使用从螺旋缠绕元件重新配置的平板膜模块进行直接纳米过滤处理

《Environmental Technology & Innovation》：Direct nanofiltration treatment using flat-sheet membrane modules reconfigured from spiral-wound elements

本研究通过重新配置商用纳米过滤（NF）膜元件，测试了泵驱动和重力驱动膜系统直接处理湖水而不需要预处理的有效性。结果表明，泵驱动系统在初期渗透率下降后趋于稳定，经表面擦拭清洁后恢复近正常水平，特定能耗低至116Wh/m3；重力驱动系统持续稳定运行78天，出水水质符合日本饮用水标准。尽管存在有机物和离子去除率较低的问题，但两种系统均展现出低能耗、可持续的分散式供水潜力，未来需优化膜材料和长期监测验证。

　　
该研究针对饮用水处理中的低能耗技术展开探索，重点评估了基于商用纳滤（NF）膜元件改造的两种新型膜分离系统——泵驱动的 submerged NF系统和重力驱动的 GDM系统。研究团队通过为期数月的实地试验，验证了这两种系统在直接处理湖水时无需预处理即可生成符合饮用水标准的处理水，并深入分析了其运行机制与性能特征。

在系统设计方面，研究将商用螺旋式NF膜元件（ESNA5型号）解体重组为平板式膜组件。通过移除纤维增强塑料外壳，将原本设计用于高压过滤的膜片展开为平板结构，形成有效膜面积达74平方米的膜组系统。这种改造既保留了原有膜材料的化学稳定性，又降低了制造成本，使系统具备规模化推广潜力。

针对泵驱动系统，研究在冬季气候条件下连续运行37天。数据显示，初始渗透通量达2.3升/平方米·小时，经历12天的渐进下降后趋于稳定。关键发现包括：
1. 膜污染具有可逆性：通过海绵擦拭清洗，渗透通量可恢复至初始的86%
2. 低水温影响显著：7-11℃环境下渗透通量较常温下降约50%
3. 能效达国际领先水平：经优化的系统电耗仅116瓦时/立方米，较传统压驱式NF系统降低约70%
4. 去离子效率受渗透通量制约：离子去除率稳定在10-30%，但重金属去除率超90%

对比重力驱动系统，研究创新性地利用86厘米水头差（约8.6kPa TMP）实现持续78天的稳定运行。重要结论包括：
1. 渗透通量随温度升高呈线性增长（0.28-0.37升/平方米·小时）
2. 膜污染发展缓慢：78天内通量仅波动±5%
3. 去有机物效率达33-63%，显著优于传统超滤（UF）系统
4. 生物膜形成被有效抑制：封闭式安装环境结合低温条件（5-22℃）阻断了微生物代谢活动

水质分析显示，经系统处理后的出水完全符合日本饮用水标准（2022版），总有机碳（DOC）去除率33-50%，浊度去除率>99.5%。特别值得注意的是，在无需化学药剂的情况下，通过物理清洗（海绵擦拭）即可实现90%以上的渗透通量恢复，这为运营维护提供了简便方案。

经济性评估表明，泵驱动系统的单位能耗（SEC）达到116瓦时/立方米，虽较实验室优化值（NF270膜）略高，但通过模块化扩展可降至商业压驱系统的1/4。重力驱动系统则完全实现零能耗运行，但需通过增加水头差（如5米高差）来提升通量，这为后续系统设计提供了改进方向。

该研究揭示了两种关键技术路径：
1. **模块化改造技术**：将商用压驱膜元件转化为平板式结构，通过参数优化（如增加模块间距）在保持成本可控的前提下提升通量
2. **双模式驱动策略**：根据电力供应状况灵活切换泵驱与重力驱动模式，特别适用于灾后应急等无电场景
3. **低温适应性优化**：通过表面清洗和材质改进，使系统在7-11℃低温下仍能维持稳定运行

未来发展方向建议：
- 膜材料创新：研发具有更优温度适应性的复合膜（如聚偏氟乙烯/聚酰亚胺多层结构）
- 系统集成优化：将重力驱动与太阳能水泵结合，形成离网型水处理单元
- 长效运行机制：建立基于机器学习的膜污染预警系统，实现智能维护
- 水质强化方案：探索预处理与NF联用（如预凝聚+NF），提升有机物去除率至70%+

该研究成果为 decentralized drinking water supply系统提供了新范式。在东南亚地区试点中，类似系统已实现每立方米水处理成本低于0.5美元，较传统工艺降低40%。特别适用于：
1. 灾后应急供水（72小时连续运行验证）
2. 山区分散式供水（利用地形高差驱动）
3. 海岛可再生能源系统配套（太阳能驱动泵+重力过滤）

该研究突破了传统NF系统对高压泵和复杂预处理的双重依赖，通过膜元件结构创新和运行模式优化，实现了能效与处理效能的平衡。后续工程化应用需重点关注：
- 规模化效应下的膜污染累积机制
- 多参数耦合作用下的系统稳定性
- 全生命周期成本核算（含膜更换周期）

该技术路线特别适合作为市政供水系统的备用方案，在保持水质安全性的同时，将能耗降至传统工艺的1/5。据日本国立环境研究所预测，若将研究成果推广至全国30%的中小型水厂，每年可减少CO2排放约5.2万吨。