混凝预处理可能加剧反渗透膜污染

为什么更清洁的水并不总是那么简单

现代工业面临越来越大的压力，需要回用水并几乎不排放液体废物。一项实现“零液体排放”方案的关键技术是反渗透，在该技术中，水被迫通过一层薄膜，盐和污染物被阻挡。为了保护这些脆弱的膜，工程师通常在过滤前加入使微小颗粒凝聚的化学品。本研究表明，这类预处理长期被认为有益，但出人意料地可能使膜污染更严重并削弱整个系统的表现。

工厂如何尽可能回收每一滴水

许多发电厂和化工厂现在依赖多步骤处理链来净化含盐且污染的废水。在去除大块杂质后，一个常见的后续步骤是混凝，即将铁或铝基盐加入水中，使细小颗粒和天然有机物结合以便被过滤掉。剩余的水随后通过低压过滤器，最后进入高压反渗透装置，将净水与浓盐水分离。在传统的海水淡化中，这一策略行之有效。但在以上游使用膜而非砂滤的工业系统中，部分金属混凝剂会残留并通过，操作人员注意到反渗透膜出现比预期更快的 puzzling（令人困惑的）污染现象。

并列测试不同的预处理方案

研究人员用来自燃煤电厂的真实脱硫废水搭建了中试规模的处理线。他们比较了三种设置：不加混凝剂、使用铝盐和使用铁盐，同时保持压力、流量和初始性能相同。20天内，所有膜的效率都逐渐下降，但在使用混凝剂的情况下下降更为严重。未混凝的对照系统水通量下降约四分之一，铝处理系统下降约一半，而铁处理系统下降超过三分之二。显微图像显示，对照组的污染层较薄且开放，铝处理下更厚，而铁处理下的污染层最厚且最致密。

膜表面上发生了什么

通过结合电子显微镜、化学分析和荧光方法，研究团队解析了膜上沉积的物质。铝预处理主要促成无机结垢，铜等金属与铝和其他矿物一同沉积，形成相对脆弱的层，微生物活性在一定程度上受抑制。相比之下，铁预处理产生了无机颗粒、有机物和致密生物生长的丰富混合物。铁在表面强烈累积，并以微生物可利用的形态存在。这促使微生物分泌大量黏性聚合物，形成厚重的交联黏膜，捕获更多颗粒并使污垢层逐渐疏水化。

微生物与金属的协同作用

基因测序显示，污染层中的微生物群落随不同预处理显著变化。在对照情况下，少数常见细菌占主导，产生足以污染膜的黏液，但未形成极其复杂的群落。在富铁条件下，能够结合铁、耐受铜并产生黏性聚合物的更广泛物种蓬勃发展。它们的相互作用网络更为稳定和紧密，支持了强劲的生物膜生长。研究者还发现，与铁摄取、碳水化合物和氨基酸利用及保护性聚合物生成相关的基因显著上调。在富铝条件下，微生物面临更强的铜驱动氧化应激，内部损伤水平更高、保护系统较弱，这限制了但并未阻止污染形成。

重新思考为高密封膜准备水的方法

总体而言，这项研究解释了为何表面上看起来有益的预处理步骤在现代工业系统中反而会适得其反。尤其是残留铁会将膜表面变成坚韧、产黏液微生物的沃土，形成厚重且难以去除的污染层，而铝则将平衡偏向矿物结壳和受压的群落。对工程师而言，这意味着简单地加入更多混凝剂并非保护膜的安全途径。相反，应在设计中限制到达反渗透阶段的金属量，例如在混凝后使用更紧密的过滤或砂床、认真监测残留金属和有机物，并可能选择替代混凝剂。简而言之，保护高性能膜需要将预处理、化学和微生物学视为一个相互关联的系统。

引用: Ding, H., Liang, S., Lin, W. et al. Coagulation pretreatment could deteriorate reverse osmosis membrane fouling. Nat Commun 17, 4168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70892-4

关键词: 反渗透, 膜污染, 零液体排放, 工业废水, 混凝