第一作者：林炜琛
通讯作者：王小𠇔，黄霞
通讯单位：清华大学环境学院
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116251近日，黄霞教授团队在环境领域知名期刊Water Research上发表了题为 “Impacts of non-uniform filament feed spacers characteristics on the hydraulic and anti-fouling performances inthe spacer-filled membrane channels: experiment and numerical simulation”的研究论文，采用水力学实验、膜污染实验与计算流体力学（CFD）模拟相结合的方法，探究了变径网丝进水隔网几何特征对膜元件中流道的水力学和抗污染性能的影响，为进水隔网的设计与优化提供了可行思路。进水隔网是卷式膜元件中的重要组成部分，其对膜元件的水力学表现和膜污染有重要的影响。本研究首次关注到进水隔网变径网丝几何特征的影响，选用了4种相应的进水隔网，通过实验对它们的水力学性能和抗污染性能进行了探究和对比，利用CFD模拟分析变径网丝几何特征对性能的影响。结果表明，进水隔网的网丝层数、丝径的非均一程度、网丝缩窄口的位置与宽度均会对流场产生影响，进而影响膜通道的水力学性能和抗污染性能。单层变径网丝的进水隔网引起的跨流道压降差（FCP）最大，同时产生较多的流动“死区”，导致较为严重的膜污染。丝径的非均一性越小、网丝缩窄口的宽度越大，则跨流道压降差越小、能耗越低。由于膜污染易发生于网丝结点处，当网丝缩窄口位于结点附近时，可有效减轻膜污染。研究表明，变径网丝进水隔网的几何特征对膜元件性能有较为明显的影响，应在设计与优化中给予考虑。纳滤/反渗透卷式膜元件被广泛运用于海水淡化、城市污水处理与回用等行业。进水隔网是卷式膜元件中必不可少的部分，它可以隔开膜片形成流道，增强流体湍动，加强传质，减小浓差极化。然而，进水隔网的存在使得跨流道压降差（FCP）升高，进而提高了能耗，同时隔网的网丝结点处易形成“死区”，导致微生物淤积和污染。因此，进水隔网的设计与优化非常关键。以往的研究主要集中在均一网丝进水隔网的影响与优化探究，而变径网丝进水隔网对流道的水力学性能与抗污染性能的影响尚不明晰。本研究的主要目的是探究不同变径网丝进水隔网的几何特征对于流道水力学性能与抗污染性能的影响，在此基础上对进水隔网的设计与优化提出建议。图1 所选用的4种变径网丝进水隔网（NDL：变径双层网丝，下标的“0”、“1/3”和“1/2”分别代表网丝缩窄口位于网丝的结点附近、1/3处以及中间；NSL：变径单层网丝）。具体的几何参数可见原文表格信息。
水力学实验从跨流道压降差（FCP）和纯水通量两个角度探究了不同变径网丝进水隔网对流道的影响。对比无进水隔网的流道，含进水隔网的FCP显著增加，表明进水隔网是引起跨流道压降差的主要原因。在含进水隔网的流道中，NSL的网格尺寸大于NDL，本应成为有利于减小FCP的因素，然而NSL引起的FCP最大（错流速度0.12 m/s时压降差达到5.6 mbar/cm），表明单层变径网丝的设计可能对水流起到更大的阻碍作用。当不考虑膜污染以及流道进口压力一致时，根据达西定律，纯水通量主要与FCP有关。因此，评价进水隔网的水力学性能可以主要关注跨流道压降差。
图3 不同进水隔网流道的跨流道压降差随入口错流速度的变化。图4 不同进水隔网流道的纯水通量随TMP的变化：（1）2.3 bar，（2）3.5 bar，（3）4.9 bar。以流道长度为1 m计算，进口错流速度0.12 m/s。 开展膜污染实验，并对不同流道的膜表面和进水隔网表面积累的污染物含量分别进行测定。结果显示，膜表面的平均TOC含量和ATP含量分别为0.26 mg/cm2和68.0 pg/cm2，而进水隔网表面的TOC含量和ATP含量分别为0.13mg/cm2和34.8 pg/cm2，表明膜污染比隔网污染严重。就膜污染而言，放置进水隔网的流道均比无进水隔网的流道更轻，但部分污染物沉积、附着在进水隔网表面，需要综合隔网污染来评价其抗污染性能。例如，NSL流道的膜污染程度低于无进水隔网的流道，但其隔网污染较严重，导致总体污染程度更高。NDL0的抗污染性能最佳（污染后的相对膜通量最高，污染物水平最低），这与它的双层网丝结构以及缩窄口位于网丝结点附近有关。图5 不同进水隔网流道在污染后的（A）TOC浓度，（B）ATP浓度，（C）相对膜通量，（D）相对膜通量与TOC/ATP浓度的相关性分析。采用CFD模拟得到不同进水隔网流道的流场分布，并通过计算FCP与实验数据相对比实现模型的验证。CFD结果表明，尽管NSL流道展现出最高的局部流速（0.326 m/s）和平均流速（0.149 m/s），但其FCP也最大，且产生了较大区域的流动“死区”，污染物容易在“死区”沉积、附着。而NDL流道在缩窄口附近形成较高的局部流速，破坏了“死区”的形成。计算了不同进水隔网流道的膜面与隔网的壁面剪切力，其结果与膜污染实验中的TOC/ATP浓度呈现显著的负相关关系。壁面剪切力的提高，可以增强边界层中作用于颗粒或污染物的提升力，从而减缓污染速率。因此，在进水隔网的几何设计中，应考虑尽可能提高壁面剪切力的同时降低跨流道压降差。图6 CFD模拟不同进水隔网流道的流场分布图。入口错流速度为0.12 m/s。图7 CFD计算不同进水隔网流道的膜面与隔网的壁面剪切力，以及与膜污染实验中的TOC/ATP浓度的相关性分析。
本文采用水力学实验、膜污染实验与CFD模拟，探究了不同变径网丝进水隔网几何特征对膜元件中流道的水力学和抗污染性能的影响，主要结论如下：
（1）变径网丝进水隔网的网丝层数、丝径的变径程度、网丝缩窄口的位置与宽度会影响流道中的流场，进而影响流道整体的水力学性能和抗污染性能。
（2）变径网丝进水隔网不建议采用单层网丝的设计，因为其易引起较大的跨流道压降差，同时产生较多的流动“死区”，导致严重的膜污染和隔网污染。
（3）网丝缩窄口的设计有利于减轻膜污染，其应该设计在易发生污染的“死区”附近，例如网丝结点处。
（4）设计、开发具有更好的水力学性能和抗污染性能的新型进水隔网，对于提升膜元件的性能至关重要。第一作者：林炜琛，本科毕业于清华大学分室，现为清华大学分室2017级直博生，导师为黄霞教授，研究方向为污水资源化与膜法水处理。以第一作者在Water Research、Environment International、Journal of Membrane Science等知名期刊发表SCI论文多篇。联系邮箱：lwc17@mails.tsinghua.edu.cn通讯作者：王小𠇔，博士，清华大学分室副研究员，博士生导师。研究方向为膜法水处理技术和工艺、微量有机物控制和饮用水常规处理工艺深度除浊。主持和参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点课题、国际合作项目及国家“水专项”课题多项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文近50篇，获国家发明专利授权多项。联系邮箱：wangxiaomao@tsinghua.edu.cn。
通讯作者：黄霞，博士，清华大学分室教授，博士生导师，实验室主任。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授和创新团队带头人、首批环境保护部专业技术领军人才、国际水协会会士（Fellow）和膜技术专业委员会主席、Frontier of Environmental Science & Engineering期刊执行副主编、Environmental Science: Water Research & Technology副主编等。主要从事膜法水处理技术、功能膜材料、生物电化学污水处理技术、污水资源化技术等研究。发表SCI收录论文300余篇，连续6年入选爱思维尔发布的中国高被引学者榜单；出版专著/教材5部；曾获国家科技进步二等奖3项、部级一等奖4项、Environmental Science & Technology 和Environmental Science: Water Research & Technology年度最佳论文奖。联系邮箱：xhuang@tsinghua.edu.cn。