《Desalination》：High-voltage electrostatic field assisted micro-flocculation–ultrafiltration system for cost-effective mitigation of membrane fouling in surface water treatment: A pilot-scale study
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本研究评估非Faradaic高电压静电场（HVEF）耦合微絮凝（Micro-Floc）作为实际地表水超滤（UF）预处理技术，通过低剂量PACl和FeCl3处理，发现HVEF在0.1 mg/L时显著降低膜污染阻力（PACl降低35.12%）和运行成本（OPEX降低4.24%-12.73%），证实其作为高效低成本预处理策略的可行性。
王一凡|郑星|李晓亮|王杨涛|张静|张耀忠|杨飞凡|姜欣|李东飞|邱晓鹏
西安工业大学生态环境与化学工程学院，中国陕西省西安市710048
摘要
本研究评估了一种非法拉第高压静电场（HVEF）与微絮凝（Micro-Floc）结合的方法，作为实际地表水超滤（UF）工艺的预处理手段，重点关注膜污染缓解和运行成本（OPEX）的影响。实验中分别使用了不同剂量的PACl和FeCl?，并在有无HVEF的条件下进行了对比。通过跨膜压力（TMP）、膜阻力、絮体性质（粒径、ζ电位和分形维数）以及液相色谱-氧化还原动力学（LC-OCD）分析来解释实验结果。当Al3?/Fe3?比例为0.1 mg/L时，HVEF的效果最为显著：PACl处理后的平均TMP从21.98 kPa降至18.16 kPa，FeCl?处理后的TMP从14.74 kPa降至11.43 kPa。随着剂量的增加，这种效果逐渐减弱，表明存在一个明显的剂量阈值。总体而言，PACl处理系统在抑制膜污染方面表现更优，总膜阻力降低了35.12%。HVEF主要通过调节絮体结构发挥作用，可能使低剂量下的絮体重新聚集成尺寸更小、ζ电位更高的颗粒，并促进形成更疏松、渗透性更好的滤饼层。LC-OCD分析显示，PACl对生物聚合物的去除效率较高（55.86%），而FeCl?对腐殖物质的去除效率为40.37%；HVEF对DOM各组分的去除效果不明显。考虑到HVEF的能耗后，PACl和FeCl?系统的运行成本分别为0.809元/m3和1.187元/m3，相对于仅使用Micro-Floc的工艺分别降低了4.24%和12.73%。这些结果表明，前端非法拉第HVEF技术可以扩大微絮凝的有效剂量范围，为超滤工艺提供一种经济高效的预处理方案。
引言
超滤（UF）因其稳定的分离性能而在先进的地表水处理中得到广泛应用[1][2]。然而，其广泛应用仍受到胶体、天然有机物（NOM）以及可溶性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）等生物聚合物的污染限制，这些物质会增加水力阻力、缩短膜使用寿命并提高运行成本[3][4][5]。在各种预处理方法中，混凝因其简单性和经济性而备受青睐[6][7][8]。但传统混凝方法通常需要较高的混凝剂剂量和沉淀步骤，导致产生大量污泥并增加运行负担[9][10]。相比之下，低剂量微絮凝（Micro-Floc）可以在减少化学药剂消耗和污泥产量的同时提升UF处理效果[11][12][13]。然而，其有效性受到剂量窗口的限制，因为低剂量下形成的絮体较小且较弱，容易堵塞孔隙并形成致密滤饼[13]。因此，需要一种后处理策略来增强微絮凝的防污效果。
电场已成为控制膜污染的有效物理方法[14][15]。在大多数电场辅助UF系统中，电极被放置在膜模块上或附近，从而直接影响污染物的传输和沉积[16][17]。法拉第电化学-膜复合系统还可以通过电极反应和原位生成混凝剂或氧化剂来减轻污染[18][19]。尽管这些方法有效，但往往会增加系统复杂性、资本成本和安全要求。更重要的是，它们的防污效果主要依赖于膜附近的电动力学或电化学过程，而非对污染物性质的主动调节。为了解决这些问题，我们在Micro-Floc处理后、UF处理前引入了高压静电场（HVEF）单元。这种前端配置将电场处理与膜模块分离，主要在非法拉第模式下运行，预期通过极化和界面电荷调节来改变絮体结构，从而在膜过滤前改善滤饼的形成[20][21]。据我们所知，这种前端非接触式电场絮体调节方案在真实地表水条件下的中试规模应用尚属罕见。
本研究在中试规模的Micro-Floc-HVEF-UF系统中比较了两种常用的混凝剂PACl和FeCl?。通过监测TMP变化、进行阻力分析及Hermia模型建模来评估污染缓解效果，并通过絮体性质和LC-OCD分析来解释其机制。同时，以运行成本（OPEX）作为主要经济指标，比较了相同低剂量下的Micro-Floc-UF和Micro-Floc-HVEF-UF工艺，并通过单因素敏感性分析评估了关键经济参数的影响。这些结果为评估非法拉第HVEF作为低剂量微絮凝增强策略的经济可行性提供了工程依据。
实验装置
图1展示了中试规模的Micro-Floc-HVEF-UF系统。地表水以60 L·h?1的流速从储水池泵入系统，并在在线管式混合器中与混凝剂快速混合。混合后的水流经HVEF单元后进入两个并联的UF反应器。每个反应器的容积为53 L，配备有有效膜面积为1.42 m2的PVDF中空纤维膜模块。反应器A使用PACl处理，反应器B使用FeCl?处理
膜污染
本研究考察了不同混合UF配置下的膜污染行为，重点研究了混凝剂类型、浓度及HVEF应用的影响。通过监测TMP的变化来跟踪污染过程（图2）。在未进行预处理的情况下，第一个循环内由于污染物迅速积累和孔隙堵塞，TMP在初始1.23小时内急剧上升；随后随着滤饼层的形成，TMP上升速度放缓，4小时后稳定在29.15 kPa。应用Micro-Floc处理后...
结论
研究表明，将HVEF与Micro-Floc结合使用可以有效减轻实际地表水中的UF污染并降低运行成本，尤其是在超低剂量（Al3?/Fe3?比例为0.1 mg/L）时效果最为显著。主要结论如下：
(1)在低剂量（0.1 mg/L）下，HVEF具有显著的防污效果：PACl处理后的平均TMP降低了22.47%，FeCl?处理后的TMP降低了17.37%。PACl处理系统的总膜阻力降低了35.12%。
(2)利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（重点项目，项目编号：ZCLZ26E0802）、陕西省自然科学基金（项目编号：2025JC-YBMS-573）以及陕西省教育厅青年创新团队研究计划（项目编号：23JP103和25JP121）的支持。作者感谢相关机构的财政支持，同时感谢张静博士（北京饮用水水质工程技术研究院）的协助。
