常规超滤工艺采用高压高通量运行模式，膜污染严重，需要频繁采用水力反冲洗和化学清洗来恢复膜的过滤效能，故其在实际应用中存在能耗高、操作维护复杂、附属配套设备多等问题，且对溶解性污染物（如氨氮和有机物）的去除效果较差，难以应对村镇复杂的水环境^[1,2,3,4]。因此，进一步高效削减超滤工艺的能耗和运维工作，提升其除污效果，是构建适配我国村镇供水特色的超滤净水技术的关键。

基于村镇供水现状及常规超滤工艺的问题导向设计，围绕水质安全保障的新原理、新方法和新工艺，研发了以生物滤饼层为核心的重力驱动超滤工艺（GDM），其可在较低工作压力（0.002～0.006MPa）下长期运行，通量可达到稳定状态，且不需采用水力反冲洗、错流及化学清洗等措施控制膜污染，具有无药剂、低维护、低能耗、操作简单和费用少等优点；同时GDM有机耦合了生物滤饼层和超滤双重截留功效，可强化对水中有机污染物[如生物聚合物和可同化有机物（AOC）等]和致病微生物的去除效能^[1,5,6,7]。目前，国内外学者已经在饮用水处理^[8]、灰水处理^[9]、雨水资源化利用^[10]、污水回用^[11]和海水淡化预处理^[12]等领域对GDM技术开展了广泛的研究。GDM的通量稳定性与膜表面生物滤饼层的粗糙多孔性和EPS含量显著相关，即滤饼层的结构越粗糙，孔隙度越发达，EPS含量越少，GDM的稳定通量越高^[13,14]。研究表明，改善膜前进水水质和增加生物滤饼层的粗糙多孔性，是提高GDM工艺稳定通量和除污染效能的有效途径^[14]。

缓速滤池可强化去除水中的污染物，提高出水水质，且能显著的缓解膜污染，提高膜通量^[15]。然而，目前国内关于缓速滤池耦合GDM工艺的相关研究较少。因此本试验构建了缓速滤池（分别以活性炭和沸石为填料）耦合GDM小试平台，系统地考察了耦合工艺长期运行过程中的通量稳定性及膜污染特性，解析了缓速滤池对污染物的强化去除原理以及对滤饼层结构和生化组分特性的影响机制，为GDM技术的工程应用提供支撑，助力解决村镇供水问题。

试验用水为河水，原水水质为：水温为17.6～22.5℃；浊度为1～3NTU，暴雨时浊度会增加到约30NTU;pH为6～8;UV₂₅₄为0.023～0.045cm^-1;DOC为1.50～3.0mg/L;DO为4～7mg/L；氨氮为0.15～0.35mg/L。

试验采用PES平板膜（UP150,Microdyn Nadir，德国），截留相对分子质量为150kDa，有效膜面积为0.005 65m²，采用死端过滤模式。此外，试验所用活性炭和沸石性能如表1所示。

本试验构建了缓速滤池/GDM耦合工艺（即GAC/GDM和沸石/GDM）（如图1所示），原水由原水箱自流进入缓速滤池（水力停留时间为2h）进行过滤，滤后水直接进入到GDM装置进行超滤处理，膜出水采用干净的集水瓶收集并进行水质分析，采用在线监控系统分析通量变化规律。采用内循环系统提高水中溶解氧浓度，本试验中共设置了GAC/GDM、沸石/GDM和GDM对照组（未投加填料）3组试验，考察不同填料对GDM产水能力和净水效能的强化作用，并探究缓速滤池对GDM工艺的调控原理。

试验中涉及的各项水质指标及其检测方法如表2 所示。

为了揭示GDM工艺的通量稳定性和膜污染特性以及耦合缓速滤池对其的调控作用，本试验设置了GAC/GDM、沸石/GDM和GDM对照组，长期运行过程中其通量变化规律以及阻力分布特性如图2所示。总体而言，3组GDM工艺的通量变化规律基本一致，主要分为通量快速下降阶段（Ⅰ）、缓慢下降（Ⅱ）和稳定阶段（Ⅲ）。第I阶段（1～12d），通量快速下降，这是由于大量的污染物被截留在膜表面形成滤饼层污染，同时部分污染物进入膜内部堵塞膜孔，导致膜阻力大幅增加^[16]。在耦合工艺中，由于缓速滤池能够有效地截留水中的颗粒物、胶体和有机物，故在第Ⅰ阶段GAC/GDM和沸石/GDM的通量均高于GDM对照组，且由于GAC对有机物的吸附效果更佳，故GAC/GDM的通量高于沸石/GDM。第Ⅱ阶段（13～31d），膜表面已形成的滤饼层能够有效地防止污染物进一步沉积到膜表面或膜孔中，有利于缓解膜污染，因此该阶段膜通量下降速率显著降低，且缓速滤池对GDM膜通量的提升作用日益凸显。随着过滤的进行（第Ⅲ阶段），GAC/GDM、沸石/GDM和GDM对照组的通量均趋于稳定，不再发生显著变化，平均稳定通量分别为11.5L/（m²·h）、9.1L/（m²·h）和5.6L/（m²·h）。相比于GDM对照组，GAC/GDM和沸石/GDM的稳定通量提高了约105%和63%，这是由于随着过滤的进行，缓速滤池中的生物作用逐渐加强，可进一步强化对水中有机物的去除，有助于提高滤饼层的多孔性和透水性，缓解有机膜污染。部分研究亦表明采用生物滤池预处理，可以有效提高改善生物滤饼层的粗糙多孔性，降低EPS含量，缓解膜污染，提高GDM稳定通量^[14,15]。此外，部分报道发现GDM稳定通量随着原水中生物聚合物（biopolymers）和总有机物（TOC）浓度的增加而显著降低^[5]。本试验中缓速滤池的预过滤（尤其是GAC滤池有机地结合了吸附和生物降解双重功能）能够有效地去除水中的污染物，改善膜前进水水质，降低膜表面和膜孔中污染物沉积量，缓解膜污染。因此，GAC/GDM和沸石/GDM耦合工艺的稳定通量较GDM对照组显著提高。

图2b表明，在GDM长期过滤过程中滤饼层污染和膜孔堵塞污染是导致通量下降的主要原因。相比于常规超滤工艺，在GDM系统中R_In相对较低，这是由于滤饼层的预过滤效应有效地降低了污染物进入膜孔造成膜孔堵塞污染的风险，这亦是GDM工艺长期运行过程中通量能够达到稳定状态的关键。相比于GDM对照组，GAC/GDM和沸石/GDM工艺总阻力下降了约50%和37%，其中R_Ex下降了约48%和37%,R_In下降了约95%和66%，表明缓速滤池可有效地缓解膜污染，尤其是膜孔堵塞污染，且GAC效果优于沸石。

水中UV₂₅₄和DOC的浓度与消毒副产物的生成势密切相关，因此本试验中考察了各GDM系统对UV₂₅₄和DOC的去除效能^[17]。图3a表明，过滤初期GDM对照组对UV₂₅₄的去除效果均较差，去除率约为6%；随着过滤的进行，GDM膜表面滤饼层逐渐形成，GDM对照组中UV₂₅₄去除率增加到10%，对DOC的平均去除率增加到8%（图3b），这是由于膜表面滤饼层的预过滤效应强化了对水中有机物的去除作用^[8]。然而，单独GDM工艺对UV₂₅₄和DOC的去除效能有限，难以满足出水水质要求。当耦合缓速滤池后，过滤初期，沸石/GDM和GAC/GDM工艺对UV₂₅₄去除率分别为13%和41%，这是由于沸石和活性炭的吸附截留作用强化了水中有机物的去除。随着过滤的进行，沸石/GDM和GAC/GDM出水中UV₂₅₄值不断下降，去除率也随之增加，这是由于缓速滤池中GAC和沸石表面附着滋生了大量的微生物，强化对有机物的生物降解作用。通量稳定后，沸石/GDM和GAC/GDM对UV₂₅₄的去除率分别约为30%和70%，对DOC去除率分别约为38%和75%，表明缓速滤池/GDM耦合工艺可有效地强化水中UV₂₅₄和DOC的去除作用，提升供水品质。类似地，部分研究表明采用生物预处理工艺，可有效地提高水中有机物的去除效能^[18,19]。

AOC可反映出水的生物稳定性，与管网中微生物二次污染问题密切相关^[20]。因此，本研究中考察了GDM工艺对AOC的去除效能，试验结果如图3c所示。尽管常规超滤工艺难以去除AOC等小分子有机物，但GDM对照组对AOC具有较好的去除效果，平均去除率为35.16%±1.35%，这是由于生物滤饼层内微生物降解作用所致。类似地，Nicolas等^[21]指出过滤初期生物滤饼层对AOC的去除率高达80%，通量稳定后生物滤饼层对AOC高于20%。在缓速滤池/GDM耦合工艺中，沸石和GAC滤层内可附着滋生大量的微生物，促进生物降解作用。因此，相比于GDM对照组，沸石/GDM和GAC/GDM耦合工艺显著地提高了AOC的去除率，平均去除率高达76.9%±2.40%和85.8%±1.73%，保障供水的生物稳定性。

氨氮污染一直是困扰饮用水处理的关键问题之一。长期过滤过程中，GAC/GDM、沸石/GDM和GDM对照组对氨氮的去除规律如图4所示。过滤初期，GDM对照组对氨氮没有明显的去除作用，这是由于氨氮是亲水性小分子物质，极易穿透超滤膜而难以被截留去除。随着过滤的进行，膜表面生物滤饼层逐渐形成，水中的硝化细菌被截留在膜表面，并不断在生物滤饼层内增长繁殖，有助于强化系统的硝化作用，氨氮去除率随之不断提升。过滤50d后，GDM对照组对氨氮的去除率趋于稳定，平均去除率为52.5%±3.15%，出水中氨氮浓度为（0.15±0.01)mg/L，满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。因此，相比于常规超滤工艺，GDM工艺处理受氨氮污染的水源水具有更强的适用性。耦合缓速滤池后，过滤初期GAC/GDM和沸石/GDM对氨氮也没有显著的去除效果，平均去除率均低于10%，且沸石/GDM对氨氮的去除效果略优于GAC/GDM。随着过滤的进行，GAC/GDM和沸石/GDM对氨氮的去除作用不断增加，这是由于沸石和GAC滤料表面有利于硝化细菌的附着滋生，增强系统的硝化作用。过滤30d后，GAC/GDM和沸石/GDM对氨氮的去除率不再显著增加，达到稳定状态，平均去除率分别为85.8%±2.35%和69.5%±2.41%，出水中氨氮浓度为（0.09±0.01)mg/L和（0.04±0.01)mg/L，显著地提升了出水水质。

通量稳定后，原水和各GDM系统出水中荧光性污染物的种类和强度如表3所示，其中峰A、峰B和峰C为主要特征峰，分别表征了酪氨酸类蛋白质、腐殖质、色氨酸类蛋白质。GDM对照组出水中峰A、峰B和峰C的强度较原水分别下降了13.0%、11.3%和20.3%，且对比图3可知，GDM对照组对荧光性污染物的去除效果优于UV₂₅₄和DOC。沸石缓速滤池具有较好的生物降解作用，故沸石/GDM工艺出水中峰A、峰B和峰C的强度较原水分别下降了45.7%、31%和40.1%，且较GDM对照组其去除率显著提高。相比之下，GAC缓速滤池有效地结合了吸附和生物降解作用，故GAC/GDM对荧光性污染物的去除效能大幅提升，出水中峰A、峰B和峰C的强度较原水分别下降了76.9%、64.3%和70.3%，有效地改善了出水水质。

研究表明，GDM的通量稳定性与膜表面滤饼层的粗糙多孔性结构密切相关^[1,5]。因此，通量稳定后采用OCT观测膜表面滤饼层的微观结构。图5a表明，GDM对照组膜表面滤饼层不均匀分布，且结构较为粗糙，可观测到孔、隙和裂缝等微观结构。Peter等^[16,22]指出，生物滤饼层的粗糙多孔结构是导致GDM长期过滤过程中通量达到稳定状态的主要因素，且滤饼层越粗糙，孔隙结构越发达，其稳定通量越高。相比于GDM对照组，沸石/GDM膜表面生物滤饼层分布不均匀性有所增加，孔隙结构更为明显，且能观测到明显的生物滤饼层脱落现象。在GAC/GDM系统中，膜表面滤饼层分布更为不均匀，粗糙度显著增加，生物滤饼层脱落明显，部分位置仅有少量生物滤饼层覆盖。结合图2可知，GAC/GDM和沸石/GDM系统膜表面滤饼层的粗糙多孔性结构可能是导致其稳定通量高于GDM对照组的主要原因。Nicolas等^[13,23]通过强化生物捕食作用增加生物滤饼层的粗糙多孔性后，GDM的稳定通量显著提高（50%～150%）。此外，部分研究发现原水水质会显著地影响生物滤饼层的微观结构^[24]。本试验中缓速滤池的预过滤能够有效地去除水中的污染物，改善膜前进水水质，亦有助于提高GDM生物滤饼层的粗糙多孔性。

EPS具有较高的黏性，易在滤饼层或膜孔中吸附沉积而加重膜污染，且可与水中的金属离子（如Ca²⁺）形成螯合物，是导致膜通量下降的重要因素^[25]。因此，在试验末期考察了滤饼层内沉积的EPS含量和组成（如图6所示）以进一步揭示缓速滤池对GDM通量稳定性调控原理。各GDM系统生物滤饼层内的蛋白质含量明显高于多糖（约28%～36%）。部分研究指出，蛋白质比多糖引起的膜污染更为严重，这可能也是GDM长期运行过程中通量能够保持稳定的原因之一^[26]。相比于GDM对照组，GAC/GDM和沸石/GDM耦合工艺膜表面生物滤饼层中EPS含量显著降低，蛋白质含量分别降低了约48.4%±1.39%和29.1%±0.98%，多糖浓度分别降低了约45.5%±1.33%和30.1%±1.16%。结合图2通量变化规律可知，耦合缓速滤池降低膜表面生物滤饼层内EPS含量亦是导致GDM膜稳定通量提升的重要原因之一。Desmond等^[24,27]指出EPS会影响GDM膜表面生物滤饼层的微观结构，从而增加膜过滤阻力，且EPS含量跟UF膜污染具有较好的线性相关性。部分研究亦指出生物处理工艺可有效地降低GDM膜前营养物质（如AOC）浓度，从而调控滤饼层内微生物总量和降低EPS分泌量，缓解膜污染，提高稳定通量^[14]。

当前在我国广袤的村镇地区，因缺乏行之有效的饮用水处理技术，饮用水安全问题日益突出。GDM工艺主要基于物理截留和生物降解过程去除水中的污染物，不需要投加混凝剂、助凝剂和消毒剂，可有效地保留饮用水的天然理化属性。同时缓速滤池/GDM耦合工艺有机地结合了缓速滤池和GDM工艺的双重净水功效，一方面缓速滤池能够有效地去除水中的污染物，缓解膜污染，改善出水水质；另一方面GDM工艺又能够强化对水中的悬浮物、胶体和致病微生物的去除，降低缓速滤池出水微生物泄露风险，提高供水的生物安全性。此外，缓速滤池/GDM工艺不需要采用反冲洗、曝气、错流及化学清洗，并可在极低的工作压力（0.005 MPa）下长期稳定运行，具有操作简单、低能耗、低维护等应用优势（见表4），是一种适配于我国村镇供水特色的新型膜滤净水技术。

(1）耦合缓速滤池可有效地缓解膜污染，尤其是膜孔堵塞污染，提高通量稳定性，GAC/GDM和沸石/GDM耦合工艺的膜稳定通量较GDM对照组分别提高了约105%和63%。

(2)GDM膜表面生物滤饼层具有较好的预过滤作用，可强化对AOC和氨氮的去除效能，但对溶解性有机物去除效果较差，对DOC和UV₂₅₄的去除率均低于10%；耦合GAC和沸石缓速滤池可有效地提高GDM的净水效能，对DOC的去除率增加到75%和38%，对氨氮的去除率增加到85%和69%，增强了处理受氨氮和有机物污染水源水的适用性。

(3）生物滤饼层内EPS含量及其粗糙多孔结构是影响GDM通量稳定性的关键因素，耦合GAC和沸石缓速滤池可显著地改善膜表面生物滤饼层的粗糙度和多孔性，降低滤饼层内EPS含量，提高GDM的稳定通量。

(4）缓速滤池/GDM耦合工艺有机地结合了缓速滤池和GDM的双重净水效能，可显著地提高系统的产水能力和净水效能，且无需采用反冲洗和化学清洗措施来控制膜污染，是一种适配于我国村镇供水特色的新型超滤净水技术。