制提供了新的见解。除了膜表面改性外，还在水处理过程中广泛采用工艺级策略来增强可溶性污染物的去除[7]并减轻膜污染。实际上，UF经常与混凝、沉淀、吸附和砂滤等预处理方法结合使用[8]、[9]、[10]。UF常用的预处理方法是“混凝+沉淀”工艺[11]，该方法还可以通过用UF替代砂滤来升级传统的饮用水处理厂[12]。

在超滤（UF）水处理中，希望在最大化产水量的同时产生高质量的渗透水。为了评估系统的运行效率，通常使用回收率这一指标——即渗透体积与进水流量的比值。UF的回收率通常为85–96%[13]、[14]、[15]，这远高于压力驱动的膜工艺（如纳滤，约为50–56%[16]），尽管在选择性污染物去除条件下也有报道达到约87%的回收率[17]以及反渗透（约为62–72%[16]、[18]）。回收率受进水水质和膜模块特性等因素的影响，但它直接与操作参数相关，包括进水流量、浓缩液流量和跨膜压（TMP）[19]、[20]。在浸没式UF系统运行过程中，被膜截留的物质（如颗粒物）会不断在膜池中积累[21]；因此需要定期排放浓缩液[22]。通过调整回收率，可以有效地控制膜池中被截留物质的浓度。虽然提高回收率可以增加产水量并通过减少废水量来降低处理成本[23]，但浓缩液中污染物浓度的增加可能会增加膜污染的风险[24]。因此，优化回收率对于实现高过滤效率以及确保UF工艺的经济性和稳定运行至关重要。

以往关于UF工艺的研究主要集中在去除效率[25]和参数优化[26]、[27]上，对回收率影响的研究较少。在膜生物反应器（MBR）系统中，高回收率会导致较长的固体停留时间（SRT）[28]。因此，在高回收率下观察到的膜污染减少[29]通常归因于在高SRT条件下活性污泥对某些污染物（如共聚物）的降解[30]。此外，回收率的增加会导致膜池中絮体浓度的升高，这种絮体浓度的增加可能会加剧膜污染。另一方面，絮体可能通过吸附和预过滤作用促进某些污染物的去除并减轻膜污染。事实上，研究表明絮体可以吸附膜污染物，如腐殖酸和颗粒物[31]、[32]。还有一些研究采用预沉积方法在膜表面形成预过滤层以控制污染[33]。因此，我们假设当UF处理沉淀池出水时，高回收率不一定会导致膜污染加剧。

在这项研究中，我们探讨了超滤（UF）系统处理沉淀池出水时回收率对膜污染的影响。通过检查回收率增加过程中以及长期高回收率运行下的跨膜压（TMP）变化，发现合理的较高回收率可以减轻膜污染。通过光学相干断层扫描（OCT）观察和预沉积实验阐明了其背后的机制，结果显示高回收率（97.5%）在过滤初期促进了膜表面滤饼层的快速形成，这种滤饼层起到了预过滤的作用，减少了膜污染。这项工作加深了人们对回收率与膜污染之间关系的理解，为饮用水处理中超滤的优化提供了新的见解。

部分内容摘录

进水和UF系统

实验在中国南部的一个水处理厂进行，该厂采用了传统的处理工艺（“混凝+沉淀+砂滤+消毒”）。由于UF工艺通常使用“混凝+沉淀”作为预处理[34]，因此实验中使用的是该厂沉淀池的出水作为UF系统的进水。实验期间的进水水质如下：温度范围

浊度

沉淀池出水的浊度相对稳定，介于2.2到2.5 NTU之间（图2）。由于浓缩液没有从膜池中排出，回收率增加，膜截留的颗粒物持续积累，导致颗粒物浓度随时间增加（图3）。然而，UF膜的渗透水浊度非常稳定，平均为0.04 NTU。这种稳定性可以归因于

结论

在基于UF的水处理系统中，调整回收率对于控制膜污染至关重要。人们普遍认为较高的回收率会导致更严重的膜污染。然而，我们的研究表明，随着回收率的增加，膜污染经历了三个不同的阶段：初期缓慢增长、中期快速增加以及后期不可逆膜污染的缓慢上升。值得注意的是，高回收率

作者贡献声明

彭志辰：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。李永明：可视化、验证、调查、正式分析。景天慈：验证、调查、正式分析。谢一民：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、方法学、概念化。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。