以膜生物反應(yīng)器（MBR）為代表的膜技術(shù)，是未來城市污水資源化從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)，但膜污染會導(dǎo)致膜分離效能下降，從而制約其經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性。膜污染過程高度復(fù)雜，對從分子層面理解污染行為并實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測提出了更高要求。

近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院大學(xué)肖康教授團(tuán)隊(duì)和中信環(huán)境技術(shù)有限公司相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地融合污染物光譜表征與數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動的建模策略，從物質(zhì)行為監(jiān)測和工藝動態(tài)解析兩個維度著手，建立了光譜指紋-污染物分子特性-污染物行為之間的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了小樣本下大型實(shí)際MBR工程中膜污染趨勢的高效預(yù)測（圖1）。該研究提出的融合光譜指紋的數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動建模策略，明確了光譜指紋在膜污染預(yù)測中的關(guān)鍵信息價(jià)值，降低了模型對大規(guī)模數(shù)據(jù)的依賴，有望在小樣本條件下輔助工藝運(yùn)行決策，為膜工藝的精細(xì)化運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

該研究以中國北方某5萬噸/日級市政污水MBR處理工程為對象，開展了為期近一年的連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)收集了包括“污染物性質(zhì)-污染潛勢-運(yùn)行工況-膜污染狀況-維護(hù)性清洗事件”在內(nèi)的多維特征數(shù)據(jù)。研究表明，該MBR工程膜污染的主導(dǎo)機(jī)制在于凝膠層污染，單一宏觀濃度指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映溶解性有機(jī)物（DOM）的凝膠層污染行為，需重點(diǎn)關(guān)注含氧不飽和物質(zhì)對凝膠層污染的貢獻(xiàn)?；跀?shù)據(jù)-知識共驅(qū)動的光譜特征工程表明，光譜指紋是連接污染物分子特征與污染行為的“橋梁”，部分光譜指紋指標(biāo)（如UVA254、FI-Ⅰ、peak B和peak T）可用于后續(xù)定量建模（圖2）。

研究以光譜指紋表征DOM性質(zhì)，并結(jié)合膠體與顆粒特性、運(yùn)行工況、膜運(yùn)行與污染狀態(tài)及清洗事件等信息作為模型輸入，對不同時(shí)間滯后條件下的膜污染發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。研究表明，基于光譜指紋驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)模型在小樣本條件下實(shí)現(xiàn)了膜污染發(fā)展趨勢的高效預(yù)測，可有效預(yù)測5?7天后的膜累積阻力，并表現(xiàn)出良好的跨膜池泛化能力（圖3a）。進(jìn)一步的SHAP分析和敏感性分析表明，光譜指紋對膜污染發(fā)展趨勢預(yù)測能力具有重要貢獻(xiàn)（~30%）（圖3b），可據(jù)此通過調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行由“高污染風(fēng)險(xiǎn)-高能耗”向“低污染風(fēng)險(xiǎn)-低能耗”的優(yōu)化轉(zhuǎn)變?？傮w而言，該研究提出的基于光譜特征工程的數(shù)據(jù)-知識共驅(qū)動建模策略，在小樣本下兼顧了預(yù)測準(zhǔn)確性、模型泛化能力與可解釋性，為實(shí)際工程中的膜污染調(diào)控提供了新的思路和方法。

研究成果以“膜法污水處理中的膜污染智能監(jiān)測”為題，于2月9日在線發(fā)表于《自然·可持續(xù)性》。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授黃霞和中國科學(xué)院大學(xué)教授肖康為論文通訊作者，中國科學(xué)院大學(xué)2021級博士生來怡哲為論文第一作者。論文合作者包括清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院丁昊杰博士，中國科學(xué)院大學(xué)2023級博士生田亦臣、研究助理邢勐、教授譚吉華，中信環(huán)境技術(shù)有限公司張勁松博士、彭贊國博士、范宇工程師、魯顯位總工程師，北京林業(yè)大學(xué)教授梁帥，泰國亞洲理工學(xué)院教授薛文超。

該研究在清華大學(xué)（環(huán)境學(xué)院）–中信環(huán)境技術(shù)有限公司先進(jìn)膜水處理及資源化技術(shù)聯(lián)合研究中心的支持下開展，并得到國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金委和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01766-2

來源：環(huán)境學(xué)院