膜污染的数学建模、预测、诊断与缓解
文章导读
地球表面超过70%面积被水覆盖，但淡水资源仅占所有水资源的0.5%，加之森林火灾频发和极端干旱等气候事件，淡水资源短缺的问题日益严重。在此背景之下，反渗透 (Reverse Osmosis, RO) 膜分离技术在水处理中的应用越来越广泛。而 RO 系统运行过程中遇到的最大问题就是膜污染，膜污染不仅会降低膜的效能，而且也会缩短膜的使用寿命，从而增加系统的运行费用。加强对反渗透膜污染和清除方法的认知，有助于为后续的设计及运维提供借鉴，从而更好地利用反渗透膜技术。
膜污染主要是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，从而使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜生物反应器作为一种新型的废水处理和水资源回收技术，在水处理领域有着极为广泛的应用，然而膜污染却是膜生物反应器运用过程中不可避免的问题，因此严重影响其进一步推广。
基于此，阿联酋沙迦美国大学化学工程系的 Ghaleb Husseini 教授及其合作者在 Water 期刊发表了文章，回顾并总结了膜污染的不同类型、诱导因素、预测方法、诊断技术以及减缓策略，并着重介绍了 RO 系统中膜污染机制、影响因素以及控制这种现象的几种关键技术，从而为反渗透膜分离技术在工业污水资源化利用中长期、稳定运行提供了技术支持。
研究过程与方法
膜染物的类型
常见的污染物主要包括：悬浮颗粒与胶体、有机物、无机物、微生物。悬浮颗粒和胶体可以粗略地定义为尺寸范围为0.001—1 μm的细颗粒；有机污染物质主要包括腐殖酸、表面活性剂、蛋白质和碳水化合物等；无机污染物主要包括硫酸盐、碳酸盐、正磷酸盐和二氧化硅等；微生物污染物主要是指微生物 (包括细菌、藻类、真菌、病毒和其他高等生物) 在生物膜上的附着和积累，在反渗透过程中可能占总污物的40%。
污染预测
预测污水处理系统中的污染将有助于采取诊断和预防措施，从而迅速控制污染的负面影响。预测膜污染的策略主要包括：试验工厂评价系统的性能；使用污染指标；使用预测模型。其中，试验工厂评价通常需要约几千小时的测试时间以衡量膜系统的性能，尽管该方法能够合理地预测膜污染，但其成本极高且非常耗费时间。膜污染指标是预测性的量化物，它表明膜是如何易受污染的。其中，应用最广泛的污染指标是淤泥密度指数 (Silt Density Index, SDI) 和修正污染指数 (Modified Fouling Index, MFI)，然而这些指标有若干局限性，例如小型污染剂的污染预测不足 (＜0.45 μm) 以及忽略了可持续渗透压力效应等，因此目前的研究工作一直致力于提高这些指标的可靠性和准确性。除此之外，膜系统污染预测的另一种方法是引入并使用数学模型，这有助于对膜污染进行最优化的清除和预防，同时也有助于建立不同过滤变量之间的相互作用和关系。
膜完整性与污染诊断
进行正确的污染诊断是管理和控制膜污染的基本要素之一。一般来说，检查膜污染诊断的第一步是目测检查和从故障的膜容器中采集样品。膜完整性诊断包括两个步骤：彻底评估膜的电导特性，然后评估偏离预期性能的程度；检查膜功能失常的外周基质，并找出有缺陷的成分 (即连接器、端盖、垫圈、O 形环)。而鉴定膜完整性和污染源的最常见和全面的方法则是膜解剖，其步骤主要包括：外部检查、重量评估、机械完整性测试、染色试验、细胞试验、深入分析污染物。
反渗透膜污染防治
利用预处理技术、优化操作条件、膜清洗和开发新型膜等方法来防止或者延缓膜污染，对降低运行维护费用来说尤为重要。可以通过预处理方法 (主要包括悬浮颗粒与胶体防治办法、有机物污染防治办法、无机物预防治办法、微生物污染防治办法)，例如可以采用高速澄清池或者使用微滤/超滤系统，将悬浮于水中的小颗粒凝聚成大颗粒后过滤去除。此外，也可以采用优化操作条件 (如温度、压力和流体动力参数) 以调解膜污染并提高渗透质量。当污染达到一定程度，就需要对膜进行清洗以恢复其性能，一般常用的膜清洗方法有机械清洗、物理清洗、化学清洗和超声波清洗。除此之外，也可以基于对膜污染过程和现有抗污染膜作用机理开发新型膜，通过改变和优化膜表面的粗糙度、膜表面荷电和亲水性可以有效防止污染物沉积，从而减小微生物污染，降低清洗频次。
研究总结
RO 膜工艺是目前广泛应用于海水淡化的关键技术，而膜污染已成为反渗透膜运行中不可避免的问题，对于污染的控制已经成为延长反渗透膜使用寿命和降低运行成本的决定性因素。作者概述了膜污染的不同类型、影响因素、预测方法、膜完整性评估和污染行为诊断技术以及控制和管理污染发生的减缓策略。此外，作者也提出通过对膜材料的改进，有望在今后开发出具有廉价、抗污染、高效低能和寿命长等特点的理想反渗透膜。与此同时，伴随着生物技术和纳米材料等新技术的开发和应用，未来的反渗透膜应用将将更加广泛，同时也应注意反渗透技术与自然环境之间的和谐，以使反渗透技术的发展具有可持续性。
AlSawaftah, N.; Abuwatfa, W.; Darwish, N.; Husseini, G. A Comprehensive Review on Membrane Fouling: Mathematical Modelling, Prediction, Diagnosis, and Mitigation. Water 2021, 13, 1327. 10.3390/w13091327
主编：Jean-Luc PROBST, University of Toulouse, France
期刊涵盖所有水资源领域相关的科学技术，主要包括全球和区域水循环的可持续管理，水资源及其与粮食、能源、生物多样性、生态系统功能和人类健康的互联。期刊鼓励领域内研究人员发表实验、理论、建模和大数据等相关研究成果。
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