反滲透/納濾膜剖檢分析與膜污染診斷研究進(jìn)展

反滲透（RO）/納濾（NF）膜元件在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)不可避免地發(fā)生膜污染，當(dāng)產(chǎn)水水質(zhì)無法滿足應(yīng)用指標(biāo)時(shí)，就需要對(duì)膜元件進(jìn)行更換。膜剖檢分析是研究和確定膜污染最直觀有效的方法，通過膜剖檢分析及膜污染診斷可以為膜元件的日常維護(hù)、膜系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和膜性能修復(fù)提供有效依據(jù)。但是，目前對(duì)于膜剖檢分析的實(shí)踐及膜污染診斷研究還不系統(tǒng)、不全面。本文針對(duì)RO/NF膜剖檢分析及膜污染診斷相關(guān)研究，介紹了膜元件剖檢分析流程和各類膜污染分析方法，分析了實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，并根據(jù)膜剖檢分析的意義和價(jià)值，重點(diǎn)綜述了膜污染成分診斷、膜污染分布情況診斷、不同應(yīng)用場(chǎng)景膜污染情況對(duì)比和不同膜材料的污染情況對(duì)比研究進(jìn)展，以期為膜污染機(jī)制研究、膜污染預(yù)防控制和膜系統(tǒng)運(yùn)行改善提供參考。

反滲透（RO）和納濾（NF）膜技術(shù)作為水處理工藝常用技術(shù)，已在苦咸水脫鹽、海水淡化、工業(yè)廢水處理、市政廢水處理等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而膜在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，表面會(huì)不可避免地被膠體、微生物、雜質(zhì)顆粒及難溶鹽類等物質(zhì)污染。當(dāng)產(chǎn)水水質(zhì)無法滿足應(yīng)用指標(biāo)時(shí)，就需要對(duì)相應(yīng)膜元件進(jìn)行更換，由此產(chǎn)生的廢舊膜數(shù)量逐年增加。由于膜污染是造成膜性能下降的主要影響因素，所以膜污染的預(yù)測(cè)和診斷研究是了解膜污染程度、研究膜污染形成機(jī)理及預(yù)防膜污染發(fā)生的關(guān)鍵。膜污染預(yù)測(cè)和診斷的常用方法主要包括進(jìn)水污染潛勢(shì)評(píng)價(jià)法、平均停留時(shí)間法、膜剖檢分析法等，盡管通過進(jìn)水水質(zhì)和污染發(fā)生指標(biāo)的變化可以對(duì)膜污染進(jìn)行預(yù)判，但是膜剖檢分析法還是目前研究和確定膜污染最直觀有效的方法。膜元件經(jīng)過離線檢測(cè)、膜解剖及一系列表征后，由剖檢結(jié)果得到的膜污染診斷結(jié)論可以用來評(píng)估膜污染狀態(tài)和膜性能損失程度，從而為膜元件日常維護(hù)、膜系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和膜性能修復(fù)提供有效依據(jù)，但是目前對(duì)膜剖檢分析的實(shí)踐及膜污染診斷研究還不系統(tǒng)、不全面。因此，本文首先對(duì)膜剖檢分析流程進(jìn)行介紹，分析了實(shí)際應(yīng)用中存在的問題；其次，對(duì)常用的膜污染診斷分析方法及其作用進(jìn)行了分類歸納總結(jié)；最后，根據(jù)膜剖檢分析的意義和價(jià)值，按膜污染成分診斷、膜污染分布情況診斷、不同應(yīng)用場(chǎng)景膜污染情況對(duì)比和不同膜材料的污染情況對(duì)比四部分進(jìn)行綜述，以期對(duì)膜污染機(jī)制研究、膜污染預(yù)防控制和膜系統(tǒng)運(yùn)行改善提供參考。

1 膜元件剖檢分析流程

膜元件剖檢分析流程主要包括對(duì)膜元件的選擇、檢測(cè)和分析，具體是指剖檢對(duì)象選擇、物理外觀檢測(cè)、剖前測(cè)試、膜解剖及內(nèi)部檢測(cè)、膜污染表征及診斷分析五個(gè)步驟。圖1是膜剖檢分析流程圖。

1.1 剖檢對(duì)象選擇

一套膜系統(tǒng)包含的膜元件數(shù)量眾多，且分別處在系統(tǒng)的不同位置，想要清楚地了解系統(tǒng)膜污染的情況，需對(duì)具有代表性的膜元件進(jìn)行選擇和剖檢分析。剖檢對(duì)象通常選擇污染嚴(yán)重位置的第一支膜元件和最后一支膜元件，可分別說明膜污染情況和膜結(jié)垢情況。但由于不同膜系統(tǒng)存在處理工藝和運(yùn)行狀況的差異性，所以膜污染分析也可根據(jù)需要選擇其他位置的膜元件進(jìn)行剖檢。

1.2 物理外觀檢測(cè)

膜元件的物理外觀檢測(cè)主要包括目測(cè)外觀檢查和元件質(zhì)量稱重。目測(cè)外觀檢查是對(duì)膜元件的端蓋、端面、膜卷、外纏繞玻璃鋼、中心管、密封圈等部位的污染和磨損情況進(jìn)行觀察并作詳細(xì)記錄，通過檢查判斷膜元件是否存在望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)象、玻璃鋼破損、O形圈泄漏等物理?yè)p傷，為后續(xù)規(guī)范膜元件運(yùn)行操作、分析膜污堵或結(jié)垢情況提供相關(guān)信息；元件質(zhì)量稱重則是根據(jù)膜元件前后質(zhì)量增加情況判斷其受污染的嚴(yán)重程度。

1.3 剖前測(cè)試

剖前測(cè)試主要包括標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試、探針測(cè)試和加壓染料測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試是測(cè)試膜元件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的產(chǎn)水量和脫鹽率，并與出廠性能作比較，評(píng)估膜元件的性能變化情況；探針測(cè)試是對(duì)元件中心管進(jìn)行分段產(chǎn)水電導(dǎo)率測(cè)試，用以檢測(cè)鹽滲漏位置；加壓染料測(cè)試是對(duì)膜元件進(jìn)行含有紅色染料（常用羅丹明）原水的加壓測(cè)試，若產(chǎn)水顯紅色說明膜元件存在壞點(diǎn)，并可通過后續(xù)膜解剖查看膜面損壞位置。

1.4 膜解剖及內(nèi)部檢測(cè)

膜解剖是對(duì)膜元件進(jìn)行破壞性拆解后，對(duì)膜元件進(jìn)行相關(guān)內(nèi)部檢測(cè)。內(nèi)部檢測(cè)主要包括膜袋、膜卷原水進(jìn)口端、濃水出口端、濃淡水隔網(wǎng)、膜片表面污染物的檢查。一方面可通過膜袋最外側(cè)膜片的折痕判斷產(chǎn)水背壓現(xiàn)象，另一方面通過詳細(xì)記錄的污染物顏色、性狀和氣味對(duì)膜污染情況進(jìn)行初判，并對(duì)膜樣品和污染物分別進(jìn)行裁剪和收集，以作后續(xù)分析。

1.5 膜污染表征及診斷分析

對(duì)之前收集到的污染物和污染膜分別進(jìn)行不同的分析表征測(cè)試，根據(jù)不同污染物對(duì)應(yīng)不同分析方法的相應(yīng)特征，診斷分析后確定膜污染組成，分析過程中一般還可以結(jié)合水樣分析結(jié)果作進(jìn)一步確認(rèn)。納濾膜元件和反滲透膜元件類似，因此這兩種膜元件的剖檢分析及膜污染診斷方法相同而碟管式納濾和碟管式反滲透由于具有不同的膜組件結(jié)構(gòu)，其廢水處理后的膜材料易于獲取，所以可直接對(duì)這兩種膜進(jìn)行膜污染診斷分析。并且，由上述膜元件剖檢分析流程可看出，完整的膜剖檢步驟較多，部分測(cè)試項(xiàng)目操作較復(fù)雜。在實(shí)際運(yùn)行中存在一些膜元件由于進(jìn)水水質(zhì)的預(yù)處理較好，其進(jìn)濃水的端蓋處可供收集分析的污染物很少，對(duì)于這種膜元件就只能對(duì)解剖后的污染膜進(jìn)行表征分析或?qū)⒛け砻嫔系奈廴疚锶芙夂笤俜治?。因此，在膜剖檢分析的實(shí)踐應(yīng)用中，研究人員大多會(huì)省去較復(fù)雜和不易操作的步驟，重點(diǎn)對(duì)特定的膜元件進(jìn)行離線性能測(cè)試、膜解剖和污染膜的表征分析，但這也導(dǎo)致了目前實(shí)際應(yīng)用的膜剖檢分析研究還不系統(tǒng)、不全面，有待進(jìn)一步完善，使膜剖檢分析的意義和價(jià)值得到充分利用。

2 膜污染診斷分析方法

為判斷膜元件污染類型，通常需結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)剖檢后收集到的污染膜和污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)構(gòu)表征分析。根據(jù)不同膜污染診斷分析方法的特點(diǎn)，表1按實(shí)驗(yàn)測(cè)試類、結(jié)構(gòu)表征類和水樣分析類對(duì)不同方法及其作用進(jìn)行了分類總結(jié)。灼燒分析實(shí)驗(yàn)（LOI）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜（EDS）、傅里葉變換衰減全反射紅外光譜（ATR-FTIR）、電感耦合等離子發(fā)射光譜/質(zhì)譜（ICP-MS/OES）、離子色譜（IC）等是最常見的膜污染診斷分析方法，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和表征結(jié)果可以確定相應(yīng)的膜污染類型；原子力顯微鏡（AFM）、X射線光電子能譜（XPS）、核磁共振（NMR）、接觸角、zeta電位等則作為輔助分析方法，可以進(jìn)一步了解污染物及污染膜表面結(jié)構(gòu)及特性；盧瑟福背散射分析（RBS）、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）、三維熒光光譜（3DEEM）、液相色譜-有機(jī)碳聯(lián)用檢測(cè)儀（LC-OCD）則是近年來用于膜污染診斷的分析方法，通過其測(cè)試結(jié)果可以更準(zhǔn)確地判斷膜污染類型。上述大部分儀器在國(guó)內(nèi)高?；蚩蒲性旱姆?析測(cè)試平臺(tái)屬于常用儀器，但部分儀器如RBS和LC-OCD在國(guó)內(nèi)僅少數(shù)科研院校擁有，因此，國(guó)內(nèi)少有該種儀器用于膜污染診斷的研究。

3 RO/NF膜剖檢及膜污染診斷分析

3.1 膜污染成分診斷

膜污染主要包括四種類型，分別為無機(jī)污染、有機(jī)污染、生物污染和膠體顆粒污染。雖然水樣檢測(cè)分析可以確定水中污染成分及其濃度，還可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果預(yù)測(cè)膜面發(fā)生污染的風(fēng)險(xiǎn)，但是水樣檢測(cè)結(jié)果不能真實(shí)反映膜表面的污染情況，膜剖檢分析卻可以為膜污染成分和污染程度的診斷提供有效依據(jù)。因此，研究者常使用膜剖檢分析對(duì)污染物、污染膜進(jìn)行不同的表征測(cè)試，再結(jié)合水樣檢測(cè)結(jié)果確定膜污染的具體類型和成分。

3.1.1 無機(jī)污染

無機(jī)污染主要是由水中存在的無機(jī)鹽在膜表面逐漸累積，最終形成的無機(jī)垢所引起的。無機(jī)鹽結(jié)垢過程較復(fù)雜，常存在多種無機(jī)鹽的共沉淀和相互作用。SEM、EDS、XRD等結(jié)構(gòu)表征和膜表面滴酸測(cè)試是常用的無機(jī)污染診斷手段。Ruiz-García等對(duì)用于苦咸水脫鹽運(yùn)行11年的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是四種不同位置的膜元件，分別包含一段和二段反滲透系統(tǒng)的首末支膜。其中一段的第一支膜可以直觀地看到有褐色沉積物，二段的最末支膜可以看到有粗糙的黃色垢，經(jīng)SEM-EDS表征及膜表面滴酸分析，得出膜污染物主要是含有碳酸鈣和硅鋁酸鹽的無機(jī)污染。XPS是常用于表征膜表面元素組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析手段，但XPS只能檢測(cè)膜皮層頂端，檢測(cè)深度一般只有7nm；RBS也可以用于分析膜表面元素組成和結(jié)構(gòu)，且RBS檢測(cè)深度約2μm，比XPS能檢測(cè)的深度更深，因此RBS還能用于檢測(cè)污染層的厚度。Gorzalski等利用RBS研究膜表面污染物情況，對(duì)用于含硅地下水處理運(yùn)行2.5年的納濾膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是一段和二段納濾系統(tǒng)的首末支膜元件。通過SEM、XPS、RBS等表征分析，得出膜污染物主要是含有Fe、Ca、Si、Al、S元素的無機(jī)污染，其中一段膜元件的Si和Al含量較高，二段膜元件的Ca污染較重。表2和圖2是RBS對(duì)污染前后膜的表征結(jié)果對(duì)比，由RBS結(jié)果可得到XPS無法獲得的信息，如不同工段的污染層厚度不同，并且RBS能探測(cè)整個(gè)污染層，與XPS只能探測(cè)皮層所得到的Si元素含量不同。

3.1.2 有機(jī)污染

有機(jī)污染主要由水中的腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)和多糖等有機(jī)物引起的。通過EDS的元素檢測(cè)結(jié)果也可以判斷污染物是否為有機(jī)污染。Farhat等對(duì)苦咸水處理膜元件進(jìn)行了剖檢分析，膜元件表面有大量的棕色污染物，通過對(duì)污染膜和膜表面沉積的污染物分別作EDS表征，結(jié)果顯示污染物的主要元素組成均為C、O、N，說明膜污染主要是有機(jī)污染。雖然EDS結(jié)果可以確定為有機(jī)污染，但卻不能對(duì)有機(jī)污染的類型作出診斷。紅外表征分析（IR和ATR-FTIR）是診斷有機(jī)污染類型的重要表征手段，研究者可以根據(jù)不同物質(zhì)不同的出峰位置對(duì)相應(yīng)的有機(jī)物進(jìn)行判斷。Zheng等對(duì)用于火力發(fā)電廠廢水回用的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是污染嚴(yán)重的6月份使用的一段反滲透系統(tǒng)的第一支膜元件，觀察到收集的污染物是淺棕色的疏松結(jié)構(gòu)，并伴有魚腥味。圖3是ATR-FTIR對(duì)污染物的表征結(jié)果，由各物質(zhì)的特征峰分析可得膜污染物主要是蛋白質(zhì)類（3279cm-1，1635cm-1，1540cm-1）、腐殖質(zhì)類（3279cm-1，2972cm-1，1405cm-1）和多糖類（2972cm-1，1050cm-1）。

除了污染物和污染膜的表征外，水樣分析結(jié)果也可以對(duì)有機(jī)污染類型作出診斷。Jeong等對(duì)用于海水淡化運(yùn)行8年的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是三種不同位置的膜元件，分別位于一級(jí)反滲透系統(tǒng)的前部、中部和后部。污染膜的表面可以看到有一層均勻的褐色沉積物，濃水側(cè)隔網(wǎng)和進(jìn)水側(cè)污染較重，產(chǎn)水側(cè)附近污染最輕。由LC-OCD和3D-EEM表征的水樣測(cè)試結(jié)果（圖4）分析可得，膜的有機(jī)污染物主要是腐殖質(zhì)物質(zhì)和小分子中性物質(zhì)。Tang等對(duì)用于城市污水回用處理運(yùn)行2個(gè)月的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析，該元件位于一段反滲透系統(tǒng)，通過LOI、FTIR、DOC、EEM、樹脂分離等分析，得出膜污染物大部分是含不飽和碳或芳香環(huán)的微生物類和腐殖質(zhì)類有機(jī)污染。許家晟等對(duì)用于自來水廠出水深度處理的碟管式納濾膜進(jìn)行了膜污染分析，從膜表面可明顯看到一層較滑膩的黃色污泥層，并伴有黑色顆粒物質(zhì)，且底部出水端膜片污染更嚴(yán)重。通過SEM-EDS分析得出，膜污染物以有機(jī)污染為主，經(jīng)FTIR和3D-EEM進(jìn)一步分析得出，膜表面的有機(jī)污染成分主要是類富里酸物質(zhì)、類腐殖酸物質(zhì)及一些微生物代謝產(chǎn)物，并存在一定程度的生物污染。

3.1.3 生物污染

生物污染主要是微生物及其代謝產(chǎn)物在膜表面黏附形成的膜污染。雖然預(yù)處理可以在一定程度上對(duì)微生物進(jìn)行有效去除，但殘生的微生物繁殖速度極快，因此生物污染在反滲透/納濾膜系統(tǒng)中是最難控制的膜污染。并且，環(huán)境溫度高也會(huì)導(dǎo)致微生物滋生迅速，因而夏季膜系統(tǒng)的生物污染會(huì)比其他季節(jié)更加明顯。Xu等對(duì)用于市政廢水處理3個(gè)月的納濾膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是一段和二段系統(tǒng)的膜元件。由16S rDNA高通量測(cè)序分析了膜表面的微生物群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明膜表面的優(yōu)勢(shì)菌群主要為變形菌門和擬桿菌門，且一段膜元件微生物群落的多樣性要高于二段膜元件，說明一段系統(tǒng)的生物污染較嚴(yán)重。

3.1.4 膠體顆粒污染

膠體顆粒污染主要是由水中生成的膠體物質(zhì)和沉積的黏土、淤泥等顆粒所產(chǎn)生的，易造成膜孔堵塞并形成濾餅層。反滲透系統(tǒng)常用污染密度指數(shù)（SDI）判斷系統(tǒng)進(jìn)水的膠體顆粒污染程度，并用超濾對(duì)反滲透或納濾進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理，但其中粒徑較小的膠體顆粒無法被超濾所截留，這些污染物進(jìn)入反滲透/納濾膜系統(tǒng)后往往被第一支膜所吸附，因此，膜系統(tǒng)的膠體顆粒污染常發(fā)生在首支膜元件的進(jìn)水端。Gorzalski等通過SEM、XPS、RBS等表征分析，得出一段納濾膜元件主要是硅鋁酸鹽膠體污染。Ho等對(duì)新加坡新生水廠運(yùn)行8個(gè)月的反滲透膜進(jìn)行了剖檢分析，由SEM觀察到污染膜表面存在較厚污染的濾餅層，結(jié)合EDS和LC-OCD的表征結(jié)果進(jìn)一步證明，膜污染物主要是磷酸鈣膠體顆粒。

3.1.5 協(xié)同污染

膜污染的形成與進(jìn)水的水質(zhì)條件關(guān)系密切，因此，對(duì)于水質(zhì)成分復(fù)雜的廢水處理膜，其膜污染通常還表現(xiàn)為多種污染物的協(xié)同作用。Li等對(duì)煤化工廢水處理系統(tǒng)苦咸水反滲透裝置的一段和二段RO膜元件進(jìn)行了剖檢分析。針對(duì)每個(gè)膜元件樣品，隨機(jī)選擇一個(gè)膜袋并按照“九宮格”分布，每個(gè)部分裁剪10cm×10cm膜片樣本進(jìn)行進(jìn)一步分析表征。SEM-EDS、XPS、ATR-FTIR、3D-EEM等表征結(jié)果表明，沿著進(jìn)水方向從第一段到第二段，有機(jī)物污染全程污染嚴(yán)重，無機(jī)污染逐漸加劇，而微生物污染呈不斷減輕的趨勢(shì)。其中有機(jī)污染物主要是蛋白質(zhì)，無機(jī)污染物為Ca、Fe、Si所形成的沉淀物。CLSM可以清晰地顯示多種污染物的協(xié)同作用，圖5是CLSM表征結(jié)果，圖中藍(lán)色代表β-吡喃糖，綠色代表蛋白質(zhì)，粉色代表核酸，由圖可見幾種污染物明顯地互相交織在一起，從而得出膜污染存在多糖和鈣離子架橋形成的有機(jī)-無機(jī)協(xié)同污染。

Chon等對(duì)用于地表水作飲用水處理的納濾膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是二段納濾系統(tǒng)的第一支膜元件，通過水洗、酸洗和堿洗后的膜與初始膜及污染膜性能、結(jié)構(gòu)對(duì)比，結(jié)合IC、ICP、3D-EEM、SEM-EDS、ATR-FTIR、zeta電位、接觸角等表征分析，得出膜污染物主要是含有Al、Ca、Cu、Fe、Mn、Mg、Zn、B、Si元素的無機(jī)污染物和含有親水性的多糖類、蛋白類及疏水性的腐殖質(zhì)類的有機(jī)污染物。Sharma等對(duì)用于釀酒廠酒糟水處理運(yùn)行6個(gè)月的碟管式反滲透膜進(jìn)行了膜污染分析，從膜表面可直觀看到膜片發(fā)生嚴(yán)重褪色，且有一層淡紅色污染物。通過對(duì)污染膜進(jìn)行SEM-EDS和AFM分析，并結(jié)合膜上污染物的FTIR和XRD分析，得出膜污染主要由膠體顆粒、含多糖類和胺類的有機(jī)物以及含Ca2+、Mg2+、Fe2+、的多價(jià)離子共同引起。

3.2 膜污染分布情況診斷

因?yàn)槟て蕶z需要對(duì)膜元件進(jìn)行拆卸解剖，這種破壞性的拆解可以更加直觀地了解膜內(nèi)部污染情況，所以膜剖檢分析有助于診斷膜內(nèi)部污染分布情況，也可對(duì)膜系統(tǒng)中處于不同工藝段膜元件的污染情況進(jìn)行診斷分析。Kim等對(duì)用于苦咸水脫鹽的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析，剖檢對(duì)象選擇的是三種不同位置的膜元件，分別位于一級(jí)反滲透系統(tǒng)的第二支、二級(jí)反滲透系統(tǒng)的第一支和第三支。通過SEM、AFM、LOI、接觸角、ICP-MS、EEM等表征分析，得出膜污染大部分是含有蛋白質(zhì)類和富里酸類的有機(jī)污染，以及少量含F(xiàn)e、Al、Si元素的無機(jī)污染和生物污染。他們還對(duì)同一膜袋正反兩面同一位置的膜污染分布情況做了研究，如圖6所示，正反兩面污染膜的顏色有明顯差異，但兩面污染膜除了元素組成不同，其他剖檢結(jié)果均相同。他們認(rèn)為造成正反兩面膜污染分布不同的原因主要是膜袋兩側(cè)對(duì)流力的差異，反面對(duì)流力較強(qiáng)會(huì)引起較重的膜污染，因此其污染層較厚。

Nejati等對(duì)運(yùn)行7年遭受嚴(yán)重生物污染的海水淡化膜元件進(jìn)行了剖檢分析，選取了膜袋進(jìn)水側(cè)和外側(cè)污染較重的6個(gè)不同位置進(jìn)行裁剪取樣。表征結(jié)果表明，膜進(jìn)口處的生物污染更為嚴(yán)重，可能是由復(fù)雜的微生物引起的。此外，沿著膜袋外緣向中心管方向污染情況不斷加劇，這主要是水力條件不同造成的。Tong等對(duì)污水再生廠苦咸水脫鹽裝置的反滲透膜元件進(jìn)行了剖檢分析。該苦咸水脫鹽裝置為兩段設(shè)計(jì)，每段裝配6支膜元件，選取兩段反滲透的12支膜分別進(jìn)行了取樣分析。其中，沿進(jìn)水方向首端第一支膜元件的有機(jī)污染、無機(jī)污染和微生物污染均最為嚴(yán)重，第二至第七支膜元件污染程度最輕，最末端膜元件污染情況同樣嚴(yán)重。經(jīng)SEM、AFM、接觸角、DOC、ICP等表征測(cè)試分析，得出無機(jī)污染物主要是鐵和鈣沉淀物，有機(jī)污染物為氨基酸、有機(jī)物、多糖以及類黃腐酸有機(jī)質(zhì)。

3.3 不同應(yīng)用場(chǎng)景膜污染情況對(duì)比

膜污染類型通常和原水水質(zhì)有很大關(guān)系，不同的原水條件所形成的膜污染差異較大，反滲透膜主要應(yīng)用的場(chǎng)景有海水淡化、工業(yè)廢水處理、市政廢水處理等，因此膜剖檢還可用于不同應(yīng)用場(chǎng)景膜污染類型和污染狀況的對(duì)比分析。Khan等分別對(duì)廢水回用反滲透膜元件（WWRO）和海水淡化反滲透膜元件（SWRO）進(jìn)行了剖檢分析，并對(duì)比了兩種膜元件的污染物組成，剖檢對(duì)象選擇的都是一段反滲透系統(tǒng)的首末支膜元件。經(jīng)ICP-OES、LOI、SEM-EDS、FTIR、NMR等表征分析，得出兩種系統(tǒng)的第一支膜都存在生物污染且生物高分子分布類似，但WWRO比SWRO污染嚴(yán)重；最末支SWRO主要是腐殖質(zhì)類的有機(jī)污染和來自亞硫酸氫鹽的Ca、S無機(jī)污染，而最末支WWRO則主要是CaH(PO4)、CaSO4、FeS的無機(jī)污染；WWRO的微生物污染為β-變形菌，SWRO則是丙型和甲型變形菌。Luo等分別對(duì)市政污水處理廠（A廠）和工業(yè)廢水處理廠（B廠）二級(jí)生化處理出水反滲透處理系統(tǒng)的膜元件進(jìn)行了剖檢分析，樣品分別取自兩端膜系統(tǒng)的最首端和尾端的膜元件。通過SEM、AFM、LOI、ICP、EEM等表征測(cè)試結(jié)果表明，兩種情景中均為首端膜元件污染嚴(yán)重，且A廠運(yùn)行的膜元件污染情況整體更為嚴(yán)重，但兩廠膜元件的活性微生物分布情況相同：A廠的膜元件無機(jī)污染中Ca含量最高，而B廠膜元件中Fe含量最高；有機(jī)污染物A廠膜元件主要為蛋白質(zhì)，B廠則主要為多糖。上述研究結(jié)果表明，海水淡化的反滲透膜污染主要是無機(jī)污染和生物污染，這主要是因?yàn)楹Ｋ泻写罅康柠}類且存在復(fù)雜的微生物等污染源；市政廢水處理的反滲透膜污染與進(jìn)水水源有較大關(guān)系，不同水源處理的膜污染不盡相同，但隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，市政廢水的處理越來越多且膜污染日趨嚴(yán)重；工業(yè)廢水處理的反滲透膜污染則較為復(fù)雜，這主要是由于不同行業(yè)的生產(chǎn)工藝不同，所產(chǎn)生的廢液又含有大量的工業(yè)原料、中間產(chǎn)物及副產(chǎn)物等，導(dǎo)致工業(yè)廢水的種類繁多且成分復(fù)雜，從而形成的膜污染也較為復(fù)雜。

3.4 不同膜材料的污染情況對(duì)比

膜污染程度和膜材料也有很大關(guān)系，不同的膜材料耐污染性相差較大。商品反滲透膜材料主要為醋酸纖維素、聚酰胺和復(fù)合材料，而商品納濾膜材料則主要為醋酸纖維素、聚酰胺和磺化聚醚砜，其中聚酰胺復(fù)合膜由于不易水解、化學(xué)穩(wěn)定性好和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的反滲透和納濾膜材料。Sachit等對(duì)醋酸纖維素、聚酰胺和復(fù)合材料三種不同材料的反滲透膜進(jìn)行了模擬苦咸水污染情況研究，通過SEM和EDS表征對(duì)比分析了三種不同膜材料對(duì)無機(jī)垢形成的影響，結(jié)果表明膜材料的表面粗糙度對(duì)無機(jī)垢形貌及污染程度影響較大，其中復(fù)合材料反滲透膜展現(xiàn)出了較好的膜性能。

4 結(jié)語(yǔ)

膜剖檢是一種用于了解膜污染程度和分析膜污染成因的有效方法，盡管這種方法需要對(duì)膜元件進(jìn)行破壞性拆解，但卻可以直觀地對(duì)膜污染進(jìn)行更加準(zhǔn)確且全面的分析。LOI、SEM、EDS、ATR-FTIR、ICP、IC等是最常見的有機(jī)污染和無機(jī)污染的診斷分析方法，CLSM、焦磷酸測(cè)序分析、16S rDNA高通量測(cè)序分析則是常用的生物污染診斷分析方法，結(jié)合AFM、XPS、NMR、接觸角、zeta電位等輔助表征，可進(jìn)一步了解污染物及污染膜的表面結(jié)構(gòu)組成和性能變化；RBS、3D-EEM、LC-OCD等表征則是近年來常用于膜污染的診斷分析方法，通過其測(cè)試結(jié)果可以更準(zhǔn)確地判斷膜污染類型。但目前實(shí)際應(yīng)用的膜剖檢分析會(huì)省略多數(shù)步驟，使得研究過程不系統(tǒng)、不全面，還有待進(jìn)一步完善使膜剖檢分析的意義和價(jià)值最大化。膜污染類型通常和原水水質(zhì)條件有很大關(guān)系，不同水質(zhì)處理的膜元件其膜污染差異較大，且長(zhǎng)期運(yùn)行的膜元件往往受到多種類型的污染物協(xié)同發(fā)生的污染作用，因此，為減輕膜污染對(duì)膜壽命的影響，一方面需從源頭開始，在膜系統(tǒng)運(yùn)行前做好進(jìn)水的預(yù)處理，同時(shí)加強(qiáng)膜系統(tǒng)的運(yùn)行操作規(guī)范，一旦出現(xiàn)膜污染及時(shí)進(jìn)行高效的膜清洗和性能恢復(fù)；另一方面從制膜材料和加工工藝角度，加強(qiáng)新膜的耐污染性從而有效減少膜元件的受污染程度，也是未來延長(zhǎng)膜使用壽命的研究重點(diǎn)。

編輯：趙利偉