超滤处理东江水不可逆膜污染物的识别和活性炭对其吸附去除

利用超滤实验以及6种粉末活性炭吸附东江水有机物的水质数据,通过三维荧光光谱-平行因子分析(EEMPARAFAC),考察东江水中造成不可逆膜污染的主要组分和活性炭吸附这些组分的效果;随后进行活性炭对不可逆膜污染组分吸附效果与对应活性炭孔结构参数的相关性分析,揭示活性炭的表面物理性质对不可逆膜污染物吸附的影响.EEMPARAFAC模型识别出东江水含有2个类腐殖质荧光组分C1和C3,以及1个类蛋白质(类色氨酸)荧光组分C2,其中C2为主要不可逆膜污染物.同时,所有活性炭对3种荧光组分均有较好的吸附效果,其中对主要膜污染物C2的去除率可达54.0%~74.6%.相关性分析发现,活性炭对主要膜污染荧光组分C2吸附效果受活性炭微孔表面积的影响,而活性炭对两种次要膜污染荧光组分C1和C3吸附效果受活性炭中大孔表面积和BET比表面积影响.实验结果可为活性炭-超滤工艺处理东江水的活性炭选型提供技术指导.     

臭氧-CNT膜改性联用工艺阈通量及膜污染分析

采用碳纳米管(carbon nanotube,CNT)对聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纤维超滤膜进行改性,结合臭氧预氧化技术,考察了臭氧-CNT膜改性联用工艺的阈通量及膜表面污染情况.结果表明,原膜阈通量为45 L·(m~2·h)~(-1),联用工艺下阈通量为81 L·(m~2·h)~(-1),联用工艺相对原膜阈通量提高了约80%;且联用工艺的污染速率最低,约为0. 001 37k Pa·min-1·L-1·m~2·h.相同臭氧投量与CNT负载量下,对比联用工艺阈通量与临界通量运行情况,得出阈通量下运行过水量高于临界通量运行,表明阈通量下运行能够缓解膜污染,延长膜组件的运行时间.膜污染碳平衡实验结果表明,采用CNT对膜改性后,膜组件的纳污能力与可恢复性得到明显提高,臭氧氧化能够进一步提高CNT改性膜组件的可恢复性,大幅提高其过水性能和使用时间.     

调控絮体形态强化电絮凝减缓膜污染

本研究通过调节电絮凝工艺参数来实现对絮体形态的调控,进而达到减缓膜污染的目的.主要考察了电流密度、初始pH、初始电导率对絮体性质以及膜通量的影响,并解析了超滤膜对不同形貌结构絮体的膜污染响应机制.结果表明,电絮凝减缓膜污染的关键是在膜表面形成疏松多孔的滤饼层,电絮凝-超滤(electrocoagulation-ultrafiltration,EC-UF)工艺不但能够有效地减缓膜污染,而且还极大提升了出水水质.增加电流密度,以及在pH中性水质条件下,EC-UF工艺中膜通量保持更高.j=20 A·m~(-2)、初始pH=7、初始电导率=1 000μS·cm~(-1),EC-UF工艺对水中的腐殖酸(humic acid,HA)去除率为97%,平衡阶段归一化通量J/J0达到81%.     

跨膜压差和膜面流速对磁絮凝延缓陶瓷微滤膜通量衰减的影响

为克服陶瓷微滤膜净化微污染水体时产水量不高、通量衰减迅速的难题,采用磁絮凝预处理工艺延缓陶瓷膜的污染。对比了磁絮凝预处理与传统絮凝预处理对陶瓷微滤膜膜污染的影响,结果显示:磁絮凝预处理后陶瓷膜的稳定产水量高于传统絮凝预处理,验证了磁絮凝预处理工艺延缓膜污染的可行性。同时,研究了跨膜压差和膜面流速对2种组合工艺膜通量的影响,结果表明:随着跨膜压差和膜面流速的增加,膜通量均提高但增幅逐渐放缓,其优化运行参数如下:跨膜压差为0.20 MPa,膜面流速为2.0 m/s。     

微絮凝对腐殖酸超滤过程膜污染的减缓特性

以硫酸铝[Al_2(SO_4)_3·18H_2O]为絮凝剂,腐殖酸(humic acid,HA)和高岭土(Kaolin)水溶液为原水,研究微絮凝过程产生的不同絮体形态,对自制聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜过滤过程的影响.主要考察了微絮凝过程中絮体的特性(粒径大小及分布,分形维数)以及不同条件下形成的絮体形态对膜通量的影响,利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对污染膜的表面形貌进行表征,并测定了PVDF膜与有机污染物之间黏附力大小,来解析不同絮体形态对超滤膜的膜污染影响机制.结果表明,Al~(3+)以电性中和作用水解去除有机物,随着絮凝剂投加量的增加,絮体粒径不断增大,絮体的分形维数减小.膜通量衰减速率与絮体的粒径呈负相关,絮体粒径越大,膜通量衰减速率越小,超滤过程中形成的滤饼层越疏松,同时,较小分形维数的絮体引起的膜污染较轻,其膜通量恢复率也较高.PVDF-有机污染物之间的相互作用力大小与运行初期相应污染膜通量衰减速率呈正相关.当Al~(3+)投加量为5 mg·L~(-1),初始pH=7时,HA去除率为96.7%,膜通量衰减最小,通量恢复率达到88%.     

长江口大气多氯联苯干湿沉降通量

大气干、湿沉降是水体持久性有机污染物的主要来源.长江口是我国陆海相互作用研究的关键区域,是大气污染物监测的重点区域.为了解长江口大气中多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls, PCBs)的污染特征,本研究共采集了自2013年10月—2014年8月4个季度93对大气样品(气态和颗粒态)和13个雨水样品,分析了样品中7种典型PCBs浓度并估算了PCBs的干、湿沉降通量.结果表明:①长江口大气中PCBs(气态和颗粒态)浓度范围是2.37～207 pg·m~(-3),平均浓度为44.9 pg·m~(-3);与以海洋为背景的国内外大气中PCBs相比,浓度处于中度水平;大气中PCBs主要存在于气态中,占77%;夏季气态PCBs浓度明显高于其他3个季度;颗粒态PCBs浓度呈冬、春季高,夏、秋季低的特点.②PCBs的干沉降通量为681～2330 pg·m~(-2)·d~(-1),年均值为1880 pg·m~(-2)·d~(-1),冬、春季干沉降通量明显高于夏、秋季;湿沉降通量为184～1210 pg·m~(-2)·d~(-1),年均值为863 pg·m~(-2)·d~(-1),夏季湿沉降通量明显低于其他3个季节.总体上,PCBs干、湿沉降通量年均变化为865～3300 pg·m~(-2)·d~(-1),年均值为2250 pg·m~(-2)·d~(-1),干沉降占总沉降通量的69%.     

微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的研究之二——以聚合氯化铁(PFC)为絮凝剂

试验研究了微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的工艺特征和效果.试验结果表明,微涡旋絮凝-逆流气浮工艺去除水中腐殖酸时,在聚合氯化铁(PFC)的最佳投药点0.62 mmol·L-1(Fe3 )下,出水水质符合纳滤膜系统预处理单元的要求,而且该工艺需要PFC絮凝剂的量较低.该预处理系统与纳滤系统组合的集成工艺可以使水中的腐殖酸有机物浓度大大降低,且含TQ56-36FC型纳滤膜的流程1比含M-N1812A型纳滤膜的流程2效果好.前者出水的TOC值可达0.48 mg·L-1,CODMn值为0.64～0.69mg·L-1,UV254值为0,且有95%以上的脱盐率.后者出水的TOC值为0.61～1.00mg·L-1,CODMn值为0.72～0.97mg·L-1,UV254值为0～0.0109,脱盐率很低.另外,尽管保安过滤/活性炭预处理有利于纳滤膜出水水质的提高,但活性炭柱的存在也降低了纳滤膜对有机物的去除率.动态实验结果表明,该集成工艺在本试验中运行周期为72h.水中颗粒物粒度分布表明,原水、絮凝后和气浮出水中颗粒物粒度分布的中位直径(d50)分别为2～5 μm、21 μm和16μm;经过保安过滤器或保安过滤器/活性炭柱,水样中的颗粒物的d50为0到几个μm;经过纳滤膜后,出水基本无颗粒物.初步研究表明,微涡旋絮凝过程中投药量对絮体的分形维数有着显著影响.     

一体式铝盐絮体-超滤膜净水效能与机制

一体式膜工艺以其占地面积小、污染物去除效率高等优点在水处理工艺中逐渐应用.然而,长期运行后,传统颗粒性吸附剂存在加剧膜表面损伤的风险,同时大多数研究所用吸附剂价格较高,如纳米铁、碳纳米管等.针对上述问题,本文将铝盐混凝剂水解后形成的松散絮体直接注入膜池,基于腐殖酸(HA)和密云水库原水,考察了一体式絮体-超滤膜工艺运行效能及膜污染行为.结果表明,仅HA过膜时,第12 d跨膜压差(transmembrane pressure,TMP)急剧增至76. 4 k Pa,将膜组件取出经自来水清洗膜表面后TMP降为10. 1 k Pa (13 d),表明滤饼层是膜污染的主要形式,并且运行期间HA平均去除率仅为23. 3%.絮体注入频率、曝气强度及溶液pH能显著影响该工艺运行效能,尤其溶液pH.当采用连续投加方式将43. 2mmol·L-1铝盐絮体注入到pH为6. 0、曝气速率为0. 3 L·min-1膜池内时,膜污染程度显著降低,第12 d时TMP仅增长到19. 5 k Pa,清洗之后TMP降为5. 6 k Pa (13 d),此时HA平均去除率提高至61. 2%.此外,密云水库原水实验表明,当原水直接过膜时,TMP也急剧增加,运行12 d时TMP达到38. 0 k Pa,而清洗膜表面后TMP降低至3. 8 k Pa (13 d),滤饼层仍然为主要污染方式,同时有机质平均去除率为7. 5%.在上述最佳工艺条件下(曝气0. 3 L·min-1、溶液pH 6. 0)投加43. 2mmol·L-1铝盐絮体时,TMP增长也极其缓慢,12 d时仅增至6. 1 k Pa,膜表面清洗后TMP降至2. 3 k Pa (13 d),有机质平均去除率高达58. 6%.本研究表明一体式铝盐絮体-超滤膜在水处理中具有潜在的应用价值.     

高锰酸盐复合药剂预氧化缓解超滤膜藻类污染的中试研究

通过中试试验考察了高锰酸盐复合药剂(PPC)预氧化强化混凝/沉淀/超滤的组合工艺的除藻效能以及PPC预氧化对藻类引起的膜污染的缓解作用,并对其机理进行了探讨.试验结果表明,投加0.6mg·L-1PPC能使预处理阶段对藻类的平均去除率提高约28%.组合工艺处理高藻水时,PPC预氧化通过强化预处理,降低膜表面的污染负荷,对藻源污染物引起可逆和不可逆污染均具有一定的缓解作用.化学清洗试验结果表明,碱洗对超滤膜TMP恢复效果远远强于酸洗,因而有机物是超滤膜处理高藻水时的主要污染物质.     

加载絮体形态对短流程超滤膜污染影响效应

以聚硫酸铁（PFS）为混凝剂,微砂为载体颗粒,系统考察了采用加载絮凝-超滤联用工艺净化含高岭土、腐植酸和锑[Sb（Ⅲ）]的模拟原水过程中,不同PFS和微砂投加量条件下加载絮体形态特性以及其对超滤膜通量衰减、膜污染可逆性和宏观出水水质等的影响,并分析了膜污染机理.结果表明,PFS投加量对絮体形态及膜滤效能和膜污染影响显著,且投加量过少或过多均会产生不利影响,以30mg/L为宜;与不投加微砂的工况相比,加入微砂更易于形成大而结构较为松散的絮体,可有效削弱不可逆膜污染,并获得较为稳定的超滤出水水质;超滤末端膜比通量与絮体平均粒径呈良好的正相关性（R²=0.8774）,但因加载絮凝体系中引起分形维数变大的不同类型颗粒（包括小粒径范围絮体和未被加载絮体捕获的微砂）对超滤净水过程产生的影响各异,致使膜通量与分形维数的负相关性较差（R²=0.5760）.     

SMBR系统活性污泥性质对膜污染特征的影响

采用浸没式膜生物反应器(Submerged membrane bioreactor,SMBR),在曝气量300 L·h-1、膜通量15 L·m-2·h-1、抽吸/间歇时间为8 min/2 min的工况下,在缺氧区采用不同搅拌强度运行,研究了活性污泥特性及其对滤饼层特征的影响.试验结果表明,搅拌强度对系统主要水质指标的去除没有明显的影响.但随着搅拌强度的突然增加,会导致活性污泥上清液胶体态物质升高,胞外聚合物由(28.94±9.61)mg·g-1(以VSS计,下同)增加到(52.57±7.98)mg·g-1,膜污染速率增加2.13倍;滤饼层污染引起的跨膜压差(Trans-membrane pressure,TMP)占到总TMP的93.64%以上.     

两种新型涂铁改性砂的过滤性能及反冲洗条件研究

以两种新型涂铁改性石英砂(纳米氧化铁改性砂,Nano-OCS;氧化铁改性砂,IOCS)及普通石英砂(RQS)为研究对象,考察了两种新型改性砂对沉后水腐殖酸及浊度的直接过滤效果,对其反冲洗条件进行优化研究,并对3种滤料的过滤效果进行了比较.结果表明,1滤层厚度为45 cm时,最佳滤速为6 m·h-1;3种滤料对腐殖酸和浊度的直接过滤效果依次为:Nano-OCSIOCSRQS,其中两种涂铁砂对腐殖酸的去除率分别为71.70%和61.61%;2Nano-OCS和IOCS滤柱的反冲洗流程分4步,对应的流程及最佳操作条件为:首先,用0.5 mol·L-1NaOH的溶液浸泡,气冲强度13 L·s-1·m-2,气冲时间6 min;然后,用0.075 mol·L-1的NaOH溶液与空气同时反冲洗,NaOH溶液冲洗强度为8 L·s-1·m-2,气冲强度13 L·s-1·m-2,冲洗时间3 min;接着用0.015 mol·L-1的FeCl3溶液与空气同时反冲洗,FeCl3溶液冲洗强度为8 L·s-1·m-2,气冲强度13L·s-1·m-2,冲洗时间2 min;最后,用清水冲洗,冲洗强度8 L·s-1·m-2,冲洗时间4 min.两种涂铁砂反冲洗前后表面形态结构更加复杂、粗糙度增加,对腐殖酸去除率进一步提高.3当滤层厚度由45 cm增加到80 cm时,Nano-OCS对腐殖酸直接过滤的最高去除率由74.6%提高至80.3%,平均去除率由57.9%提高至68.5%.     

分置式厌氧陶瓷膜生物反应器处理模拟生活污水试验研究

为强化厌氧系统的处理效能,延缓厌氧膜生物反应器膜污染速率,采用分置式厌氧陶瓷膜生物反应器处理模拟生活污水.结果表明:厌氧反应器UASB经过60 d的启动,可实现对模拟生活污水的良好处理,COD去除率超过90%;耦合膜组件运行后,膜出水COD在22.58 mg·L~(-1)左右,COD总去除率平均为95.53%,甲烷日均产量为352 mL·d~(-1),产率最高达到0.11 m~3·kg~(-1);跨膜压差(TMP)达到26.81 kPa时膜污染严重,周期为14 d,反冲洗能够去除膜表面的泥饼层,有效地延长膜污染周期;对混合液及滤饼层中的多糖和蛋白质浓度进行了分析,结果表明,蛋白质是引起膜污染的主要物质.     

臭氧-CNT膜改性联用工艺对PVDF中空纤维膜污染进程的缓解

采用碳纳米管(carbon nanotube,CNT)对聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)中空纤维超滤膜进行改性,结合臭氧预氧化技术,考察了臭氧-CNT膜改性联用工艺对PVDF中空纤维膜污染进程的缓解作用,研究了CNT负载量和臭氧投量对中空纤维膜组件通量变化和抗污染性能的影响.结果表明,CNT负载量为3 g·m-2、臭氧投量(以O3/DOC计)为0.22mg·mg-1时,临界通量下[144 L·(m2·h)-1],膜组件单位面积过水量达到850 L·m-2,相比原始超滤膜过水量提高了4.5倍;低通量[18 L·(m2·h)-1]下运行15d,膜组件单位面积过水量达到3000 L·m-2,相比原膜单位过水量提高近10倍.使用共聚焦激光扫描电镜观测污染膜表面,结果表明,运行压力增长最快的原膜表面污染层内活菌数量最多;臭氧氧化与CNT膜均能够减少膜表面污染层内的微生物总量和活菌数量,从而缓解了运行压力的增长.臭氧氧化后CNT层的存在,进一步减少了膜表面污染层内的活菌数量,同时截留了部分死菌,但截留的死菌与运行压力增长无明显相关性.     

超滤的预处理工艺对比研究:化学混凝与电絮凝

对比研究了化学混凝(chemical coagulation,CC)与电絮凝(electrocoagulation,EC)作为超滤膜分离的预处理工艺,在死端过滤条件下与超滤膜的作用机制以及对膜污染的减缓效果.主要研究了Al3+投加量对膜通量、絮体性质(粒径、强度系数、恢复系数、分形维数)、以及滤饼层性质的影响.结果表明,EC作为预处理时,生成的絮体强度大且结构紧实,在膜表面堆积形成的滤饼层具有疏松多孔、亲水性强的性质;而CC作为预处理时,生成的絮体强度低且比较松散,在膜过滤过程中容易被压力压碎压实,导致滤饼层比较密实、亲水性低.因此,EC作为预处理工艺对膜污染的减缓效果好,在运行过程中可以保持较高的膜通量,膜通量较CC高约5.57%.     

天然有机物的相对分子质量分布及亲疏水性对微滤膜组合工艺中膜污染的影响

研究采用混凝沉淀+粉末活性炭吸附+高锰酸钾+浸没式微滤膜的组合工艺对太湖水进行中试试验,通过高效凝胶色谱(HPSEC-UV-TOC)和三维荧光(3DEEM)的测定方法,着重考察有机物的相对分子质量(Mr)分布和亲疏水性对膜不可逆污染的影响.凝胶色谱分析表明:预处理可几乎完全去除大分子有机物(Mr>10×103),但仅能去除部分的中等分子(10×103>Mr>1×103)和小分子(Mr<1×103)有机物.研究发现化学清洗水中的有机物相对分子质量多为中等分子和小分子,说明导致膜不可逆污染的主要是中等分子和小分子有机物.此外,洗膜水中强疏和中性亲水组分含量远高于弱疏和极性亲水,说明强疏和中性亲水组分是不可逆污染的主要物质.三维荧光分析表明,芳香族蛋白质和溶解性微生物产物是造成膜不可逆污染的主要污染物.     

不同原水中膜污染物质的表征与确定

本文采用有机物的组分分析、相对分子质量分布及三维荧光等分析手段,研究了青草沙水库和滆湖原水的膜过滤通量的表现,探讨了膜污染的机理.试验结果表明,中亲组分有机物造成的微滤膜和超滤膜的通量下降最为严重,而疏水性有机物对通量的影响甚微.滆湖水对微滤膜的通量下降较青草沙水库水严重,而青草沙水库水对超滤膜的通量下降较滆湖水严重.膜污染机理的分析表明,微滤膜污染主要由膜孔堵塞造成,而超滤膜的通量主要受大分子有机物形成的滤饼层的影响.三维荧光分析表明,蛋白质类的有机物是造成膜污染的主要物质.     

太湖原水中膜污染物质的确定与表征

采用混凝沉淀和浸没式微滤膜联用技术处理太湖原水,考察组合工艺中的有机物亲疏水性和分子量分布变化,并分析化学清洗水的有机物组分,以期确定造成膜污染的主要物质成分.结果表明,混凝预处理可有效去除大分子的亲水性有机物,这类有机物仅能导致可逆污染,而中等和小分子的有机物会导致不可逆污染.此外,三维荧光光谱表明与膜污染关系最密切的2个区域为:λex=230nm/λem=330~350nm (区域Ⅰ)和λex=280nm/λem=300~350nm (区域Ⅳ),其对应的胞外蛋白质类有机物和溶解性微生物产物(SMP)是造成微滤膜不可逆污染的主要物质.