通过混凝-沉淀-过滤（CSF）预处理方法提高饮用水处理厂中中空纤维纳滤器的过滤性能

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《Separation and Purification Technology》：Enhanced filtration performance of hollow fiber nanofiltration by coagulation-sedimentation-filtration (CSF) pretreatment in drinking water treatment plants

【字体：大中小】 时间：2026年03月16日 来源：Separation and Purification Technology 9

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　　本研究系统评估了CSF预处理对全规模饮用水处理厂HF-NF膜分离性能的影响，发现预处理可显著降低膜阻力（R_ire和R_r分别下降18.9%和21.3%），减少胶体和有机污染物积累，并改善微生物群落结构，从而有效抑制膜污染。

陈同光、毕学军、高原、冯建勇、李一然、马月、薛阳、崔子腾、周晓琳、黄书娟

青岛理工大学黄岛校区环境与市政工程学院，中国青岛市266525

摘要

中空纤维纳滤（HF-NF）被广泛认为是提高饮用水处理厂（DWTPs）饮用水质量的一种有前景的技术。然而，混凝-沉淀-过滤（CSF）过程对HF-NF过滤性能的影响在试点规模上仍研究不足。本研究比较了原水和CSF出水对HF-NF渗透液质量及膜污染的影响。结果表明，CSF预处理增强了溶解有机碳（DOC）、UV₂₅₄和SO₄^2?的去除效果，使其渗透液浓度分别降低了22.2%、30.0%和38.9%。相比之下，CSF预处理对总溶解固体和消毒副产物的去除影响较小。CSF预处理降低了膜阻力，R_ire和R_r值分别显著降低了18.9%和21.3%（p?ire与总膜阻力呈正相关（r?=?0.98，p?ire与类腐殖酸物质也呈正相关（r?=?0.84，p?254被认为是影响微生物群落的关键因素（r?=?0.85，p?r?=?0.94，p?Acinetobacter属的竞争优势减弱，这与膜生物污染的减轻密切相关。类腐殖酸物质的减少直接导致CSF预处理后R_ire的降低。这种减少还改变了微生物群落结构，减少了SMP的产生，从而通过抑制生物污染间接降低了R_ire。总体而言，CSF是一种适用于提高高级饮用水处理应用中HF-NF性能的预处理策略。

引言

淡水质量和可用性的恶化已成为全球性的问题，因此必须从饮用水源中去除污染物。快速的工业化和城市化加剧了人为污染[1]、[2]、[3]、[4]。因此，为清洁水源设计的传统饮用水处理过程效果逐渐减弱。特别是混凝-沉淀-过滤（CSF）和氯化处理对有机成分和离子污染物的去除效果有限[5]，某些有机物质在氯化过程中可能还会产生消毒副产物（DBPs）[6]。高级处理工艺，如臭氧-生物活性炭，可以去除有机污染物[7]。然而，这些方法通常去除效率较低，处理流程较长，并存在微生物穿透的风险[8]。因此，基于膜的技术越来越被认为是饮用水处理厂（DWTPs）高级处理的可行替代方案。膜过滤已被证明能有效去除水中的病原体和多种污染物[9]。在可用的膜工艺中，纳滤（NF）因其高去除效率和分离选择性而受到广泛关注[10]。NF可以高效去除大部分溶解有机物和多价离子，使其在各种处理情况下得到广泛应用[11]、[12]。

考虑到地表水中颗粒污染物、藻类繁殖和生物污染的高浓度[13]、[14]，传统的螺旋缠绕NF系统通常需要多步骤预处理，这大大增加了运营成本[15]。尽管螺旋缠绕膜可以提供高离子排斥率，但这种性能可能超出高级饮用水处理的需求，导致不必要的溶解矿物质去除。纳滤单元的连续运行可能会因严重的膜污染而中断，因为地表水中的污染物会吸附在膜表面，积累在膜结构上或沉积在膜内部，从而导致孔隙堵塞[16]、[17]、[18]。螺旋缠绕模块也更难以清洁，且在高浓度化学清洗剂的作用下膜寿命缩短。相比之下，中空纤维纳滤（HF-NF）膜由于其模块化结构和表面电荷特性，在含有高悬浮固体和高污染负荷的进水条件下表现更好。此外，这种膜在相对较低的操作压力（3–4?bar）下也能有效保留二价离子[19]、[20]。HF-NF膜还具有独特的分离选择性，能够在部分保留有益矿物质（如钙和镁）的同时高效去除有机物，为高级饮用水净化提供了潜力。HF-NF系统配备了液压反冲洗功能，能够抵抗高浓度化学清洗，从而在高固体负荷应用中实现经济高效的操作[22]。此外，单个HF-NF模块的回收率可达80–90%，从而减少了浓缩物的排放，这对水资源短缺地区是一个重要优势。

膜污染在实际操作中仍然是一个关键挑战。先前的研究表明，处理清洁水源时直接使用HF-NF过滤不会导致严重的膜污染[23]。然而，在处理受污染的河水时却出现了严重的膜污染[21]。因此，对HF-NF的进水进行预处理是必要的，以减轻膜污染。迄今为止，许多HF-NF研究都是在实验室规模上使用合成水进行的。使用实际地表水进行试点规模测试对于建立机制理解和工程相关证据至关重要，这将支持HF-NF膜的实际应用。在全规模DWTP中，膜通常安装在混凝、砂滤或臭氧-活性炭处理过程的下游。本研究重点探讨了HF-NF在全规模DWTP不同处理阶段的适用性。尽管混凝通常是一个短时间过程，但混凝剂的投加可能会改变膜界面的静电相互作用，促进颗粒聚集，从而加剧污染[24]、[25]。臭氧-生物活性炭可以有效去除有机成分。然而，其较高的运营成本和氧化膜降解的风险必须加以考虑。同样，微滤或超滤预处理通常涉及较高的资本投入和运营成本[26]。此外，预氧化和预吸附预处理技术也常用于提高纳滤性能[27]、[28]、[29]。然而，考虑到实际应用中的工艺兼容性和运营成本[30]，纳滤可以应用于砂滤单元的下游。

CSF过程可以有效去除水中的颗粒污染物和天然有机物（NOM），从而有助于减轻膜污染。此外，多项研究报道CSF是NF的一种可行预处理选项[32]、[33]。据我们所知，关于CSF在全规模DWTP条件下对HF-NF过滤性能影响的系统研究仍然很少。

本研究通过比较原水和CSF处理水对全规模DWTP中试点规模HF-NF系统性能的影响，系统评估了其性能。膜污染行为通过跨膜压力（TMP）变化和膜污染阻力分析进行量化。渗透液质量通过分析有机和无机物质的去除效率进行评估，特别关注消毒副产物前体的去除。分析了膜表面的污染物组成和微生物群落，以阐明膜污染机制。此外，还进行了基于高通量测序的生物表征，以揭示CSF预处理对膜表面微生物群落变化的影响，为膜污染机制提供了科学依据。这项工作代表了首次系统评估CSF在全规模DWTP条件下对HF-NF过滤性能的影响，并为工程应用提供了机制上的见解。

材料与方法

HF-NF膜系统如图S1a所示。该系统包括一个HF-NF模块（高度：1546?mm；直径：110?mm）、一个安全预过滤器、一个泵组件、一个流量计、感应仪器和一个渗透液罐。HF-NF膜由NX Filtration提供，由改性聚醚砜制成，内纤维直径为0.7?mm，pH耐受范围为1–13。膜的特性包括分子量截留值（MWCO）为800?Da等。