三、納濾膜技術(shù)在廢水深度處理中的膜污染研究方法（Research methods of nanofiltration membrane fouling in the advanced treatment of wastewater）。

在納濾膜技術(shù)深度處理廢水過程中，納濾膜污染的研究方法主要包括：

（一）采用模型污染物模擬廢水的組成以深入探討膜污染；

（二）采用各種分析及表征手段揭示膜污染的特征及機(jī)理；

（三）采用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)膜污染過程進(jìn)行分析及預(yù)測。

1、模型污染物

針對(duì)納濾膜深度處理二級(jí)生化出水產(chǎn)生的膜污染，國內(nèi)外學(xué)者多采用模型污染物研究污染物與納濾膜之間的相互作用。常用模型物質(zhì)如表 2所示。

表 2 納濾膜污染研究中常用模型污染物

Mo等利用海藻酸鈉與CaCl2研究了溶液中有機(jī)物與Ca2+離子相互作用對(duì)納濾膜污染的影響，證實(shí)了Ca2+可以通過架橋作用和海藻酸鈉聚合，從而改變進(jìn)水中污染物形態(tài)，加劇膜污染程度，并且發(fā)現(xiàn)Ca2+濃度存在一個(gè)限值（約3 mmol·L-1），當(dāng)超過這一限值時(shí)，膜污染程度減輕。Zazouli等研究了海藻酸鈉和腐殖酸2種性質(zhì)不同的有機(jī)物單獨(dú)作用和共同作用對(duì)膜污染的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同條件下海藻酸鈉引起的膜污染遠(yuǎn)比腐殖酸引起的膜污染嚴(yán)重。選擇模型污染物進(jìn)行研究有利于剖析污染物與膜污染之間的關(guān)系，揭示膜污染特征及形成機(jī)理，但是由于廢水成分非常復(fù)雜，在實(shí)際廢水中的膜污染狀況還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2、膜污染分析方法

目前對(duì)納濾膜污染的分析方法主要分為3大類，分別是以通量下降直觀表征膜污染程度、以洗脫液成份分析或污染層物質(zhì)分析判斷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等從微觀角度探索膜污染的特征及形成機(jī)理（Zazouli et al，2010）。具體分析方法及作用如表 3所示。

　　 表 3 納濾膜污染分析方法

Gorzalski等采用盧瑟福背散射光譜法（Rutherford backscattering spectrometry，RBS）對(duì)膜表面污染層進(jìn)行了分析，RBS可以用于測量污染層近表面約2 μm處的元素組成，從而更有利于推斷污染層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前常用的膜污染分析方法（如XPS、SEM、ATR\FTIR等）則無法達(dá)到這種效果（Gorzalski and Coronell， 2014）。常規(guī)拉曼光譜法適于對(duì)清潔膜表面特性進(jìn)行分析，但是對(duì)膜表面的污染物質(zhì)分析靈敏度較差，而表面增強(qiáng)拉曼光譜法可以快速、方便地對(duì)污染膜表面進(jìn)行原位分析，因此Lamsal等采用表面增強(qiáng)拉曼光譜法對(duì)納濾膜處理飲用水的膜污染進(jìn)行了分析（Lamsal et al， 2012）。李建新等采用超聲時(shí)域反射法（（Ultrasonic time\domain reflectometry，UTDR）在線監(jiān)測納濾膜的生物污染，利用超聲信號(hào)的變化來指示膜污染的變化（李建新，2007）。Bass等研究了一種基于ATR\FTIR技術(shù)獲得膜表面覆蓋層厚度的方法，根據(jù)已知膜表層的光學(xué)常數(shù)（折射率、消光系數(shù)），便可估算出覆蓋層的厚度，利用該方法可以計(jì)算膜表面污染層的厚度（Bass and Frege，2015）。開發(fā)新型可靠的膜污染分析方法，尤其是多種物質(zhì)共同作用的膜污染機(jī)制研究方法，是納濾膜污染研究需要解決的難題之一。

3、膜污染模型及預(yù)測

膜污染的數(shù)學(xué)模型可以分為3種：一是從膜的結(jié)構(gòu)、特征出發(fā)描述污染現(xiàn)象的模型，如膜孔堵塞模型、沉積層阻力模型等；二是指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；三是?jì)算機(jī)軟件開發(fā)模型，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和計(jì)算流體力學(xué)模型等（陳安穩(wěn)等，2012）。常用膜污染模型如表 4所示。

表 4 常用膜污染數(shù)學(xué)模型

Picioreanu等（2009）利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型將流體動(dòng)力學(xué)、溶質(zhì)遷移以及膜表面生物膜形成進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明膜表面生物量的累積嚴(yán)重影響了進(jìn)水流道的壓力降、液體流速分布及液體停留時(shí)間，該研究結(jié)果可進(jìn)一步為膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供指導(dǎo)；Zhao等（2013）利用密度泛函理論（Density function theory，DFT）對(duì)納濾去除全氟辛烷磺酸（Perfluorooctane sulfonate，PFOS）過程中的PFOS和Ca2+的絡(luò)合情況進(jìn)行了計(jì)算，可以為Ca2+存在情況下的膜污染研究提供借鑒；Song等（2013）在采用納濾膜技術(shù)軟化海水的研究過程中，根據(jù)溶液電解質(zhì)理論，通過計(jì)算膜表面的過飽和指數(shù)（SI），對(duì)膜表面的結(jié)垢趨勢進(jìn)行了成功預(yù)測；Joss等（2011）采用Phreeqc軟件計(jì)算MBR\NF工藝處理城市污水過程中的SI值，從而對(duì)膜的無機(jī)污染形成進(jìn)行探討。近年來，基于介觀尺度的耗散粒子動(dòng)力學(xué)（Dissipative particle dynamics，DPD）模擬方法，作為聯(lián)系宏、微觀模擬的紐帶，在研究軟物質(zhì)流動(dòng)及形態(tài)結(jié)構(gòu)的工作中起到了很大作用，該方法可以用來研究兩親分子在溶液中自發(fā)形成聚集體的條件和動(dòng)力學(xué)過程，由此推測其可以應(yīng)用于污染物的相互作用及膜污染的形成過程研究中（Feng et al，2012），但目前尚未見有此類方法用于納濾膜污染研究的報(bào)道。開發(fā)納濾膜處理廢水過程中的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廢水納濾膜污染的分析及預(yù)測，是今后研究納濾膜污染問題的主要方向之一。