廢水深度處理工藝分析（二）

三、納濾膜技術在廢水深度處理中的膜污染研究方法（Research methods of nanofiltration membrane fouling in the advanced treatment of wastewater）。

在納濾膜技術深度處理廢水過程中，納濾膜污染的研究方法主要包括：

（一）采用模型污染物模擬廢水的組成以深入探討膜污染；

（二）采用各種分析及表征手段揭示膜污染的特征及機理；

（三）采用計算機模擬對膜污染過程進行分析及預測。

1、模型污染物

針對納濾膜深度處理二級生化出水產生的膜污染，國內外學者多采用模型污染物研究污染物與納濾膜之間的相互作用。常用模型物質如表 2所示。

表 2 納濾膜污染研究中常用模型污染物

Mo等利用海藻酸鈉與CaCl2研究了溶液中有機物與Ca2+離子相互作用對納濾膜污染的影響，證實了Ca2+可以通過架橋作用和海藻酸鈉聚合，從而改變進水中污染物形態，加劇膜污染程度，并且發現Ca2+濃度存在一個限值（約3 mmol·L-1），當超過這一限值時，膜污染程度減輕。Zazouli等研究了海藻酸鈉和腐殖酸2種性質不同的有機物單獨作用和共同作用對膜污染的影響，結果發現在相同條件下海藻酸鈉引起的膜污染遠比腐殖酸引起的膜污染嚴重。選擇模型污染物進行研究有利于剖析污染物與膜污染之間的關系，揭示膜污染特征及形成機理，但是由于廢水成分非常復雜，在實際廢水中的膜污染狀況還需進一步驗證。

2、膜污染分析方法

目前對納濾膜污染的分析方法主要分為3大類，分別是以通量下降直觀表征膜污染程度、以洗脫液成份分析或污染層物質分析判斷膜污染物的成份及含量、以污染膜表面表征分析例如SEM、AFM、ART\FTIR等從微觀角度探索膜污染的特征及形成機理（Zazouli et al，2010）。具體分析方法及作用如表 3所示。

　　        表 3 納濾膜污染分析方法

Gorzalski等采用盧瑟福背散射光譜法（Rutherford backscattering spectrometry，RBS）對膜表面污染層進行了分析，RBS可以用于測量污染層近表面約2 μm處的元素組成，從而更有利于推斷污染層的內部結構，目前常用的膜污染分析方法（如XPS、SEM、ATR\FTIR等）則無法達到這種效果（Gorzalski and Coronell， 2014）。常規拉曼光譜法適于對清潔膜表面特性進行分析，但是對膜表面的污染物質分析靈敏度較差，而表面增強拉曼光譜法可以快速、方便地對污染膜表面進行原位分析，因此Lamsal等采用表面增強拉曼光譜法對納濾膜處理飲用水的膜污染進行了分析（Lamsal et al， 2012）。李建新等采用超聲時域反射法（（Ultrasonic time\domain reflectometry，UTDR）在線監測納濾膜的生物污染，利用超聲信號的變化來指示膜污染的變化（李建新，2007）。Bass等研究了一種基于ATR\FTIR技術獲得膜表面覆蓋層厚度的方法，根據已知膜表層的光學常數（折射率、消光系數），便可估算出覆蓋層的厚度，利用該方法可以計算膜表面污染層的厚度（Bass and Frege，2015）。開發新型可靠的膜污染分析方法，尤其是多種物質共同作用的膜污染機制研究方法，是納濾膜污染研究需要解決的難題之一。

3、膜污染模型及預測

膜污染的數學模型可以分為3種：一是從膜的結構、特征出發描述污染現象的模型，如膜孔堵塞模型、沉積層阻力模型等；二是指數經驗模型；三是計算機軟件開發模型，如神經網絡模型和計算流體力學模型等（陳安穩等，2012）。常用膜污染模型如表 4所示。

表 4 常用膜污染數學模型

Picioreanu等（2009）利用計算流體力學（CFD）模型將流體動力學、溶質遷移以及膜表面生物膜形成進行模擬計算，結果表明膜表面生物量的累積嚴重影響了進水流道的壓力降、液體流速分布及液體停留時間，該研究結果可進一步為膜系統的設計及運行提供指導；Zhao等（2013）利用密度泛函理論（Density function theory，DFT）對納濾去除全氟辛烷磺酸（Perfluorooctane sulfonate，PFOS）過程中的PFOS和Ca2+的絡合情況進行了計算，可以為Ca2+存在情況下的膜污染研究提供借鑒；Song等（2013）在采用納濾膜技術軟化海水的研究過程中，根據溶液電解質理論，通過計算膜表面的過飽和指數（SI），對膜表面的結垢趨勢進行了成功預測；Joss等（2011）采用Phreeqc軟件計算MBR\NF工藝處理城市污水過程中的SI值，從而對膜的無機污染形成進行探討。近年來，基于介觀尺度的耗散粒子動力學（Dissipative particle dynamics，DPD）模擬方法，作為聯系宏、微觀模擬的紐帶，在研究軟物質流動及形態結構的工作中起到了很大作用，該方法可以用來研究兩親分子在溶液中自發形成聚集體的條件和動力學過程，由此推測其可以應用于污染物的相互作用及膜污染的形成過程研究中（Feng et al，2012），但目前尚未見有此類方法用于納濾膜污染研究的報道。開發納濾膜處理廢水過程中的計算機模擬技術，從而實現對不同廢水納濾膜污染的分析及預測，是今后研究納濾膜污染問題的主要方向之一。