实验中所用的聚合硫酸铁(polymerized ferrous sulfate，PFS，有效铁含量21%)为饮用水级，购于神美科技有限公司(河北沧州)。烧碱(主要成分为NaOH)与次氯酸钠溶液(有效氯浓度约5%)，购于常州通达试剂有限公司。所用的浸没式中空纤维超滤膜购于天津膜天膜科技股份有限公司，材质为聚偏氟乙烯(PVDF)。超滤膜平均孔径为 30 nm，膜丝内径为 0.7 mm，外径为1.3 mm，每个膜组件表面积为35 m²。原水取于常州某河流，为防止大颗粒泥沙等进入原水箱，原水分别经一级过滤器(精度为100 μm的滤袋)和二级过滤器(精度为50 μm的滤袋)后使用，原水箱水质如表1所示。

絮体配制方法。首先取所需质量(以铁计)的聚合硫酸铁溶于水中，然后在500 r·min⁻¹下快速搅拌1 min，之后调整转速为150 r·min⁻¹，继续搅拌14 min。由于絮体的性质受pH的影响较大^{[26- 27]}，因此，在慢速搅拌过程中使用烧碱将絮体pH统一调至接近原水pH(pH约 7.3)。之后，静置沉降1 h，排去上清液，重复 2~3次。

装置由液位计控制水位且自动运行(除加药外)，每30 min自动记录跨膜压差、产水流量、产水浊度、水温等数据。实验装置如图1所示。实验所用河水经袋式过滤器预过滤后进入原水箱，再通过离心泵加入膜池，同时将配置好的絮体浆液(絮体投加量以有效铁计)通过蠕动泵持续泵入膜池中。实验过程中采用恒流量运行，单膜池产水流量为1 m³·h⁻¹，水力停留时间约为70 min。膜组件每运行29 min后进行1 min的反洗(反洗流量均采用1.5 m³·h⁻¹)，在反洗的同时进行曝气(曝气强度可按需设置)。为防止絮体下沉，产水过程中持续进行微量曝气(曝气强度为0.75 m³·h⁻¹)，同时为了防止膜池内污染物积累过多，定期进行排泥(排泥间隔可按需设置)，排泥时膜池液位从2.40 m降低至1.80 m(膜组件高1.80 m，排泥时不宜暴露在空气中)。此外，为降低微生物对膜污染程度的影响，采用次氯酸钠进行预氧化，次氯酸钠通过蠕动泵加入原水箱，投加量为1 mg·L⁻¹(以有效氯计)。

原水浊度采用Hach2100Q浊度仪(美国Hach公司)测定；出水浊度采用Signet 4150在线浊度仪测定；高锰酸盐指数采用GB/T 11892-1989法测定；化学需氧量(COD_ᴄᵣ)采用重铬酸盐法测定；五日生化需氧量(BOD₅)采用HJ 505-2009非稀释法测定；总磷(以P计)采用钼酸铵分光光度法测定；氨氮(NH₃-N)采用水杨酸分光光度法测定；总氮以(N计)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。

在运行结束(TMP设定上限为45 kPa)后，取2 cm左右的膜丝，以扫描电子显微镜(SEM，日本JEOL公司)观察超滤膜表面形貌，并在液氮中淬断后，观测膜断面滤饼层特征。通过使用SEM-EDS(Quattro, FEI, USA; Element E1868-C2B, Ametek, USA)对被污染的膜的横截面进行线扫描和测绘，采集了C、O、F、Fe、Si、Ca等元素沿滤饼层深度的强度特征，以揭示膜污染的机制。

考察了一体式絮体-超滤工艺运行效能，首先设置了直接超滤(无絮体投加、反洗曝气量5 m³·h⁻¹、排泥间隔2 d)和一体式絮体-超滤(铁盐絮体投加量为10 mg·L⁻¹、反洗曝气量5 m³·h⁻¹、排泥间隔2 d)2组实验(表2)，对其跨膜压差进行实时监测。由图2和图3(a)可知，无絮体投加时，膜污染速率较快且膜断面的滤饼层相对致密，仅经过7 d的运行，TMP 就由12.1 kPa急剧升至45 kPa；而当铁盐絮体投加量为10 mg·L⁻¹时，膜污染速率大幅减缓，经过25 d的运行，TMP才由11 kPa升至45 kPa。此外，膜断面滤饼层相对疏松(图3(b))，表明投加铁盐絮体能有效地缓解膜污染。这是由于无絮体投加时，原水中大量污染物直接到达膜表面，其中部分污染物会吸附并逐渐堵塞膜孔，部分污染物则在膜表面逐渐形成滤饼层，短时间内造成严重膜污染。而当有铁盐絮体投加时：一方面，铁盐絮体粒径较大，在膜池底部曝气的情况下于膜表面形成松散的絮体保护层，该保护层能吸附截留污染物，减少到达膜表面的污染物；另一方面，污染物经絮体吸附捕捉并定期随排泥排出后，进一步降低了污染物直接到达膜表面的概率，使膜污染速率显著降低。

然而在膜池排泥时，膜池液位由2.40 m降至1.80 m，只排出了约1/4的膜池液体，因此长期运行后，膜池内铁盐絮体仍会大量累积，导致吸附饱和的絮体浓度过高。而有研究^[28-29]表明，当吸附饱和的絮体浓度过高时，会导致膜表面污染负荷增加，其缓解膜污染的效果会下降。基于此，设置了初步优化实验(表2)，即反洗曝气量10 m³·h⁻¹，絮体投加量先为10 mg·L⁻¹，在膜池运行至第10天时，絮体投加量降低至5 mg·L⁻¹，同时将排泥间隔从2 d改为1 d。由图2可知，相比絮体-超滤，初步优化实验可在一定程度上强化膜污染减缓，经过32 d的运行，TMP才由10.9 kPa增至45.1 kPa，且此时膜表面无明显滤饼层(图3(c))。这是由于运行中后期提高排泥频率，避免了膜池内吸附饱和的絮体浓度过高，降低了膜表面污染负荷，有利于缓解膜污染；而反洗曝气量的加大，虽然能更有效地清除膜表面污染物，减缓滤饼层的生成，但也破坏了膜表面絮体保护层，不利于缓解膜污染。

进一步设置了强化优化实验(表2) (膜池开始运行前1 d：铁盐絮体投加量为10 mg·L⁻¹；膜池运行0~10 d：絮体投加量10 mg·L⁻¹，排泥间隔2 d、反洗曝气量5 m³·h⁻¹；膜池运行至第10天：投加量5 mg·L⁻¹、排泥间隔1 d、反洗曝气量5 m³·h⁻¹)。由图2可知，相比初步优化实验，强化优化实验后膜污染的减缓效果大幅提高，经过83 d的运行，TMP才由9.1 kPa增至45.1 kPa。这是由于预先投加絮体，能在膜池运行前就在膜表面形成絮体保护层，使膜污染速率显著降低。

为了考察滤饼层内不同污染物的膜污染特征，采用扫描电子显微镜-能谱仪线扫描分析了特征元素沿膜表面滤饼层深度的变化(图4(a))。结果表明，直接超滤时滤饼层中Si和O元素信号强度沿深度方向增加，在接近膜表面时快速下降；Ca元素信号强度较高，且在滤饼层中分布较均匀；C、F元素信号强度较低，到达膜表面后强度急剧增加。C的信号强度变化表明滤饼层中有机污染物含量低，而Si、Ca、O的信号强度变化则表明Si、Ca的化合物(主要组分可能是无机氧化物)是滤饼层的主要成分。此外，由图4(b)(SEM-EDS映射图像)可以直观地看出，滤饼层中最主要污染成分是Si元素，其他元素的占比相对较低。可能的原因是大量引起浊度的含硅化合物易被截留吸附在膜表面(直接超滤时浊度大幅降低，去除率为98%，而COD去除率仅为37.5%)，而有机物则难以被超滤截留。值得注意的是，Ca元素含量较低，可能是原水硬度较低所致。

进一步解析了絮体-超滤(优化前)的滤饼层特征(图5)。结果表明，在絮体-超滤时，C、F元素信号强度同样是在滤饼层中较低，到达膜表面后急剧升高，C的信号强度变化表明滤饼层中有机污染物含量较低；Fe、Ca、Si、O元素信号强度高表明此时滤饼层中污染物仍以无机物为主。Ca、Fe信号强度变化表明，其主要分布在滤饼层中上层；Si信号强度沿滤饼层深度方向持续增加，直至到达膜表面后急剧减少，表明其主要分布在滤饼层底部(靠近膜表面)。与直接超滤相比，絮体-超滤滤饼层中也是无机污染物含量更高。不同的是，铁盐絮体的投加减少了滤饼层中Si、C的含量(Si由充满整个滤饼层断面至主要处于滤饼层断面底部)。这主要是由于絮体不但能吸附去除污染物，而且还能在膜表面形成松散的絮体保护层，进一步吸附截留污染物，从而使膜污染速度减缓。另外，Fe主要分布在滤饼层中上层，而硅主要处于滤饼层断面底部。这是由于在絮体形成有效保护层前，部分污染物率先在膜表面形成了滤饼层。

进一步对强化处理后的滤饼层进行了解析(图6)，由于初步优化实验膜表面几乎无滤饼层，所以未对其滤饼层进行深度解析。结果表明，经强化优化后，Si、Fe、O元素信号强度高，且三者变化趋势相同，信号强度均沿深度方向增加，在接近膜表面时快速下降；C元素信号强度较低，主要分布在滤饼层中上层。尽管无机污染物仍是滤饼层的主要成分，但Fe元素主要分布在滤饼层底部，且主要污染物分布行为与Fe大致相同。这是由于预先投加絮体能在污染物到达膜表面前，在膜表面形成松散的絮体保护层，吸附截留污染物，从而显著地减缓膜污染速率。此外，滤饼层中C元素信号强度也有所增加且主要分布在中上层，进一步表明预先投加絮体，能有效阻止污染物到达膜表面并减缓膜污染，提高出水水质。

出水水质是衡量水处理工艺运行效果的重要指标，进一步考察了不同实验条件下超滤工艺的出水水质(表3)。结果表明，超滤工艺对浊度的去除效果均较高，去除率均大于98%，且铁盐絮体的存在能进一步提升浊度去除率；投加铁盐絮体也能明显提高COD和总磷的去除率，其去除率分别由37.5%提至64.58%和由15%提至40%；对于总氮的去除，有无絮体时则无明显影响，其平均去除率约为65%。对比絮体超滤试验优化前后可知，膜池运行10 d后减少絮体投加，并不会明显降低处理效果。此外对运行83 d的强化优化工艺中的出水进行了42项水质指标测试，结果表明，除耗氧量外，其他水质均符合国家饮用水标准(GB 5749-2006)。

分别核算了一体式絮体-超滤工艺、强化优化工艺的产水成本。产水成本主要分为超滤膜折旧费、电费、药剂费3个部分。

1)膜折旧费。超滤膜折旧费根据式(1)^[18]进行计算。一体式絮体-超滤工艺、强化优化工艺运行时间分别设为25 d和83 d，而化学清洗时间均为6 d，则絮体-超滤工艺和优化工艺超滤膜的有效产水时间占有率 k分别为80.65%和92.77%。将数据代入式(1)计算得到絮体-超滤工艺、优化工艺超滤膜折旧费分别为0.296元·t⁻¹ 和0.258元·t⁻¹。

式中：V_m 为膜的吨水折旧成本，元·t⁻¹；C_m为膜平均价格，元，本研究C_m为10 500元；n为超滤膜平均使用年限，a，本研究n取5 a；k为超滤膜的有效产水时间占有率，%；Q 为平均产水量，t·h⁻¹，本研究中Q 为1 t·h⁻¹。

2)药剂费。所用药剂为聚合硫酸铁、烧碱及次氯酸钠。其中聚合硫酸铁、烧碱用来配置铁盐絮体，当铁盐絮体投加量为10 mg·L⁻¹(以有效铁计)时，均摊到每吨水后，成本约为0.171元·t⁻¹。且絮体-超滤工艺全过程絮体投加量为10 mg·L⁻¹，而强化优化工艺前10 d，后73 d絮体投加量为5 mg·L⁻¹，所以絮体-超滤工艺和强化优化工艺的絮体费用分别为0.171元·t⁻¹和0.102元·t⁻¹。次氯酸钠用来氧化预处理，当投加量为1 mg·L⁻¹(以有效氯计)时，均摊到每吨水后，成本约为0.122元·t⁻¹。所以将各药剂费用相加，可得絮体-超滤工艺和强化优化工艺药剂费用分别约为0.293元·t⁻¹和0.224元·t⁻¹。

3)电费。主要用电器为水泵与鼓风机，电费以0.5元·(kW·h)^-1 计，均摊到每吨水后，产水成本为 0.009元·t⁻¹ 。将超滤膜折旧费、电费、药剂费相加，可得一体式絮体-超滤工艺、强化优化工艺产水成本分别为0.598元·t⁻¹和0.491元·t⁻¹(未计人工费)。与前期的一体式絮体-超滤中试工艺^[18,29]相比，本期强化工艺精简了工艺流程、絮体利用率更高(药品投加量减少20%)。

1)一体式铁盐絮体-超滤工艺能有效减缓膜污染，提高出水水质。强化优化后稳定运行时间超过80 d。

2)尽管超滤膜表面滤饼层中污染物分布情况有所不同，但均是以无机污染物为主：直接超滤时滤饼层污染物以Si、Ca的化合物为主；絮体-超滤优化前，滤饼层污染物以铁盐絮体及Si、Ca的化合物为主，且铁盐絮体主要分布在中上层，Si主要分布在滤饼层底部(靠近膜表面)；强化优化后，滤饼层成分仍是铁盐絮体及Si、Ca的化合物为主，但此时，铁盐絮体主要分布在底部，能更好地减缓膜污染。

3)絮体投量、排泥间隔等是影响一体式絮体-超滤工艺的重要因素，絮体滤饼层及其内部微生物能部分去除COD、P；强化优化后的运行产水成本为0.491元·t⁻¹。