《Separation and Purification Technology》：Engineering low-maintenance one-step nanofiltration for decentralized brackish surface water treatment: Insights in concentration polarization and inorganic-organic foulant interaction
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咸水地表水低维护一步式纳滤的临界跨膜压力窗口为0.2–0.4 MPa，低压力纳滤（LPNF）相比高压力纳滤（HPNF）具有更优的膜通量、更低能耗及膜污染抑制效果，其机制涉及微生物活性增强（1.02–1.32 μmol ATP/L）、脂多糖富集菌群筛选（如 Gammaproteobacteria）及无机-有机污染物相互作用弱化（Lewis酸碱作用减弱）。
林大超|谭彩薇|陈伯宏|吴毅|王志宏|曾伟晨|刘立凡|陈萌|杜星
广东工业大学土木与交通工程学院，中国广州510006
摘要
咸水中危险污染物的共存对一步法纳滤过程具有显著的污染潜力。在不同压力条件下这些污染物相互作用的演变为制定低维护运行策略提供了新的视角，这种策略特别适用于缺乏定期维护的分散式供水系统。本研究通过比较低压纳滤（LPNF）和高压纳滤（HPNF），确定了实现咸水一步法纳滤的低维护操作所需的临界跨膜压力范围为0.2–0.4 MPa。LPNF的优势在于更高的膜渗透率、更低的能量损失以及相当的污染物去除效率。微生物活性分析和扫描电子显微镜显示，当ATP浓度从1.02增加到1.32 μmol/L时，微生物活性增强，这有助于浓缩液中有机污染物的降解以及LPNF中多孔污染层的形成。高通量测序和共聚焦激光扫描显微镜表明，压力和盐度带来的环境应力会选择性地富集具有丰富脂多糖细胞膜的特定微生物（例如γ-变形菌），这些微生物会释放大量代谢物，从而在HPNF中促进生物膜的形成。质量传递模型直接验证了LPNF膜表面无机盐浓度极化的减少了19%。差分对数变换吸光度和傅里叶变换红外光谱进一步证实，有机污染物（-OH基团上的孤对电子）与金属离子（空轨道）之间Lewis酸碱相互作用的减弱是延缓LPNF中致密凝胶状污染层形成的关键。这些发现为在偏远沿海地区应用低维护一步法纳滤技术提供了重要的见解和科学依据。
引言
居住在距离海岸线100公里和150公里范围内的全球人口分别达到了28.6亿（占世界人口的38.1%）和33.4亿（占44.6%）[1]，[2]。然而，这些地区特别容易受到气候变化以及海岸灾害（如海平面上升、土壤盐碱化等）的影响[3]。生活在河口地区的人们容易受到海水入侵的影响。由此产生的咸水通常受到有害无机和有机污染物的污染，这不仅降低了饮用水质量，还增加了污染物的去除难度[4]。由于缺乏先进的水处理工艺，这种风险进一步加剧。因此，建立适用且先进的分散式水处理系统成为管理河口水资源的最可行方案。与微滤和超滤相比，纳滤在有效去除纳米级污染物（如溶解有机化合物和无机盐）方面表现更佳[5]，[6]。然而，随后的膜污染不可避免地会导致膜渗透率下降、能耗增加以及维护频率提高[7]。以往的研究通常将预处理视为一种临时措施，通过减少污染物负荷来减轻膜污染，这通常是在纳滤之前单独实施的[8]，[9]。缺乏针对具体情况的考虑和设计优化往往导致预处理效果有限、环境足迹大且运行成本高。这一初步讨论自然引发了是否可以开发出更巧妙的策略来有效缓解基于纳滤的分散式咸水处理中的膜污染的问题。
“一步法纳滤”这一概念以其结构简单且无需特殊预处理而受到欧洲的广泛关注，这与上述目标较为接近。但是，定期进行膜清洗以及自然过滤技术的整合仍然限制了其在分散式供水中的应用[10]，[11]。尽管在现有的分散式水处理系统（如重力驱动的膜过滤）中通过刺激微生物捕食成功实现了膜污染的现场调控[12]，但由于一步法纳滤过程中形成的膜污染具有密集的凝胶状形态（通常跨膜压力≥0.4 MPa），这种策略难以直接应用[13]。降低纳滤的工作压力有望减少驱动污染物在膜表面沉积的阻力，并通过增强微生物活性提高污染层的异质性[14]，[15]。然而，过低的跨膜压力通常会导致溶质质量传递机制从对流控制转变为扩散控制，从而阻碍污染物在膜表面的定向积累，从而影响污染物的有效去除[16]。因此，确定实现咸水一步法纳滤处理过程中膜污染缓解与可靠污染物去除效率之间微妙平衡的临界跨膜压力范围至关重要，无需额外的清洗或预处理。
我们之前的研究表明，膜表面附近的浓度极化会导致水通量下降，因为局部渗透压升高，有效驱动力减弱，促进了溶质沉淀[17]。实际上，污染物浓度的增加进一步加剧了它们之间的相互作用，加速了复合污染的发展，尤其是在咸水中无机和有机物质共存的情况下，以及它们被纳滤膜有效阻挡的情况下。此外，浓度极化是一个压力依赖的现象，在较高的跨膜压力下会更加明显[18]。尽管如此，很少有研究深入探讨通过现场调控浓度极化和无机-有机污染物相互作用来实现低维护一步法纳滤的可行性。在过去十年中，对纳滤膜上溶质质量传递过程的更深入理解[19]以及用于表征无机-有机相互作用的高级技术的发展[20]，显著提高了准确识别实现这一新工艺所需临界跨膜压力的可行性。
以往的研究仅关注纳滤效率以及采用单独预处理来非特异性减轻膜污染的问题。然而，基于最佳纳滤质量传递和常见但关键的操作参数下的复合污染现场调控很容易被忽视。因此，本研究重点关注低维护一步法纳滤，其目标包括：（i）与传统纳滤过程相比膜性能的比较；（ii）确定临界跨膜压力范围；（iii）研究浓度极化和无机-有机污染物相互作用的响应特性；（iv）探讨膜污染层的界面特征。除了揭示临界跨膜压力的特殊作用外，本研究还深入探讨了低维护一步法纳滤的一般工作机制。这些发现有望为这种环保且高效的分散式咸水处理方案提供理论和技术支持。
节选内容
咸水
咸水通常指受到海水入侵影响的淡水体，尤其是在河口地区[4]。因此，典型的咸水是通过将典型的有机污染物和无机盐溶解在超纯水中制备的（表S1）。我们之前的工作已经验证了所制备咸水的代表性[21]。化学试剂的供应商信息总结在文本S1中。
跨膜压力对膜通量行为和能耗的影响
如图1a所示，在40天的过滤过程中，LPNF的膜通量曲线几乎保持水平，表明污染几乎没有降低膜渗透率，平均渗透率约为7.1 L/(m2·h·bar)。在过滤第20天，当LPNF的跨膜压力从0.1 MPa增加到0.2 MPa时，通量也没有明显下降；而第20天后渗透率的轻微增加可能与污染层的破坏有关
结论
本研究通过比较LPNF和HPNF，评估了实现分散式供水系统中咸水一步法纳滤所需的临界跨膜压力范围。主要结论如下：
- 1)
在临界跨膜压力范围内，LPNF将咸水纳滤的能耗降低了50%–83%，克服膜污染阻力的能耗降低了74%–93%
CRediT作者贡献声明
林大超：撰写初稿、可视化处理、资金获取、概念构思。谭彩薇：可视化处理、数据调查、数据管理。陈伯宏：可视化处理、数据调查、数据管理。吴毅：软件开发、数据分析。王志宏：验证、项目管理、资金获取。曾伟晨：资源调配、方法论研究。刘立凡：验证、资源调配。陈萌：验证、软件开发、资源调配、方法论研究、数据分析。杜星：项目监督、资源调配
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。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52400022、52170070）、广东省自然科学基金（2025A1515012180）以及香港学者计划（XJ2025021）的共同支持。
