环境学院黄霞团队合作揭示混凝预处理可能加重反渗透膜污染的新机理
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清华新闻网3月23日电（通讯员 丁昊杰）在工业零排放系统中，反渗透（RO）膜是盐分浓缩与水资源回收的关键单元，但膜污染始终是制约其长期稳定运行的关键工程难题。混凝预处理作为RO前端的常规水质调节工艺，通常被视为减轻膜污染的有效措施，在工程实践中广泛应用。然而，长期运行情况显示，即使在混凝剂投加量符合设计规范的条件下，部分RO系统仍频繁出现通量异常衰减、污染层加速形成等现象。这一反常现象长期困扰着工程界，已成为亟须系统解析的认知盲区。针对上述问题，清华大学环境学院黄霞教授团队联合北京林业大学、中国科学院大学研究团队，系统揭示了混凝预处理中金属残留进入RO系统后对膜污染层形成过程的持续影响及关键作用机制，为理解与应对这一工程难题提供了科学依据。
研究显示，在相同运行工况下，采用混凝预处理的系统均表现出更快的通量衰减趋势，其中铁盐混凝工况的通量下降最为显著（图1）。这表明，混凝预处理除改善水质之外，还可能通过其他机制显著影响膜污染行为。
图1.混凝预处理条件下的RO膜污染特征与运行表现
在各混凝预处理条件下，RO膜污染层中无机元素、有机组分及生物相关特征呈现出明显不同的演化模式（图2）。研究发现，在铁盐混凝条件下，铁元素在膜表面持续富集，并伴随有机和生物相关组分的显著积累，表现出多种污染类型协同增强的特征；相比之下，铝盐混凝条件下污染层以无机沉积为主，而无混凝工况的污染组成变化相对单一。不同混凝条件通过改变各类污染之间的相互作用，驱动形成差异化的污染模式。
图2.RO膜污染层组成及其动态演化特征
研究进一步揭示了残余混凝剂影响膜污染的微生物代谢调控机制（图3）。在铁富集条件下，微生物代谢活动增强并促进胞外聚合物分泌，加速生物膜和复合污染层的形成；而在铝盐工况中，微生物代谢受到抑制，污染演化路径显著不同。这表明，混凝剂残留可通过调控微生物代谢过程，深度介入并引导RO膜污染的形成路径。
图3.残余混凝剂介导的微生物代谢调控机制
研究阐明，混凝预处理对RO膜污染的影响具有明显的过程性与系统性特征。其作用远非仅通过进水水质指标即可判定，混凝剂残留会在膜系统内持续作用，使膜污染演变为一个贯穿预处理与膜单元的耦合动态过程。这一发现为从系统运行层面深入理解膜污染的形成与控制提供了新视角，也为预处理工艺的工程设计与运行优化提供了重要科学依据。
研究成果以“混凝预处理会加剧反渗透膜污染”（Coagulation pretreatment could deteriorate reverse osmosis membrane fouling）为题，于3月19日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学环境学院教授黄霞、北京林业大学教授梁帅和中国科学院大学教授肖康为论文共同通讯作者，环境学院博士后丁昊杰为论文第一作者。论文合作者包括清华大学环境学院2022届博士毕业生林炜琛、2023届博士毕业生李宇舫、博士后陈超，北京林业大学2024届硕士毕业生高若楠，以及中国华能集团清洁能源技术研究院工程师李业。研究得到国家重点研发计划、北京市杰出青年科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和华能集团科技研发项目等的资助。
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