废水深度处理工艺分析（二）

三、纳滤膜技术在废水深度处理中的膜污染研究方法（Research methods of nanofiltration membrane fouling in the advanced treatment of wastewater）。

在纳滤膜技术深度处理废水过程中，纳滤膜污染的研究方法主要包括：

（一）采用模型污染物模拟废水的组成以深入探讨膜污染；

（二）采用各种分析及表征手段揭示膜污染的特征及机理；

（三）采用计算机模拟对膜污染过程进行分析及预测。

1、模型污染物

针对纳滤膜深度处理二级生化出水产生的膜污染，国内外学者多采用模型污染物研究污染物与纳滤膜之间的相互作用。常用模型物质如表 2所示。

表 2 纳滤膜污染研究中常用模型污染物

Mo等利用海藻酸钠与CaCl2研究了溶液中有机物与Ca2+离子相互作用对纳滤膜污染的影响，证实了Ca2+可以通过架桥作用和海藻酸钠聚合，从而改变进水中污染物形态，加剧膜污染程度，并且发现Ca2+浓度存在一个限值（约3 mmol·L-1），当超过这一限值时，膜污染程度减轻。Zazouli等研究了海藻酸钠和腐殖酸2种性质不同的有机物单独作用和共同作用对膜污染的影响，结果发现在相同条件下海藻酸钠引起的膜污染远比腐殖酸引起的膜污染严重。选择模型污染物进行研究有利于剖析污染物与膜污染之间的关系，揭示膜污染特征及形成机理，但是由于废水成分非常复杂，在实际废水中的膜污染状况还需进一步验证。

2、膜污染分析方法

目前对纳滤膜污染的分析方法主要分为3大类，分别是以通量下降直观表征膜污染程度、以洗脱液成份分析或污染层物质分析判断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等从微观角度探索膜污染的特征及形成机理（Zazouli et al，2010）。具体分析方法及作用如表 3所示。

　　        表 3 纳滤膜污染分析方法

Gorzalski等采用卢瑟福背散射光谱法（Rutherford backscattering spectrometry，RBS）对膜表面污染层进行了分析，RBS可以用于测量污染层近表面约2 μm处的元素组成，从而更有利于推断污染层的内部结构，目前常用的膜污染分析方法（如XPS、SEM、ATR\FTIR等）则无法达到这种效果（Gorzalski and Coronell， 2014）。常规拉曼光谱法适于对清洁膜表面特性进行分析，但是对膜表面的污染物质分析灵敏度较差，而表面增强拉曼光谱法可以快速、方便地对污染膜表面进行原位分析，因此Lamsal等采用表面增强拉曼光谱法对纳滤膜处理饮用水的膜污染进行了分析（Lamsal et al， 2012）。李建新等采用超声时域反射法（（Ultrasonic time\domain reflectometry，UTDR）在线监测纳滤膜的生物污染，利用超声信号的变化来指示膜污染的变化（李建新，2007）。Bass等研究了一种基于ATR\FTIR技术获得膜表面覆盖层厚度的方法，根据已知膜表层的光学常数（折射率、消光系数），便可估算出覆盖层的厚度，利用该方法可以计算膜表面污染层的厚度（Bass and Frege，2015）。开发新型可靠的膜污染分析方法，尤其是多种物质共同作用的膜污染机制研究方法，是纳滤膜污染研究需要解决的难题之一。

3、膜污染模型及预测

膜污染的数学模型可以分为3种：一是从膜的结构、特征出发描述污染现象的模型，如膜孔堵塞模型、沉积层阻力模型等；二是指数经验模型；三是计算机软件开发模型，如神经网络模型和计算流体力学模型等（陈安稳等，2012）。常用膜污染模型如表 4所示。

表 4 常用膜污染数学模型

Picioreanu等（2009）利用计算流体力学（CFD）模型将流体动力学、溶质迁移以及膜表面生物膜形成进行模拟计算，结果表明膜表面生物量的累积严重影响了进水流道的压力降、液体流速分布及液体停留时间，该研究结果可进一步为膜系统的设计及运行提供指导；Zhao等（2013）利用密度泛函理论（Density function theory，DFT）对纳滤去除全氟辛烷磺酸（Perfluorooctane sulfonate，PFOS）过程中的PFOS和Ca2+的络合情况进行了计算，可以为Ca2+存在情况下的膜污染研究提供借鉴；Song等（2013）在采用纳滤膜技术软化海水的研究过程中，根据溶液电解质理论，通过计算膜表面的过饱和指数（SI），对膜表面的结垢趋势进行了成功预测；Joss等（2011）采用Phreeqc软件计算MBR\NF工艺处理城市污水过程中的SI值，从而对膜的无机污染形成进行探讨。近年来，基于介观尺度的耗散粒子动力学（Dissipative particle dynamics，DPD）模拟方法，作为联系宏、微观模拟的纽带，在研究软物质流动及形态结构的工作中起到了很大作用，该方法可以用来研究两亲分子在溶液中自发形成聚集体的条件和动力学过程，由此推测其可以应用于污染物的相互作用及膜污染的形成过程研究中（Feng et al，2012），但目前尚未见有此类方法用于纳滤膜污染研究的报道。开发纳滤膜处理废水过程中的计算机模拟技术，从而实现对不同废水纳滤膜污染的分析及预测，是今后研究纳滤膜污染问题的主要方向之一。