近年来，水体富营养化和藻类暴发现象频发，恶化水源水质，严重威胁着我国城镇饮用水安全。相比于新建水厂，常规处理工艺的升级改造在提高供水水质方面更具时效性。超滤膜的截留孔径（通常为10～100nm）远小于藻细胞尺寸（2～200μm，极少数<2μm），可有效截留藻细胞，兼具无相变分离、不需投加药剂、便于自动化管理和模块化设计等工艺特点，故以超滤膜为核心的组合工艺是我国饮用水处理工艺升级改造的一个重要方向^[1]。然而，藻类及其分泌物（Extracellular Organic Matter,EOM）会诱发严重的膜污染，导致膜产水能力大幅下降和运行成本增加，极大制约了超滤工艺在处理含藻水方面的应用^[2,3]。

本文通过分析国内外在超滤处理含藻水领域的研究现状，总结超滤工艺处理含藻水过程中的关键科学问题和技术难点，分析超滤膜藻源污染的形成和转化过程，探讨强化超滤除藻和缓解膜污染的调控策略，推动超滤技术在处理含藻水方面的应用。

膜污染行为识别是调控超滤膜污染的重要研究方向。超滤处理含藻水过程中，膜污染物除了胶体、有机物和微生物等污染物外，主要是藻细胞及藻源有机物（Allogenic Organic Matters,AOM）。AOM主要由多糖、蛋白质以及腐殖质类有机物组成，SUVA值较低，具有大分子性和强亲水性。藻细胞在超滤膜表面沉积后与其他有机物及无机物等污染物的膜污染行为不同：(1)藻细胞被截留在超滤膜表面，形成密实且可压缩的滤饼层，导致膜通量快速下降^[4,5];(2)EOM会填充到由藻细胞构成的滤饼层空隙内，加重滤饼层的凝胶效应，导致严重超滤膜污染；且EOM含量越高，膜通量下降越快^[6]。此外，藻细胞破裂会导致胞内有机物（Internal Organic Matter,IOM）释放，相比于EOM,IOM疏水性更强，更易吸附在膜孔内，加重膜污染^[5]。

关于超滤处理含藻水的研究大部分仅涉及了AOM（或者EOM和IOM）的污染机理，且多以平板膜处理模拟水小试为主。笔者团队近期的试验与实践研究发现，采用中空纤维超滤膜处理天然含藻水，其藻源污染问题不仅局限于膜纤维本身，在膜组件进口常富集较多的粘液，亦会导致跨膜压差无规律上升。内压中空纤维膜组件壳式结构使得AOM污染会扩散至组件进出口，严重时会堵塞超滤膜组件从而影响其正常产水；而外压浸没式中空纤维超滤膜在应用中未出现上述现象。超滤膜处理天然含藻水过程中，浸没式中空纤维超滤膜的结构相比于内压式更适宜；但是处理过程中的压力上升现象同样存在。因此，藻源污染仍是制约超滤工艺处理含藻水的重要挑战之一。

超滤处理含藻水的膜污染控制技术可分为两类，即预处理组合工艺优化和超滤膜原位强化，其中：水厂组合处理工艺强化技术，主要考察氧化、混凝、吸附及其他技术；超滤膜原位强化措施，通过预涂动态药剂层改善超滤膜的界面特性以强化其抗污染效能。

混凝具有操作简单、对污染物（如胶体、悬浮物、颗粒物等）去除效率高等优势，有助于改善超滤膜前进水水质，缓解膜污染和提高膜通量^[7,8]。在含藻水处理中，其行为特性和作用机制与水中常见污染物（腐殖酸、黏土等）具有显著区别。在混凝作用下，藻细胞、大分子型藻源污染物（相对分子质量大于20kDa）、疏水性藻源有机污染物可被水中的絮体颗粒通过吸附电中和及网捕卷扫等作用去除，从而降低膜前藻细胞和AOM含量，改善膜面滤饼层的黏性和可压缩性，提高其渗透性能，缓解膜污染^[9,10,11]。部分研究表明，采用水合二氧化锰混凝有助于调控超滤膜表面污染层结构特性，形成疏松滤饼层，降低其不可逆膜污染；且混凝沉淀预处理对膜污染的控制效果显著优于原位混凝预处理^[12]。混凝可对滤饼层形貌产生较大影响，这是由于混凝过程中形成的絮体形态以及混凝除藻效能与滤饼层生长有着直接关联。未来应在混凝形态学方面加以突破，并明确环境因子对强化混凝-超滤组合工艺的作用机制。

然而，由于藻类的液泡等胞器具有调节浮力作用，导致低剂量混凝难以有效控制藻细胞表面Zeta电位，需要增大混凝剂投加量或与预氧化等方法协同。针对此特点，笔者团队设计了两条超滤处理含藻水过程的混凝预处理强化途径，其一是化学预氧化耦合在线混凝强化超滤膜除污染；其二是在混凝和超滤膜系统之间增设沉淀/澄清分离装置（斜管沉淀池和气浮池）以强化其除藻效能（见图1)^[13]。其中，化学预氧化耦合在线混凝是基于氧化使得藻细胞和AOM的Zeta电位提高从而强化在线混凝过程的思路^[13]；沉淀/澄清分离装置的增设是基于固液分离过程强化以实现微絮体和藻细胞的多屏障去除思路^[14]。

粉末活性炭（Powdered Activated Carbon,PAC）具有比表面积大，且对多种污染物具有较好的去除作用，在膜污染控制方面具有较好的应用前景。近年来研发的短程吸附-超滤净水工艺（PAC-UF）、扩展工艺（PAC两点投加及回流至澄清池或PAC接触池），可有效去除水中的溶解性有机污染物，缓解膜污染^{[15,16,17,18]}。在超滤处理含藻水方面，投加粉末活性炭有助于提高溶解性有机物的去除效能，并有助于改善滤饼层结构，缓解膜污染^[19]。于莉君等^[20]利用粉末活性炭-混凝-超滤联用处理含藻水研究表明，投加粉末炭对有助于提高对藻源有机污染物的去除效能，但长期运行中PAC对膜污染的缓解效果逐渐降低；而采用PAC吸附和混凝联合预处理，可同步实现污染物去除效能提升和膜污染控制，有利于超滤膜的长期稳定运行。此外，部分研究指出粉末活性炭预处理有助于提高超滤工艺对铜绿微囊藻的去除效能，去除率由95%提升至99.99%，且有助于超滤系统的稳定运行和膜通量恢复^[21]。

然而，目前国内外在PAC吸附预处理对超滤膜污染影响方面，目前还没有一致的结论，部分研究指出粉末活性炭被截留在膜表面形成滤饼层污染，抵消了其吸附去除有机物带来的正面效应，导致其对膜污染的缓解效果不明显，甚至加重膜污染^[22,23,24]。近年来部分供水业界同行反映PAC存在处理效果不理想的现象，指出是PAC中的金属离子导致超滤膜化学性能受损。此外，粉末活性炭主要吸附疏水性的有机污染物，而藻源有机污染物（AOM）通常具有大分子性和亲水性，而难以被吸附去除，需与氧化和混凝等技术单元耦合以强化藻源污染物的去除效能^[15]。在扩展PAC-UF净水工艺中增设了预处理药剂投加系统，通过预氧化或者预混凝来提高PAC吸附除藻效能，改善膜前进水水质和缓解超滤膜污染。因此笔者团队探讨了PAC与KMnO₄和FeSO₄耦合预处理，发现单独PAC-UF工艺中有机胶体与PAC发生交联作用，增加PAC与膜表面的吸附力，导致滤饼层匀实致密，增加滤饼层阻力；而KMnO₄和FeSO₄预处理可有效降低PAC的交联效应及其与膜面的粘附力，增加滤饼层粗糙多孔性，缓解超滤膜污染。

针对粉末活性炭微孔性、选择吸附性差等不足，笔者团队开发了基于膜材料资源化利用的同源吸附预处理技术：利用废弃膜材料制备中孔吸附树脂（MAR），并用于含藻水预处理，发现MAR对大分子有机物（如AOM）的吸附效果较好，对超滤膜污染缓解效果明显优于粉末活性炭。此外，MAR可同步缓解滤饼层污染和膜孔堵塞污染；而PAC仅有助于缓解膜孔堵塞污染，对滤饼层污染的缓解效果有限^[25]。因此，针对藻源污染物特性开发新型吸附材料、开发吸附组合预处理技术、解析吸附剂与污染物在膜表面上的界面行为及作用机制，将成为未来吸附-超滤组合工艺处理含藻水的研究和应用重点（见图2）。

采用预氧化处理含藻水时，需要重点关注两个问题：(1)提高预氧化超滤组合工艺除藻效能及其长效运行；(2)避免胞内有机物大量释放^[26,27]。

高锰酸钾及其复合药剂具有强化混凝、除藻、除臭味和除有机物等多重效能，已在生产实践中得到了广泛应用。研究表明高锰酸钾的氧化作用对藻细胞具有较好的抑制作用，同时其氧化过程产生的中间产物水合二氧化锰（δ-MnO₂胶体）具有较大的比表面积和较强的吸附作用，可强化水中藻源污染物的去除，缓解超滤膜污染（见图3)^[27]。但高锰酸钾及其复合药剂预处理存在重要的限制因素：(1)须通过试验确定最佳投量，避免过量投加导致出水色度增高；(2)其氧化中间产物δ-MnO₂胶体（通常其平均粒径0.2～1.0μm）有可能会吸附截留在超滤膜表面而加重膜污染^[28]。笔者团队发现δ-MnO₂胶体沉积超滤膜表面其引起的膜污染行为差异较大，有时对其通量影响并不大，有时却会引起严重的膜污染。此外，高锰酸钾与氯的联合预氧化技术作为超滤膜预处理技术具有其独特优势：(1)具有协同消毒能力，保障出水的微生物安全性和化学安全性；(2)提高预氧化处理效率，减少氯投加量，有效控制消毒副产物的生成。联合预氧化处理含藻水过程中，利用高锰酸盐和氯氧化能力的差异和灭活细胞的选择性，有助于破坏不同藻类的有机胶质层，使氧化剂易于扩散透过细胞壁；且原位生成的δ-MnO₂吸附于藻细胞表面，增加了藻类的体积质量，从而提高除藻效率^[13,27,29]。

此外，氯和臭氧预氧化通常不会堵塞超滤膜，适用性更广。但由于臭氧对有机超滤膜具有氧化作用，所以臭氧氧化通常应用于无机陶瓷超滤膜系统中^[30]。但臭氧的氧化能力强，易导致藻细胞破裂，降低臭氧投加量虽可减少细胞破裂的比例，但对超滤膜污染控制较差，甚至可能导致出水水质恶化。预氯化与吸附/超滤联用技术可强化对水体中有机物的去除，并通过改变颗粒物粒径改善膜通量，但可能导致出水消毒副产物浓度增加，有待进一步评价。有报道指出羟基自由基氧化对胞内有机物释放的影响较小，笔者团队通过Fe（Ⅱ）/过硫酸盐体系，发挥了硫酸根自由基氧化和三价铁离子混凝协同作用控制藻源污染^[31]。

因此，实际应用中应结合藻源污染物特性及IOM和EOM的释放规律，以减少藻细胞破裂与降低膜污染为条件约束，灵活地选择氧化-超滤组合工艺中氧化剂的种类、投加量和投加方式。

超滤膜原位强化预涂层技术是针对超滤膜单元本身所采取的强化措施（即在超滤膜表面涂覆动态层），用于缓解超滤膜污染和提高其处理效能的原位调控方法。常见的预涂覆物主要有粉末活性炭、硅藻土、高岭土、氧化铁和沸石等。研究表明，在超滤膜表面预涂覆PAC能够显著地提高超滤膜AOM的去除效果，同时预涂覆PAC层可避免藻细胞和AOM与超滤膜直接接触，有助于减缓膜污染^[32]。但也有报道指出PAC作为预涂物质会造成严重的膜污染，膜通量难以通过反冲洗有效恢复^[33,34]。预涂覆技术用于超滤膜处理含藻水，过滤初期虽可借助于动态预涂层缓解超滤膜的不可逆污染，但藻细胞、AOM和预涂覆物在超滤膜表面易形成复合污染层，加重膜污染，导致超滤膜跨膜压差快速上升，影响超滤工艺长期稳定运行。因此，超滤膜原位强化预涂层在应用过程中，应考虑藻细胞和AOM的浓度并选择性地与预氧化或混凝沉淀等工艺联用。

磁性离子交换树脂（Magnetic Ion Exchange Resin,MIEX）技术作为一种新型水处理方法，在国外已有应用，取得了较好的处理效果^[35]。MIEX对小分子亲水性溶解性有机物的高效去除有助于缓解超滤膜的不可逆污染，延长超滤膜的过滤周期^[36,37]。在含藻水处理中，MIEX与混凝联用预处理可强化对藻细胞的去除（99%），缓解藻源膜污染，且有效地控制消毒副产物生成^[38]。然而，也有报道指出MIEX技术对含藻水中的活体藻细胞去除能力较差，需进一步开展工艺组合与优化研究，以强化其除藻作用和调控藻源膜污染^[39]。

此外，紫外和生物过滤均可作为超滤预处理技术，但是紫外预处理易导致AOM的释放量增加，可能会加重超滤膜的污染^[40]；而生物预处理技术涉及影响因素较为复杂，需根据当地水质和气候等条件综合评价其技术经济适用性^[41]。

预处理工艺虽可有效地削减膜前藻细胞、AOM和其他污染物的浓度，但随着运行时间推移，将不可避免地产生超滤膜藻源污染。因此，对受藻类污染的超滤膜进行清洗，关系到超滤膜的产水能力和稳定运行。常规的物理清洗方法（水力反冲洗、错流、曝气剪切）对藻源膜污染的控制效果较差，因此本文重点介绍藻源类超滤膜污染的化学清洗方法。

在水处理领域，超滤膜化学清洗以常规碱洗和酸洗为主，避免过多化学物质暴露。根据化学清洗液在超滤膜系统中的溶液传质过程、藻细胞和AOM理化性质及其在膜面滤饼层形成机制，本文重点介绍化学强化反冲洗（Chemically Enhanced Backwash,CEB）和化学清洗（Clean In Place,CIP）两种方式。CEB方式主要是用于控制藻细胞和AOM在超滤膜表面的累积与转化。笔者团队针对藻源膜污染开展了小试、中试和生产性试验研究，对比了柠檬酸钠、NaOH、盐酸、NaClO及其组合药剂强化水力反冲洗对藻源膜污染的控制效能，发现NaClO(10～20mg/L）强化水力反冲洗可有效地降低滤饼层内有机污染的浓度，抑制微生物的生长，水力不可逆膜阻力增长速率几乎为零，有效地保障了超滤膜的稳定运行。CIP方式一般采用较高浓度的NaOH、NaClO或二者联合，必要时采用柠檬酸辅助清洗及提高清洗液温度的方式强化反冲洗效果。在NaOH和NaClO联合清洗过程中，NaOH可促进AOM中的类多糖和蛋白质类分解成较小粒径的糖类和氨基化合物，分解破坏藻源污染层；而NaClO能够通过氧化作用将AOM和天然有机物的部分稳定官能团分解成羧基类、酮类和醛类等亲水性官能团，从而缓解超滤膜污染。柠檬酸洗可进一步清除超滤膜藻源污染层中的生物膜污染，并破坏AOM与金属离子间的螯合作用，从而进一步缓解藻源超滤膜污染。相比于CIP方式，CEB方式所采用的化学清洗药剂浓度和总药剂消耗量均显著降低，且对膜污染的持续性控制效果更佳，在应对藻源膜污染方面具有广阔的应用前景（见图4）。

超滤膜技术是净化含藻水的有效途径，但藻类引起的膜污染是制约其推广应用的重要屏障。本文围绕国内外在超滤膜处理含藻水面临的关键科学和技术问题，通过识别主要藻源污染物特性及其膜污染行为，探讨了膜前预处理组合工艺强化措施对藻源超滤膜污染的调控原理，对促进超滤膜在水体富营养化地区的应用具有重大意义。未来超滤膜处理含藻水的研究重点主要体现在以下3个方面：

(1）发展和完善藻源污染层的定性表征、定量表征和形貌表征方法，建立超滤膜藻源污染层原位表征的方法体系，继续探索藻细胞与AOM在超滤膜表面污染层的界面特性及其形成转化规律。

(2）探究超滤膜水处理系统中藻源污染物转移转化规律和过程削减途径，开发基于混凝、吸附、氧化和原位预涂层耦合的藻源污染物控制与深度脱除组合技术，构建藻源污染层调控技术体系。

(3）集成膜前预处理、膜处理和出水水质稳定安全保障等关键技术，形成以超滤为核心的组合工艺与技术体系，并研发应对藻类爆发（嗅味升高）的应急膜前预处理技术和适配于老水厂升级改造的膜处理技术。