有机物浓度对生物膜慢滤-纳滤去除二级出水中磺胺甲恶唑效能及膜污染机制的影响

吴泽舟; 孙丽华; 张钼晞; 许茂繁; 李志远; 杜昕芮

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501034

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (2) :871-878 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501034

环境科学、安全科学

有机物浓度对生物膜慢滤-纳滤去除二级出水中磺胺甲恶唑效能及膜污染机制的影响

吴泽舟 ¹ ,
孙丽华 ²^,^* ,
张钼晞 ³ ,
许茂繁 ¹ ,
李志远 ¹ ,
杜昕芮 ¹

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Impact of Organic Matter Concentration on Removal Efficiency of Sulfamethoxazole in Secondary Effluent and Membrane Pollution Mechanism by Combined Process of Biofilm Slow Filtrationand Nanofiltration

WU Ze-zhou ¹ ,
SUN Li-hua ²^,^* ,
ZHANG Mu-xi ³ ,
XU Mao-fan ¹ ,
LI Zhi-yuan ¹ ,
DU Xin-rui ¹

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摘要

以磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMZ)为代表的磺胺类抗生素是一种新兴有机微污染物,在污水厂二级出水中被频频检出,为再生水回用带来风险。针对二级出水深度处理,考察了慢滤-纳滤(nanofiltration, NF)组合工艺在不同有机物浓度下对二级出水中SMZ的去除效能及机制,揭示了微生物种群结构对SMZ去除效能的影响,并系统地分析了慢滤对膜污染的缓解机制,明确了具有不同浓度的有机污染物与NF膜表面的界面作用机制。研究结果表明,相比直接NF和无生物膜慢滤-NF,生物膜慢滤-NF对水中SMZ和溶解性有机物(dissolved organic carbon, DOC)的去除效果最好;在慢滤表面生物膜中,变形菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、窄食单胞菌属、独岛菌属和硝化螺旋菌属占比较高,上述优势微生物类群均能对SMZ的降解起到积极作用;生物膜慢滤-NF在不同重铬酸盐化学需氧量(dichromate oxidizability, COD_cr)浓度下,对SMZ的去除率均在90%以上,这表明有机物浓度的变化对于组合工艺去除SMZ的影响不大;当pH为中性时,有机物浓度越大,膜污染越严重,总界面作用能下降,由极性与静电作用主导,斥力能垒减小。综上控制有机物浓度对生物膜慢滤-NF组合工艺去除SMZ以及防止膜污染是至关重要的。

Abstract

SMZ (sulfamethoxazole), as a representative of sulfonamide antibiotics, is recognized as an emerging organic micro-pollutant. It is frequently detected in the secondary effluent of wastewater treatment plants, posing potential risks to water reuse.For the advanced treatment of secondary effluent, where the removal efficiency and mechanisms of SMZ in secondary effluent by a combined slow filtration-NF (nanofiltration) process under different organic matter concentrations were investigated. The influence of microbial community structure on SMZ removal efficiency was revealed, and the mitigation mechanisms of slow filtration on membrane fouling were systematically analyzed. Additionally, the interfacial interaction mechanisms between organic pollutants of varying concentrations and the NF membrane surface were clarified.The results demonstrate that, compared to direct NF and slow filtration-NF without biofilm, the biofilm-assisted slow filtration-NF process achieves the highest removal efficiency for both SMZ and DOC (dissolved organic carbon) in water. In the biofilm formed on the slow filtration surface, Proteobacteria, Acidobacteria, Planctomycetes, Stenotrophomonas, Dokdonella, and Nitrospira are found to be the dominant microbial taxa, all of which contribute positively to SMZ degradation. The biofilm-assisted slow filtration-NF process maintains an SMZ removal rate of over 90% under varying CODcr (dichromate oxidizability) concentrations, indicating that changes in organic matter concentration have minimal influence on SMZ removal by the combined process. At neutral pH, higher organic matter concentrations lead to more severe membrane fouling, a decrease in total interfacial interaction energy, and a reduction in repulsive energy barriers, with the process being dominated by polar and electrostatic interactions. In conclusion, controlling organic matter concentration is crucial for optimizing SMZ removal and preventing membrane fouling in the biofilm-assisted slow filtration-NF combined process.

Graphical abstract

关键词

磺胺甲恶唑 / 二级出水 / 纳滤 / 慢滤 / 膜污染

Key words

sulfamethoxazole / secondary effluent / nanofiltration / slow filtration / membrane fouling

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吴泽舟, 孙丽华, 张钼晞, 许茂繁, 李志远, 杜昕芮. 有机物浓度对生物膜慢滤-纳滤去除二级出水中磺胺甲恶唑效能及膜污染机制的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(2): 871-878 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501034

WU Ze-zhou, SUN Li-hua, ZHANG Mu-xi, XU Mao-fan, LI Zhi-yuan, DU Xin-rui. Impact of Organic Matter Concentration on Removal Efficiency of Sulfamethoxazole in Secondary Effluent and Membrane Pollution Mechanism by Combined Process of Biofilm Slow Filtrationand Nanofiltration[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(2): 871-878 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501034

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污水再生利用可以有效解决中国人均水资源占有量低的问题^[1]。中国再生水资源充沛,但截至2023年中国的污水利用率仅为29%,依然还有很大的发展空间,不仅如此,再生水回用也存在水质安全问题。其中抗生素因人们的广泛使用和其在水中的高流动性受到广泛关注,其作为一种新兴有机微污染物,在污水厂二级出水中被频繁检出^[2]。磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole,SMZ)是一种典型的磺胺类抗生素,其在环境中具有较强的持久性,难以生物降解,并且存在潜在毒性。降低二级出水中抗生素的浓度可降低水质安全隐患,提高中国的污水利用率,缓解中国人均水资源占有量较低等问题。目前针对二级出水中的磺胺类抗生素的深度处理去除技术主要为高级氧化技术、吸附法以及膜技术。

其中,纳滤膜(nanofiltration,NF)因能够对有机物、颗粒污染物、有害的无机离子等进行高效的拦截和分离^[3],逐渐成为城市污水处理厂二级出水再生的核心工艺。NF膜的截留分子量通常为200~1 000 Da^[4],大部分抗生素的分子量为介于其间,理论上使用NF膜截留水中抗生素具有可行性。肖谷清等^[5]研究发现,聚酰胺纳滤膜对水中磺胺二甲嘧啶的去除率可达为82.7%,且操作压力、初始浓度和离子强度都会对去除效果产生影响。

限制NF膜的最大障碍为膜污染问题,进水中的有机物会加重膜的有机污染,且为微生物的生长提供营养基质,进而引发生物污染^[6]。通常在NF工艺前添加预处理工艺来解决膜污染问题,常用的预处理工艺包括氧化、混凝、吸附和双膜等;上述预处理方式存在控制膜污染效果差、成本费用高等缺点^[7]。有研究表明^[8],慢滤可以作为NF的预处理工艺,能有效去除二级出水中有机物,提高NF进水水质,缓解NF的膜污染问题。污染物进入慢滤池后,滤料可截留尺寸较大的物质。同时,污染物长时间停留在滤床表面会形成生物膜,生物膜上的微生物对有机污染物具有捕食和生物吸附降解作用,共同促进对污染的去除。丁宇^[9]通过研究发现,好氧异养生物膜慢滤能够有效去除二级出水中抗生素抗性基因,并且在生物膜中检测出多种对抗生素抗性基因去除起到积极作用的微生物。

但是,目前中外针对慢滤/生物膜慢滤-NF工艺处理水中磺胺类抗生素的研究较少。因此,现采用模拟城市污水厂二级出水的方式,采用生物膜慢滤-NF工艺对二级出水进行深度处理,研究不同有机物浓度下生物膜慢滤-NF工艺对二级出水中SMZ的去除以及对膜污染机制的影响,旨在为二级出水深度处理工艺有效去除磺胺类抗生素以及膜污染控制提供理论和技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验用水

试验所用的二级出水是根据城市污水厂二级出水水质人工配制而成的模拟二级出水。具体的配制方法为将自来水接入水箱后,向水中投加试剂,试剂名称及浓度如表1所示。试验原水水质参数:温度为21.8~25.8 ℃、COD_cr浓度为60.2~60.8 mg/L、溶解性有机物(dissolved organic carbon,DOC)浓度为6.62~9.20 mg/L、氨氮浓度为2.81~6.17 mg/L、SMZ浓度为526.33~563.67 ng/L。

1.2 实验装置

试验装置示意图如图1所示。慢滤装置是两个高度为65 cm,半径为4 cm的滤柱,柱1为无生物膜慢滤,柱2为好氧异养生物膜慢滤;滤料由砾石和石英砂组成,滤层深度分别为5 cm和45 cm,使用前先经纯水冲洗,以减少滤料表面杂质。试验过程中,利用蠕动泵将二级出水从滤柱上端引入,出水由另一蠕动泵进行控制,滤速为5 cm/h。NF采用低压平板错流过滤系统(TYLG-18,中国),NF膜直径80 mm、截留分子量300 Da;NF膜的操作压力为0.4 MPa,膜出水通过电子天平上的烧杯收集,并由计算机每5 min记录一次质量并计算膜通量。

1.3 试验方法

1.3.1 检测仪器

SMZ浓度采用高效液相色谱(ExionLC,美国)与三重四极杆质谱系统(QTRAP6500+,美国)联用进行检测;化学需氧量(COD_cr)采用哈希水质检测仪(DR-6000,美国)进行检测;DOC采用总有机碳分析仪(TOC-VCPH,德国)进行检测;水样Zeta电位采用纳米粒度/Zeta电位仪(DelsaNanoC,美国)进行检测;微生物种群结构采用高通量测序平台(Illumina,美国)进行检测;接触角采用光学接触角测量仪(LSA-100,德国)进行检测;膜表面电位采用固体表面Zeta电位测量仪(SurPASS,奥地利)进行检测。

1.3.2 xDLVO理论

运用xDLVO理论,在微观条件下,对NF膜与污染物之间的界面作用以及污染物与污染物之间的界面作用进行计算与分析,针对水质条件对膜污染的影响进行理论分析,其公式为

(1)

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{X}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{V}\mathrm{O}}={U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}+{U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{A}\mathrm{B}}+{U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{E}\mathrm{L}}$

式(1)中:

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{X}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{V}\mathrm{O}}$

为平面膜(NF270膜)、溶剂(水)、污染物三者之和的NF膜与污染物之间总相互界面作用能;

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}$

为范德华相互界面作用能;

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{A}\mathrm{B}}$

为极性相互界面作用能;

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{E}\mathrm{L}}$

为静电相互界面作用能。

1.3.3 表面张力与界能自由能分析

由于微距范围内EL作用能影响作用很小可以忽略不计^[10],

${U}_{\mathrm{m}\mathrm{l}\mathrm{f}}^{\mathrm{X}\mathrm{D}\mathrm{L}\mathrm{V}\mathrm{O}}$

表示的是NF膜与污染物之间总相互界面作用能。总表面张力由极性表面张力和范德华表面张力组成,总表面张力与和极性表面张力的计算公式为

(2)

${\gamma }^{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}}={\gamma }^{\mathrm{L}\mathrm{W}}+{\gamma }^{\mathrm{A}\mathrm{B}}$

(3)

${\gamma }^{\mathrm{A}\mathrm{B}}=2\sqrt{{\gamma }^{+}{\gamma }^{-}}$

式中:γ^TOT为总表面张力;γ^LW为范德华表面张力;γ^AB为极性表面张力;γ⁺为电子受体表面张力;γ^-为电子供体表面张力。

γ^LW、γ⁺和γ^-可以由三液法计算,即根据3种已知表面张力参数的测试试剂与待测样品的接触角代入通过扩展杨氏方程^[11]进行计算,计算公式为

(4)

$(1+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta ){\gamma }_{\mathrm{l}}^{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}}=2\left[\sqrt{({\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}{\gamma }_{\mathrm{l}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}}\right)+\sqrt{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{+}{\gamma }_{\mathrm{l}}^{-}}+\sqrt{{\gamma }_{\mathrm{s}}^{-}{\gamma }_{\mathrm{l}}^{+}}]$

式(4)中:

${\gamma }_{\mathrm{s}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}、{\gamma }_{\mathrm{l}}^{\mathrm{L}\mathrm{W}}$

分别为测试物质表面和纯水的范德华表面张力;γ⁺为电子受体表面张力;

${\gamma }_{\mathrm{s}}^{+}、{\gamma }_{\mathrm{l}}^{-}$

分别为测试物质表面和纯水的电子供体表面张力;θ为接触角。

将有机污染物理想化为球形粒子,纳滤膜表面视为平面。可积分计算得到污染物与膜表面之间的界面作用能、两个球形污染物之间的界面相互作用能,具体计算方法参见文献[12]。通常情况下,当污染物与膜之间的距离达到最小平衡距离d₀=(0.158±0.009)nm时^[13],即被认为两平面发生接触。

2 结果与讨论

2.1 组合工艺对SMZ和有机物的去除效果

2.1.1 对SMZ和有机物的去除

试验过程中,考察了直接NF、无生物膜慢滤-NF和生物膜慢滤-NF组合工艺对SMZ和DOC的去除效果,结果如图2和图3所示。

由图2可知,二级出水中SMZ的浓度为545.00 ng/L,二级出水直接NF、无生物膜慢滤-NF和生物膜慢滤-NF处理后的SMZ浓度经多次测量求平均值,分别为210.19、81.07、39.04 ng/L,去除率依次为61.4%、85.1%和92.8%,生物膜慢滤-NF组合工艺对SMZ的去除效果最好。这主要是因为,其一NF对于相对分子质量在100~1 000 Da的有机微污染物有较高的截留效果,SMZ的相对分子质量为253 Da,正介于其间,而且考虑到第二电离常数的实验值(即pKa₂=5.6),SMZ可能以不带电分子和负电荷分子的形式存在,与带负电的NF膜产生了静电排斥作用。因此,NF对SMZ去除率高是污染物与膜之间的空间位阻和静电排斥共同作用的结果^[14];其二慢滤主要依靠砂粒的截留作用来去除SMZ,当慢滤表层形成生物膜后,会进一步减小颗粒之间的缝隙,加强慢滤对污染物的截留作用。与此同时,生物膜中菌胶团的形成,加强了滤料对污染物的粘附作用,使进水中的污染物粘附在生物膜上,生物膜上的微生物对SMZ进行吸附降解。

有研究表明^[15],水中SMZ通常与有机物、悬浮物和胶体物质等以混合物的形式存在并相互影响,故需考虑组合工艺对DOC的去除效果。由图3可知,二级出水中DOC的浓度为8.11 mg/L,二级出水、无生物膜慢滤出水和生物膜慢滤出水经NF处理后的DOC浓度经多次测量求平均值,分别为3.06、1.87和1.67 mg/L,去除率分别为62.3%、77.0%和79.4%。该结果说明,NF膜本身对DOC的去除效果起重要作用,这是因为NF膜截留分子量较小,而且膜表面带有荷电,对有机物既有筛分效应、静电排斥又有吸附作用,所以NF膜对水中有机物去除效果较好。慢滤主要依靠滤料的截留作用去除水中DOC;当滤料表面生长生物膜后,慢滤可以通过生物降解、吸附、滤料截留等作用,进一步提高对水中有机物的去除率^[16]。

2.1.2 微生物种群结构对SMZ的去除的影响

生物降解是磺胺类抗生素降解的重要手段,SMZ可以通过生物降解转化生成一些活性成分^[17]。试验过程中,对生物膜慢滤表面的微生物进行了门水平和属水平的种群分析,结果如表2和表3所示。

由表2可知,在门水平上,优势物种主要包括变形菌门(33.90%)、拟杆菌门(21.48%)、酸杆菌门(8.62%)、绿弯菌门(6.30%)和浮霉菌门(5.16%)。有研究表明^[18],以变形菌门、拟杆菌门、浮霉菌门为菌种的好氧颗粒污泥系统,可以降解污泥中95%的浓度为200 μg/L的SMZ,还有研究表明能够降解磺胺类抗生素的菌株81%属于变形菌门^[19]。与此同时,有研究发现^[17],绿弯菌门与磺胺类抗性基因sul1、sul2和sul3呈显著相关,这意味着绿弯菌门可能发展出了对磺胺类抗生素的抗性,这种抗性可能与对磺胺类抗生素的去除或转化能力有关。酸杆菌门和浮霉菌门的相对丰度均与SMZ的降解和转化有关,其数量的增加有利于SMZ的去除^[20]。上述优势菌门可能具有特定的代谢途径,能够适应生物膜慢滤工艺的水质环境,并有效地分解转化二级出水中的SMZ。

由表3可知,在属水平下细菌类群的主要优势菌群包括窄食单胞菌属(5.92%)、独岛菌属(3.51%)和硝化螺旋菌属(3.13%)等。有研究表明^[21],窄食单胞菌属对抗生素具有耐受性和抗逆性,可产生抗菌药物水解酶,能水解破坏磺胺类药物的结构,使其失去抗菌活性,该菌的细胞膜通透性低,磺胺类抗生素难以渗透进入细菌内部发挥作用。硝化螺旋菌属对SMZ具备一定的耐药性。另外,有研究表明^[22],独岛菌属和硝化螺旋菌属对抗生素生物降解能够起到积极作用,且对葡萄糖有一定的降解能力。上述优势菌属均能对二级出水中SMZ的降解起到积极作用,能够提高生物膜慢滤对污染物的去除效率。

2.2 有机物浓度对SMZ去除效果的影响

当有机物存在时,SMZ的行为可能会受到有机物影响而表现不同。本次试验在SMZ浓度为600 ng/L、pH=7和Ca²⁺浓度为2 mmol/L的条件下,分别向二级出水中投加有机物,控制二级出水中有机物含量(COD_cr浓度)为20、40、60 mg/L,编号分别为COD_cr20、COD_cr40、COD_cr60,探究在不同有机物浓度条件下,生物膜慢滤-NF组合工艺对SMZ的去除效果,结果如图4所示。

由图4可知,随COD_cr浓度的增加,生物膜慢滤对SMZ的去除率呈现上升的趋势。当进水COD_cr浓度为20 mg/L时,生物膜慢滤出水的SMZ浓度为293.97 ng/L,对SMZ的去除率为46.1%;当进水COD_cr浓度为40 mg/L时,生物膜慢滤对SMZ的去除率提升至58.7%;继续增大进水COD_cr浓度至60 mg/L时,生物膜慢滤对SMZ的去除率较COD_cr浓度40 mg/L仅提高3.0%。这是由于随着进水COD_cr浓度的增加,水中有机物的含量越来越多,异养菌利用有机物快速的生长繁殖,对SMZ的氧化能力也就越来越强,因此去除率会增加;但当进水COD_cr浓度过高时,水中有机物的含量远远超过了生物膜中异养菌的氧化能力,会导致有机底物利用不彻底^[23],而SMZ可能会附着在有机物表面,以致生物膜慢滤对SMZ的去除率可能会出现下降的情况。

生物膜慢滤出水经NF处理后,对SMZ的去除效果显著提高,当COD_cr浓度在20~60 mg/L时,组合工艺对SMZ的去除率变化不大,经多次测量均在90%以上。这可能是因为NF对有机物具有较好的去除效果,附着在有机物表面的SMZ易于被去除。因此,有机物浓度的变化对于组合工艺去除SMZ的影响不大。

2.3 有机物浓度对膜污染的影响

2.3.1 有机物浓度对污染物表面理化性质和表面张力的影响

NF膜和污染物的表面理化性质可以通过接触角和Zeta电位来表征,通过式(2)~式(4)计算其表面张力。二级出水经生物膜慢滤处理后,分别向NF进水中投加有机物,控制NF进水的COD_cr浓度为20、40、60 mg/L,不同有机物浓度下NF进水中污染物的接触角和Zeta电位及表面张力如表4所示。

由表4可知,随着COD_cr浓度的增大,NF进水中污染物的纯水接触角呈下降趋势,二碘甲烷接触角呈上升趋势,这说明NF进水中污染物的亲水性逐渐增强,疏水性逐渐减弱。碳源葡萄糖为亲水性有机物,当NF进水中葡萄糖浓度较高时,污染物与水分子形成氢键的位点数量增加,会使污染物的亲水性变强。NF进水污染物的Zeta电位为负值,且随有机物浓度的升高而降低。这可能是由于,有机物浓度的增大,增加了污染物颗粒间相互碰撞的概率,使得电位差增大,导致Zeta电位的绝对值增加。

随着有机物浓度的增加,膜进水中污染物的γ^LW逐渐减小,当COD_cr浓度为60 mg/L时,γ^LW最小,为27.18 mJ/m²,此时污染物的非极性最弱。污染物的γ^AB、γ⁺和γ^TOT随有机物浓度的增加,呈先升高后减小的趋势,而与之不同的是,污染物的γ^-随有机物浓度的增加呈上升趋势,当COD_cr浓度为60 mg/L时,γ^-高达50.41 mJ/m²,污染物表现出较强的电子供体性,易与水分子形成氢键,疏水性更弱。

2.3.2 有机物浓度对界面作用能的影响

不同有机物浓度下,膜进水中污染物与NF膜、膜进水中污染物与膜表面污染物之间的界面作用能如表5所示,总界面作用能随界面间距的变化趋势如图5所示。

由表5可知,在不同的有机物浓度条件下,膜进水中污染物和NF膜之间的范德华作用能均为负值,表现为吸引力,极性和静电作用能均为正值,表现为排斥力;当COD_cr浓度值从20 mg/L增大至60 mg/L时,范德华作用能的绝对值减小0.94 kT,极性作用能减小9.62 kT,静电作用能减小7.85 kT,总界面作用能减小16.52 kT。结果表明,随COD_cr浓度的升高,极性作用能的减小幅度最大,对总界面作用能起主导作用,总界面作用能减小,排斥力减弱,会促进污染物在膜表面的吸附,加重膜污染,因此在COD_cr浓度为60 mg/L时,过滤初期阶段的膜污染程度最严重。

由表5中数据可知,在不同的有机物浓度条件下,膜进水中污染物和膜表面污染物之间的范德华作用能均为负值,表现为吸引力,静电作用能均为正值,表现为排斥力;随有机物浓度的升高,范德华作用能的绝对值呈先增加后减小的趋势,极性作用能由负值变为正值,静电作用能逐渐减小;与范德华和极性作用能相比,静电作用能更大,均在40 kT以上,对总界面作用能起主导作用,使得总界面作用能始终为正值,表现为排斥力;当有机物浓度为60 mg/L时,总界面作用能最小,为57.30 kT,此时膜进水中污染物与膜表面污染物之间的排斥力较弱,膜污染程度较严重。

由图5(a)可知,随有机物浓度的升高,膜进水中污染物与NF膜之间的斥力能垒逐渐降低,当COD_cr浓度值从20 mg/L增大至60 mg/L时,污染物与NF膜之间的斥力能垒降低了17.33 kT。结果表明,有机物浓度增加时,污染物更容易吸附于NF膜表面,导致过滤初期的膜孔堵塞污染更严重。因此,当COD_cr浓度为20 mg/L时,过滤初期阶段的膜污染程度最轻。

由图5(b)可知,随有机物浓度的升高,膜进水中污染物与膜表面污染物之间的斥力能垒大大降低,当COD_cr浓度值从20 mg/L增大至60 mg/L时,膜进水中污染物与膜表面污染物之间的斥力能垒降低了22.57 kT,这说明,随着有机物浓度的提高,污染物之间更易相互黏附形成滤饼层,过滤后期的滤饼层污染严重。因此,当COD_cr浓度为20 mg/L时,过滤后期阶段的膜污染程度最轻。综上所述,NF膜过滤过程中,在过滤的初期和后期阶段,膜进水中有机物浓度越高,膜污染程度越严重;有机物浓度越低,膜污染程度越轻。

3 结论

(1)二级出水直接NF、无生物膜慢滤-NF、生物膜慢滤-NF三种工艺对二级出水中SMZ和DOC的去除率分别为61.4%、85.1%、92.8%和62.3%、77.0%、79.4%,生物膜慢滤-NF对水中SMZ和DOC的去除效果最佳。

(2)在慢滤表面生物膜中,在门水平方面,较高比例的变形菌门、酸杆菌门和浮霉菌门有利于SMZ的降解;在属水平方面,主要优势菌群有窄食单胞菌属、独岛菌属、硝化螺旋菌属等,这些优势菌属都能对二级出水中 SMZ 的降解起到积极作用。

(3)随着水中有机物浓度的增加,生物膜慢滤对SMZ的去除率呈现上升后趋于平缓的趋势;在不同有机物浓度时,由于NF对水中有机物有较好的去除效果,生物膜慢滤-NF组合工艺对有机物的去除率均在90%以上。

(4)随着水中有机物浓度的增大,NF膜进水中的污染物表面理化性质变化显著,污染物的亲水性增强,疏水性减弱,Zeta电位为负值且其绝对值增加。

(5)在极性和静电作用能的主导下,膜进水中污染物与NF膜以及膜进水中污染物与膜表面污染物之间的总界面作用能,随着水中有机物浓度增加而呈下降趋势,其之间的排斥力能垒也逐渐减小;且水中有机物浓度越大,膜污染越严重。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52370004)

北京建筑大学研究生创新项目(PG2025086)

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Received	Published	Revised
2025-02-19	2026-01-18	2025-10-22
Online Date
2026-09-20

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