系統(tǒng)的各類污染必將在元件表面存留具有相應(yīng)質(zhì)量的污染物，故通過系統(tǒng)中各個位置上污染物的質(zhì)量分布分析，可以清晰地得到系統(tǒng)中各膜段、各膜殼、各元件及元件內(nèi)部各位置膜片的污染分布。全面了解系統(tǒng)的污染程度分布及污染性質(zhì)分布對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化（optimalize）、運行污染防治及元件結(jié)構(gòu)改進(jìn)均具有重要的指導(dǎo)意義。
筆者對典型有機(jī)污染系統(tǒng)中不同系統(tǒng)流程位置上的元件、不同高程膜殼中的元件、膜元件中不同高程位置膜片、不同曲率半徑膜片以及不同朝向膜片上的污染物進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量分析，從而較全面地剖析了膜系統(tǒng)全境中的有機(jī)污染物分布。
1特定系統(tǒng)的膜堆結(jié)構(gòu)與感染性質(zhì)
筆者研究對象為連續(xù)運行期為1a的一級兩段6∶4膜殼排列，每殼裝6支LP22-8040元件的反滲透系統(tǒng)，該60支膜元件系統(tǒng)的膜堆結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)水源為天津市政給水，典型的給水、濃水及產(chǎn)水的流量(單位:立方米每秒)與水質(zhì)如表1所示。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。
由表1可見，該系統(tǒng)以有機(jī)污染為主，且對有機(jī)物的系統(tǒng)截留率約為40%。對系統(tǒng)流程(liú chéng)首端與末端兩元件中污染物進(jìn)行電鏡-能譜分析，數(shù)據(jù)如表2所示。
由表2可見，此系統(tǒng)中的感染主要為有機(jī)性質(zhì)。
2污染物質(zhì)量的測定
由于特定系統(tǒng)(system)在1a運行期內(nèi)是首次進(jìn)行離線清洗，各膜元件不存在流程(liú chéng)位置的前后顛倒、膜堆高程中的上下調(diào)換以及安裝方位上的角度扭轉(zhuǎn)等變化，各位置元件及膜片的污染均為原始狀態(tài)，不存在多次交叉污染現(xiàn)象，從而為污染物質(zhì)量分布的分析奠定了基礎(chǔ)。
膜元件中污染物的質(zhì)量即為清洗前后污染元件質(zhì)量的差值，但清洗前后元件的質(zhì)量均存在失水即失重過程。實測數(shù)據(jù)表明，初始質(zhì)量為G0的濕膜元件質(zhì)量Gd，隨直立放置天數(shù)d的失重過程如式所示，試驗的元件質(zhì)量以直立放置8d后的數(shù)值為準(zhǔn)。
膜片上污染物的質(zhì)量與膜片的面積密切相關(guān)，為消除測試用膜片面積的影響，衡量膜片上污染物質(zhì)量采用污染物相對質(zhì)量指標(biāo)：
所謂潔凈膜片是將污染膜片在濕潤條件下擦除表面污染物后得到的膜片，而潔凈或污染干膜片質(zhì)量均是將相應(yīng)濕膜片烘干后的檢測值。膜片質(zhì)量檢測采用Sartorius品牌BP221S型電子天平。
3沿流程的元件污染物質(zhì)量分布
測定系統(tǒng)中沿流程的各感染元件質(zhì)量與各潔凈元件質(zhì)量，實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的潔凈元件平均質(zhì)量為15.37kg，第一段與第二段系統(tǒng)中污染元件的平均質(zhì)量分別為15.98kg與16.38kg，即第一段元件污染物平均質(zhì)量為0.61kg，而第二段為1.01kg。
沿系統(tǒng)流程(liú chéng)各元件的膜通量x1、回收率x2及給水有機(jī)物濃度x3，構(gòu)成了元件感染物質(zhì)量G的三大主要因素〔4〕。其中，有機(jī)物濃度是污染源，膜通量決定了污染速度，而回收率影響(influence)了污染效果。污染系統(tǒng)運行參數(shù)：給水溫度25℃，給水pH7.5，濃水pH7.9，系統(tǒng)工作壓力0.75MPa。系統(tǒng)運行1a時沿系統(tǒng)流程各膜元件的運行參數(shù)如表3所示。
如設(shè)膜元件感染物質(zhì)量Gx與各污染因素xi的獨立函數(shù)關(guān)系均可表示為二次多項式，則系統(tǒng)流程中元件的污染物質(zhì)量Gx與各污染因素xi的函數(shù)關(guān)系可表示為最高二次冪函數(shù)多項式：
表3中沿系統(tǒng)流程共有12組數(shù)據(jù)，而式中共計10個待求系數(shù)ai，采用數(shù)學(xué)回歸方法可求解式各系數(shù)。為使式解中各系數(shù)的相對數(shù)值能夠表征各系數(shù)對應(yīng)污染因素的影響權(quán)重，可將式中各變量進(jìn)行歸一化處理：如變量xi的定義域為，則定義歸一化變量xi*為：
在式中以歸一化變量xi*替代原始（Original)變量xi并進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸時，所得多項式系數(shù)的數(shù)值差異就表征了相應(yīng)變量或變量組合對于污染物質(zhì)量的影響程度。歸一化變量對應(yīng)式方程的解如表4所示。
由表4可見，因a3值遠(yuǎn)大于a1與a2，沿系統(tǒng)流程的污染物質(zhì)量主要與給水中污染物濃度線性相關(guān)；且因a8值遠(yuǎn)大于a7與a9，元件回收率上升時的污染物質(zhì)量加速增長；污染物質(zhì)量與膜通量成負(fù)相關(guān)關(guān)系應(yīng)理解為污染物濃度與元件回收率兩個主要因素作用之下的現(xiàn)象。
4依高程的元件污染物質(zhì)量分布
在圖1所示膜堆結(jié)構(gòu)中，相鄰膜殼的安裝高程相差0.36m。系統(tǒng)(system)前后兩段膜殼的不同安裝高程與膜殼內(nèi)各膜元件的污染物平均質(zhì)量的關(guān)系曲線如圖2所示。
由圖2可見，因第二段的給水污染物濃度高于第一段，故第二段元件中污染物質(zhì)量大于第一段；且無論第一段或第二段，安裝位置越低，膜殼中的污染物質(zhì)量越大。
因同段各膜殼的給水污染物濃度相同且各膜殼收率基本相等，故同段各殼污染物質(zhì)量的差異源于各殼產(chǎn)水通量Fp的差異。中空纖維膜紡絲機(jī)外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對氣體分離膜來說，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長至30天以上。如設(shè)各膜殼的給濃水滲透壓πf
C、產(chǎn)水滲透壓πp及產(chǎn)水壓力Pp均相等，則各殼產(chǎn)水通量的差異只源于各殼給濃水平均工作壓力Pfc的差異-}〔1〕）。
因各段給水均源于給水母管首端，各段濃水匯于濃水母管末端，計算各膜殼給濃水平均工作壓力差異及相應(yīng)各膜殼產(chǎn)水通量。其中，系統(tǒng)初始運行參數(shù)為給水含鹽300mg/L，給水溫度25℃，給水壓力平均0.63MPa，濃水壓力平均0.52MPa，給濃水平均滲透壓0.04MPa。高程每下降0.36m則壓強(qiáng)下降－0.36MPa，給水及濃水管路的沿程損失、局部損失及膜壓降的系統(tǒng)運行參數(shù)如表5所示。
由表5可見，系統(tǒng)運行初期第一段各膜殼產(chǎn)水通量僅相差約×100%=3.4%。但是，由于低位膜殼中的元件通量較大，將造成其初始污染較重，將形成較大的元件與膜殼壓降；進(jìn)而造成低位膜殼給濃水流量下降，相應(yīng)元件的濃差極化度上表3系統(tǒng)計算運行參數(shù)與污染物質(zhì)量分布升，從而將進(jìn)一步促進(jìn)低位膜殼中元件的污染，1a后低位膜殼元件的平均污染物質(zhì)量大于高位膜殼元件竟達(dá)75%。因此，同段不同高程膜殼中污染物的質(zhì)量差異起源于給濃水母管壓降形成的各膜殼給濃水平均壓力差異，而后期各膜殼給水比例的再分配放大了污染物的質(zhì)量差異。
5依高程的膜片污染物質(zhì)量分布
高程位置的差異不僅存在于不同膜殼之間，也存在于殼內(nèi)元件的不同高程位置的膜片之間。如將膜元件的徑向界面分為8個方位，則8個方位區(qū)域中心位置的高程呈正弦曲線形式。8個方位區(qū)域內(nèi)膜片的平均污染物相對質(zhì)量分布也呈正弦曲線形式，如圖3所示。
由圖3可見，膜元件中膜片的感染程度隨膜片在元件中水平位置（position )的升高而降低。
6依朝向的膜片污染物質(zhì)量分布
元件相同位置上，給濃水流道中面向中心管的膜片污染物較重，背向中心管的膜片污染物較輕，兩類膜片的污染物相對質(zhì)量存在0.17%的差值。不同朝向膜片污染物相對質(zhì)量分布如圖4所示。
6.1兩朝向膜片的水通量差異
卷式膜元件的給濃水流道與淡水流道均呈卷式結(jié)構(gòu)，給水從元件給水端徑直流向濃水端，淡水沿卷式流道進(jìn)入淡水中心管，給濃水與淡水兩股徑流的流向呈十字正交，膜元件截面流道示意如圖5所示。
由圖5可見，對于某層給濃水徑流而言，背向膜的淡水進(jìn)入內(nèi)側(cè)淡水流道后的流程較短，淡水背壓Pp較小；面向膜的淡水進(jìn)入外側(cè)淡水流道后的流程較長，淡水背壓Pp較大。根據(jù)膜過程中產(chǎn)水通量FD與純驅(qū)動壓的關(guān)系fD=A•{-}〔1〕，由于給水流道兩側(cè)淡水側(cè)滲透壓πD相等，給水壓（特指：壓強(qiáng)）力Pf及滲透壓πf為特定值，面向膜側(cè)淡水背壓較高將導(dǎo)致(cause)該側(cè)產(chǎn)水通量較小，背向膜側(cè)淡水背壓較低將導(dǎo)致該側(cè)產(chǎn)水通量較大。據(jù)此，系統(tǒng)長期運行的效果是面向膜污染較輕及污染物質(zhì)量較小。
6.2朝向膜片的受壓形變差異
系統(tǒng)在線運行時給濃水的工作壓力使膜片產(chǎn)生形變。在工作壓力作用下，面向膜片呈凹形，承受拉力而使膜面積增大；背向膜呈凸形，承受壓力而使膜面積縮小。系統(tǒng)運行時，設(shè)形變后膜面積上的污染速度一致，污染物相對質(zhì)量無異；但離線檢測時工作壓力消失，兩向膜片恢復(fù)原有面積，因污染物絕對質(zhì)量保持不變，面向膜片上污染物相對質(zhì)量自然增加，而背向膜片上的污染物相對質(zhì)量必然減少。
如果認(rèn)為膜片在工作壓力作用之下，面向膜的厚度變小，背向膜的厚度變大。由于通量與膜厚度相關(guān)，面向膜的相對通量較大，污染速度相對較快，運行積累的污染物質(zhì)量也就相對較大。
6.3兩朝向膜片的表面流態(tài)差異
若從元件徑向截面觀察單層給濃水流道，可近似將其視為一個同心環(huán)形通道。給濃水流道的外側(cè)面向膜的濕周大于內(nèi)側(cè)背向膜，即面向膜表面的阻力大于背向膜，則面向膜表面切向流速小于內(nèi)側(cè)。如設(shè)給濃水流道內(nèi)外側(cè)的膜通量相等即面向膜與背向膜表面的法向流速相等，則面向膜表面的錯流比較低，從而造成面向膜表面的感染重于背向膜。具體參見
由于上述三項因素中后兩項的作用大于前一項，從而形成了面向膜片的污染重于背向膜片。
7依曲率半徑的膜片污染物質(zhì)量分布
上述不同朝向膜片的污染物質(zhì)量影響因素中，受壓形變與表面流態(tài)兩因素只影響相向兩膜片的污染差異。而產(chǎn)水通量差異的因素不僅影響相向膜片的污染差異，也使與中心管距離不等即曲率半徑不等的膜片產(chǎn)生了不同的污染程度。沿膜元件徑向位置的膜片污染物質(zhì)量具體分布如圖6所示。
由圖6可見，由于靠近中心管相向膜片的產(chǎn)水背壓均小于遠(yuǎn)離中心管相向膜片的產(chǎn)水背壓，故前者的產(chǎn)水通量、污染速度及污染程度均大于后者。
