综述：关于氧化预处理在减轻水处理过程中天然有机物导致的超滤膜污染方面的研究综述

《Journal of Environmental Management》：A review on oxidation pretreatment for mitigating ultrafiltration membrane fouling caused by natural organic matter in water treatment

超滤（UF）膜处理受天然有机物（NOM）污染困扰，氧化预处理通过降解NOM和改变膜表面特性有效缓解污染，多元系统优于单元系统，氧化主导机制涉及活性物种生成及NOM特性改变，未来需关注预处理残留、出水水质及人工智能集成。

　　

陈胜楠|徐梦圆|王磊|邓静|王红|史文新|赵志伟

浙江水利水电大学环境科学与工程学院，中国杭州310018

摘要

超滤（UF）是一种具有前景的水处理技术，因其能耗低、成本效益高且能有效去除微生物污染物。然而，由天然有机物（NOM）引起的膜污染问题仍然是一个主要的运行挑战，而天然有机物在水生环境中普遍存在。在超滤前进行氧化预处理可以通过将氧化降解与膜分离结合来提高处理效果，从而有效缓解膜污染。本文从单元系统和多组分系统的角度，基于对NOM特性和膜污染机制的理解，综述了各种氧化预处理技术。与单元氧化系统相比，二元和三元氧化系统由于多种组分的共同作用，在缓解膜污染方面表现出更优异的效果，其中二元预处理是研究最广泛的。此外，氧化预处理主要通过氧化作用来减轻污染，也可能通过混凝或吸附作用实现这一效果。这种潜在的联合效应通过改变进水中的NOM性质和/或修改膜表面特性，在缓解膜污染中起着关键作用，其中氧化作用是主导因素。为了进一步推进超滤工艺的应用，未来的研究应重点关注以下几个方面：预处理残留物的影响、预处理对出水质量的影响、加强中试规模研究、整合人工智能辅助技术以及进行全面评估。总体而言，本文对氧化预处理在缓解超滤膜污染方面的作用进行了全面分析，为基于超滤膜的水处理技术的发展和应用提供了宝贵的指导。

引言

水对生命至关重要，是人类生存的基本资源，与可持续发展密切相关。目前，水资源短缺和污染已成为最严重的全球资源和环境挑战之一，对人类的未来构成了持续威胁（Yateh等人，2024年）。由于气候变化、经济扩张、人口增长和工业化等多种因素的影响，水危机持续恶化（Dolan等人，2021年）。这一紧迫形势推动了水处理技术的重大创新和突破。其中，膜分离技术尤为突出，因为它具有操作简单、能耗低、稳定性高、环境适应性强和可扩展性好的显著优势，使其成为一种非常有前景的水处理技术（Karki等人，2024年）。

根据孔径大小，膜主要分为四类：微滤（MF，0.2-0.45 μm）、超滤（UF，2-100 nm）、纳滤（NF，0.5-2 nm）和反渗透（RO，0.1-0.7 nm）（Shoshaa等人，2023年；Wang等人，2024b年）。高压（5-100 bar）驱动的纳滤和反渗透膜可以实现高纯度出水，但面临较高的运行成本和能耗问题（Ye等人，2025年）。相比之下，低压（<2 bar）驱动的微滤和超滤膜能耗和运行费用较低，操作和维护程序也更为简化。特别是，孔径较小的超滤膜能够有效去除微生物污染物（包括病毒和细菌），因此在水处理应用中具有巨大潜力（Guo等人，2025年）。然而，在膜过滤过程中，污染物在膜表面或膜孔内的滞留和积累不可避免地会导致膜污染（Srivastava和Das，2024年）。这种现象会降低过滤效率并缩短膜寿命，从而增加运行压力和维护成本（Lin等人，2024年）。天然有机物（NOM）在水生环境中普遍存在，被认为是导致膜污染的主要因素（Chen等人，2023b年）。为了实现超滤的高效和可持续运行，减轻NOM引起的膜污染至关重要。

化学氧化在水处理中的应用已有超过一个世纪的历史，其应用范围从微生物灭活扩展到各种污染物的去除（Gunten，2018年；Shao等人，2025年）。这一进展推动了氧化技术的显著进步，包括但不限于：化学氧化（例如芬顿氧化、臭氧氧化）、光化学氧化（例如基于紫外线的氧化）和电化学氧化过程（Liu等人，2025年；Shao等人，2024年；Zhang等人，2024年；Zheng等人，2025年）。由于这些氧化技术具有出色的氧化能力、广泛的适用性和环境兼容性以及稳定的性能，人们对它们的研究兴趣持续不断。关于电化学阳极氧化和基于氯、过碳酸盐（SPC）、过硫酸盐（PS）、紫外线（O₃）和臭氧（O₃）的高级氧化过程的大量综述文章系统地总结了它们对有机污染物的去除效果和机制、当前面临的挑战以及未来的研究方向（Li等人，2023b年，2023c年；Sun等人，2023年；Wang等人，2025年；Wen等人，2025年；Xu等人，2025年）。特别是，NOM的化学氧化也受到了相当多的研究关注（Sillanp??等人，2018年；Wang等人，2017年；Zeng等人，2024年）。现有证据表明，氧化技术不仅表现出出色的处理效果和相对成熟的理论框架，而且在工艺强化和混合系统开发等方面也显示出巨大的发展潜力（Li等人，2019年）。

针对NOM引起的膜污染，将氧化过程作为超滤预处理利用了氧化降解和膜分离的结合能力，提供了一种高效的水处理解决方案。值得注意的是，氧化技术的进步，如新型真空紫外线（VUV）基氧化方法的出现，推动了超滤膜氧化预处理研究的持续发展。文献计量分析显示，自2004年以来相关研究兴趣不断增加，其中超过600篇论文发表于过去五年内（图2）。据我们所知，大约有10篇相关综述文章，但大多数集中在各种膜污染缓解方法上，而不是专门讨论氧化预处理策略（表S1）（Farahbakhsh等人，2004年；Gao等人，2011年；Tang等人，2025c年；Pulido，2016年；Qiao等人，2024年；Zhang等人，2023年）。尽管只有一篇综述文章涉及低压膜系统（微滤/超滤）中的氧化预处理，但它缺乏全面的机制洞察，并且仅涵盖了2019年之前的研究（Li等人，2019年）。

为了解决这些不足，本研究概述了最近在利用氧化预处理减轻NOM引起的超滤膜污染方面的进展，提供了对相关机制的更深入理解。首先简要介绍了NOM的特性及其表征方法，以及膜污染机制及其分析方法。随后，从单元系统和多组分系统的角度系统讨论了氧化预处理技术。然后阐明了预处理在减轻污染中的作用机制。最后，对当前技术中尚未解决的问题提出了建议，并指出了未来可能的研究方向。

部分摘录

NOM的表征

了解NOM对于推进水处理解决方案和环境恢复措施至关重要。作为一种复杂的有机混合物，NOM普遍存在于自然水生系统中，被认为是影响全球水质的关键因素之一，其来源包括废水排放、地表径流和水生生物量分解（Dayarathne等人，2021年；Zimmermann等人，2025年）。在天然水体中，其浓度通常在个位数范围内

污染机制的表征

理解膜污染的基本机制对于制定有效的超滤膜污染缓解策略至关重要。膜污染源于进料成分与膜表面之间的复杂物理化学相互作用（Guo等人，2012年）。根据可清洁性，这种污染可分为可逆或不可逆两类，前者可以通过物理清洗去除，而后者则难以清除。

为了阐明污染

氧化预处理技术

氧化已成为一种有前景的预处理策略，可以有效控制水处理系统中的膜污染。关键技术总结在表3中。

实际应用挑战和可扩展性问题

尽管在受控实验条件下氧化预处理显示出良好的污染缓解效果，但其实际应用和可扩展性仍受到性能提升、操作复杂性、资本和运营支出（CAPEX/OPEX）以及污泥管理影响的综合制约。

在单元氧化预处理技术中，臭氧氧化是一种常用的超滤膜预处理方法，因为它具有强大的

预处理在减轻污染中的作用机制

如上所述，图9总结了用于减轻NOM引起的超滤膜污染的氧化预处理技术及其关键机制。显然，预处理在减轻污染中的作用主要依赖于氧化、混凝和吸附。

具体来说，氧化效应主要来源于预处理过程中产生的活性物质（例如SO₄•^?、HO•、O₂•^?、Cl•和Fe(IV)）。这种氧化能力可以显著影响NOM

结论和未来挑战

基于对NOM特性和膜污染机制的理解，本文综述了超滤前的各种氧化预处理技术，涵盖了单元系统和多组分系统。氧化预处理可以改变进水中的NOM性质（例如分子量、浓度和疏水性），从而改变膜表面的物理化学性质（例如粗糙度、亲水性和相互作用力）。这些变化会影响

CRediT作者贡献声明

陈胜楠：撰写——初稿、方法论、调查、概念化。徐梦圆：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。王磊：软件、形式分析。邓静：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。王红：可视化、形式分析。史文新：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调。赵志伟：监督、资源协调。

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号LGEY26E090010）、国家自然科学基金（项目编号U24A20187）和浙江省自然科学基金（项目编号LZ24E080005）的联合资助。