海藻酸及腐殖酸共存对PVDF超滤膜的污染行为

为了揭示有机物对PVDF超滤膜的污染行为,选用典型亲/疏水性有机污染物海藻酸(SA)及腐殖酸(HA),采用原子力显微镜结合自制的PVDF膜材料探针和污染物探针定量测定了PVDF-污染物及污染物-污染物间的作用力,并进行PVDF膜污染试验和污染物去除效果分析.结果表明:亲水性SA-PVDF及SA-SA之间的作用力皆大于疏水性HA-PVDF及HA-HA间的作用力,且SA污染膜的通量衰减速率与衰减幅度明显大于HA污染膜,说明了亲水性有机物是引起PVDF超滤膜污染的优势污染物.HA/SA混合污染物试验表明,膜污染行为与混合污染物中优势污染物的含量密切相关;与单种污染物的膜污染行为相比,混合污染物间不存在明显的协同作用促进膜污染.此外,污染物的去除率与相应微观作用力大小及膜污染速率成正相关关系.     

Fatty acid fouling of forward osmosis membrane: Effects of pH, calcium, membrane orientation, initial permeate flux and foulant composition

Octanoic acid (OA) was selected to represent fatty acids in effluent organic matter (EOM). The effects of feed solution (FS) properties, membrane orientation and initial permeate flux on OA fouling in forward osmosis (FO) were investigated. The undissociated OA formed a cake layer quickly and caused the water flux to decline significantly in the initial 0.5 hr at unadjusted pH 3.56; while the fully dissociated OA behaved as an anionic surfactant and promoted the water permeation at an elevated pH of 9.00. Moreover, except at the initial stage, the sudden decline of water flux (meaning the occurrence of severe membrane fouling) occurred in two conditions: 1. 0.5 mmol/L Ca^2 +, active layer facing draw solution (AL-DS) and 1.5 mol/L NaCl (DS); 2. No Ca^2 +, active layer-facing FS (AL-FS) and 4 mol/L NaCl (DS). This demonstrated that cake layer compaction or pore blocking occurred only when enough foulants were absorbed into the membrane surface, and the water permeation was high enough to compact the deposit inside the porous substrate. Furthermore, bovine serum albumin (BSA) was selected as a co-foulant. The water flux of both co-foulants was between the fluxes obtained separately for the two foulants at pH 3.56, and larger than the two values at pH 9.00. This manifested that, at pH 3.56, BSA alleviated the effect of the cake layer caused by OA, and OA enhanced BSA fouling simultaneously; while at pH 9.00, the mutual effects of OA and BSA eased the membrane fouling.     

煤化工废水反渗透处理系统的运行效果及膜污染分析

针对煤化工废水反渗透（RO）膜处理系统夏季严重污堵的问题,本研究以实际某煤化工污水处理厂一级两段式RO系统为考察对象,分析了系统运行效能及膜污染特征.研究发现,生化段稳定地实现了有机物的削减,离子交换树脂进一步保障了产水的脱盐率,促进实现高水回收率,是煤化工废水零排放的重要保障.但对膜系统而言,脱盐及有机物去除的主要负荷集中在RO过程,一段/二段RO脱盐率分别为94.16%和96.16%,COD去除率分别为68.12%和87.4%;相对进水,一段RO有机物浓缩了9倍,二段RO盐浓缩了5倍.因此,两段膜过程都出现显著的膜污染,一段RO以有机-微生物-硅污染为主,形成致密的污染层,由进口到出口逐渐增厚,主要为蛋白质、多糖、腐殖酸;二段RO以Ca、Mg等的无机结垢为主,污染层结构相对松散,由进口到出口片状结晶逐渐增大.因此,预处理工艺的稳定运行及对污染物的去除以减轻RO过程的污染负荷是膜污染控制的关键;同时,针对RO系统中膜污染分布特征,制定杀菌、阻垢和化学清洗等膜污染控制策略以防止形成微生物抗性及"清洗剂抗性"具有重要意义.     

染整废水深度处理纳滤工艺膜污染成因分析

为调查棉针织染整废水纳滤脱盐系统膜污染的类型和成因,使用电感耦合等离子发射光谱仪、扫描电子显微镜-EDX能谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪、高倍光学显微镜和X射线荧光光谱仪,从膜进水水质、膜过程污染状况和膜清洗效果等三方面进行了联合互补检测和综合分析.结果表明,棉针织染整废水脱盐过程中纳滤膜的污染类型包括无机污染、有机污染和微生物污染;干燥(105℃)的污染物成分组成中结合水所占质量分数约8.2%,有机成分所占质量分数约41.0%,无机成分所占质量分数约50.8%;在无机污染物中铁盐污染较为突出,有机污染物所包含的主要官能团为—OH、—CH和—CC,微生物污染物中包含原生动物和后生动物;短期膜污染和长期膜污染分析结果表明有机污染和微生物污染的形成需要长时间的累积效应;纳滤膜清洗试验结果表明,有机污染和微生物污染是引起膜通量下降的主要原因,两者对膜通量影响的贡献率约53.3%.     

正渗透处理生活污水过程中的膜污染研究

采用海水为驱动液,研究了正渗透处理生活污水过程中的通量变化和膜污染行为.结果表明,采用分离层朝向原料液(AL-FS)的膜过滤方向可以降低膜污染程度,并获得稳定的通量.长时间(144h)的运行下膜两侧均出现不同程度的污染.膜污染分析显示支撑层的污染程度较低.但海水中的硅酸盐可能在其表面形成沉积物.相比之下,分离层形成了厚的污染层,主要是由污水中的物质如有机物、微生物、胶体类、盐类等沉积在膜表面造成,是通量降低的主要原因.正渗透膜对营养物质具有高的截留率,运行结束后海水的总有机碳、氨氮和总磷含量为2.49,2.40,0.05mg/L.说明正渗透采用海水为驱动液处理生活污水具有一定的应用前景.     

厌氧膜生物反应器处理含盐废水运行效能及膜污染特性

采用厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,An MBR)处理模拟含盐有机废水,研究盐度变化对反应器运行效能及膜污染特性的影响.结果表明,当进水盐度逐渐增加但低于9. 1 g·L~(-1)时,反应器运行稳定,出水效果良好;当盐度增加至10 g·L~(-1),反应器COD去除率、产气量及甲烷含量都明显下降;污泥浓度、污泥体积指数(SVI)、溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)均随盐度增加而先升后降,污泥絮体紧密,沉降性良好.中空纤维膜组件在118 d内运行了3个周期,随着盐度增加膜运行周期由31 d延长为48 d,膜污染有所减缓.用SEM-EDX分析发现膜面污染物中有类似结晶状物质,Na、Mg、Al、Si、Cl、K、Ca和Fe为主要无机元素.三维荧光光谱(EEM)分析表明,蛋白质与腐殖酸是膜面有机污染物的主要成分.     

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.     

Advanced treatment of municipal wastewater by nanofiltration: Operational optimization and membrane fouling analysis

Municipal sewage from an oxidation ditch was treated for reuse by nanofiltration (NF) in this study. The NF performance was optimized, and its fouling characteristics after different operational durations (i.e., 48 and 169 hr) were analyzed to investigate the applicability of nanofiltration for water reuse. The optimum performance was achieved when transmembrane pressure = 12 bar, pH = 4 and flow rate = 8 L/min using a GE membrane. The permeate water quality could satisfy the requirements of water reclamation for different uses and local standards for water reuse in Beijing. Flux decline in the fouling experiments could be divided into a rapid flux decline and a quasi-steady state. The boundary flux theory was used to predict the evolution of permeate flux. The expected operational duration based on the 169-hr experiment was 392.6 hr which is 175% longer than that of the 48-hr one. High molecular weight (MW) protein-like substances were suggested to be the dominant foulants after an extended period based on the MW distribution and the fluorescence characteristics. The analyses of infrared spectra and extracellular polymeric substances revealed that the roles of both humic- and polysaccharide-like substances were diminished, while that of protein-like substances were strengthened in the contribution of membrane fouling with time prolonged. Inorganic salts were found to have marginally influence on membrane fouling. Additionally, alkali washing was more efficient at removing organic foulants in the long term, and a combination of water flushing and alkali washing was appropriate for NF fouling control in municipal sewage treatment.     

基于污染物临界粘附力的超滤动态过程的CFD模拟

针对膜污染的动态变化问题,通过计算流体力学(CFD)手段建立了中空纤维膜的二维轴对称模型,综合考虑了污染物间粘附力及水流剪切力的影响,提出有效剪切应力的概念,在模型中耦合了变形几何、自由多孔介质流动及稀物质传递3种物理场,将污染物法向积累、切向有效剪切与污染物界面处的网格速度相关联,建立了膜面污染物截留的动态模型.依据死端过滤与错流过滤的实验数据,确定出模型的匹配参数.在此基础上,研究了不同进给方式(连续流与脉冲流)对膜面污染物的影响.模拟结果表明,当水流剪切力足以克服污染物的临界粘附力时,可对膜面污染物起冲刷作用;与连续流相比,脉冲流具有更高的有效剪切速率,在对膜面污染物的冲刷作用方面更具优势.     

采用膜污染指数评估天然有机物在低压超滤膜中的污染行为

针对超滤膜的过滤特性,采用膜污染指数（FI）来研究天然有机物（NOM）的膜污染行为.实验中,腐殖酸（HA）、牛血清蛋白（BSA）以及海藻酸钠（NaAlg）被用作模型有机物进行超滤膜污染研究.结果表明,NOM-膜滤先后经过快反应和慢反应污染阶段,其中快反应膜污染指数（TFIF）远大于慢反应膜污染指数（TFIS）.说明短时间内NOM容易在低压膜上积累,造成通量迅速下降,引起较为严重的污染.因此,反应最初阶段,低压膜与有机物的作用决定了整个膜污染的趋势.经过水力清洗,通量有一定恢复,膜阻力降低,能够去除部分污染物,但仍有少量有机物附着在膜丝,从而造成不可逆污染.3种有机物造成的不可逆污染比例依次为BSA〉HA〉NaAlg,而通过化学清洗后,其不可逆污染比例依次为：NaAlg〉BSA〉HA,腐殖酸和蛋白容易造成不可逆污染,但碱洗易于除去,多糖造成的不可逆污染相对较轻,但碱洗难以去除.污染物与膜之间的相互作用可能是造成污染的主要原因.总的说来,FI计算方法简单,能够综合描述膜污染情况,具有一定的应用价值.     

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.     

正渗透去除地表水中DOM的效能研究

采用经砂滤处理后的滆湖水作为原料液,氯化钠溶液作为汲取液,在不同影响因素条件下进行正渗透试验,并对试验后的膜片进行清洗,探究膜污染的可逆性.结果表明:提高汲取液浓度、运行温度及膜面流速均可有效增加膜通量;正渗透对滆湖水体中的溶解性微生物代谢产物、类色氨酸、类富里酸和腐殖酸四种主要DOM成分均有较好的去除效果,DOC、UV₂₅₄截留率均在96%以上;短期运行通过水力清洗几乎可以完全恢复膜通量,而长期运行通过超声清洗可以基本恢复全部膜通量,通过分析膜清洗液可知造成膜污染的主要物质为类色氨酸类和类富里酸类物质.     

剩余污泥胞外聚合物回收:藻酸钠正渗透分离的影响因素

剩余污泥中胞外聚合物（EPS）具有巨大的回收价值。然而,回收的EPS溶液含水率接近100%,其浓缩脱水是亟待解决的关键问题。正渗透（FO）膜分离具有膜污染小、浓缩率高、耐高浓度等特点,已成为新兴的节能脱水技术。提出了一种新型的死端FO浓缩方式,调查了模拟EPS（藻酸钠）的正渗透脱水行为。结果显示:FO膜活性层朝向料液侧时水通量下降速率小;类似于外加压力驱动,扫流模式可以减轻FO膜污染,提高水通量;为防止FO膜的拉伸变形,隔板需进行合理设计（如适宜的开孔率）,以缓解水通量的下降;不同于外加压力驱动,尽管Ca2+也可减轻膜污染,但效果有限。     

超滤膜材料对SiO2-有机物膜污染行为的影响

选用聚偏氟乙烯（PVDF）及乙烯乙烯醇共聚物（EVOH）2种超滤膜，针对SiO₂-牛血清蛋白（BSA）及SiO₂-腐殖酸（HA）2种无机-有机混合污染物，通过单种及混合污染物过滤实验，结合各污染物与膜之间作用力的测定，考察膜材料对SiO₂-有机混合污染物膜污染行为的影响机制.结果表明：与单种有机污染物HA或BSA相比，SiO₂-HA/BSA混合污染物对PVDF及EVOH超滤膜的污染会出现加剧和减缓2种相反的现象.结合作用力结果发现：当膜-SiO₂之间的作用力大于膜-有机污染物之间作用力时，与单种有机污染物相比，SiO₂的存在会加剧膜污染；相反，当膜-SiO₂之间作用力小于膜-有机污染物之间作用力时，SiO₂的存在会有效减缓膜污染.上述结果说明膜材料是控制无机-有机混合污染物膜污染行为的关键因素.     

波纹微通道湍流促进器减缓SFMBR的膜污染效果分析

主要通过浸没式平板膜生物反应器的膜污染阻力分布和膜表面的污染特性来分析波纹微通道湍流促进器减缓浸没式平板膜生物反应器的膜污染效果.结果表明,波纹微通道湍流促进器有效地降低了总阻力Rt,降低率达到68.01%,其中的Rrf、Rc和Rp+Ra分别降低54.20%、87.98%和84.00%;滤饼层厚度、有机和无机污染成分都减少,且污染层更易去除.综合膜污染阻力分布和膜表面污染物表征结果从扰流作用强化机理、逆扩散机理、絮凝机理和微孔强化过滤机理四个方面分析了波纹微通道湍流促进器减缓浸没式平板膜生物反应器膜污染的效果.     

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%.     

纳滤膜过滤MBR出水的污染原因与清洗方法

为研究膜-生物反应器(MBR)出水对纳滤膜的污染原因及清洗方法,使用场发射扫描电镜、傅立叶变换红外光谱仪、原子力显微镜和接触角仪对经MBR出水污染的纳滤膜表面污染层进行了检测,结果表明,纳滤膜表面污染物包括有机物和无机物,所含元素包括磷、镁等,对经过不同清洗步骤的膜表面进行的检测表明,柠檬酸清洗可以去除镁和大部分磷,这些物质主要以无机形态存在于膜面污染物中;后续NaOH清洗可以进一步去除磷,这部分磷主要来自有机酸、有机磷或蛋白质等膜面污染物.污染使膜表面粗糙度由79.5 nm增大至111.2 nm,但接触角由55.6°变为62.1°,表明亲水性变化不大;酸洗后表面粗糙度显著减小至51.9 nm,接触角变为96.0°,表明有机污染物暴露出来,膜面呈现疏水性;再经碱洗后,膜面粗糙度与亲水性均接近于新膜.这些结果说明,先酸洗后碱洗的方法可以去除绝大部分的膜面污染物,进一步推知膜污染初期主要为有机污染,之后无机物的作用使污染进一步加重.     

pH值对有机物(BSA)膜污染的影响

选用BSA(牛血清蛋白)代表有机污染物,使用QCM-D技术考察了BSA在PVDF膜面的吸附行为及吸附层结构随pH值的变化特征,并采用原子力显微镜定量测定了相应pH值条件下PVDF-BSA及BSA-BSA之间作用力,结合膜污染试验,解析pH值对有机物污染膜行为的影响机理.结果发现,在BSA的等电点,PVDF-BSA及BSA-BSA之间的静电排斥力最小,导致BSA迅速吸附累积于膜面,形成密实的BSA污染层,引起超滤膜通量大幅度衰减.当pH值偏离BSA等电点后,BSA间静电排斥力的增强有效削弱了BSA在膜面的吸附量,相应BSA污染层松散度增大,膜污染减弱.在实际的水处理中,通过适当的pH值调节,针对性将超滤膜及污染物调整至带有相同电性、并增大二者所带净电荷量,是减缓超滤膜污染的有效手段.     

膜表面污染中凝胶层形成机理及控制的研究

膜污染问题是影响膜生物反应器发展的一项关键技术。文章对膜污染中凝胶层的产生机理进行了研究与分析，认为凝胶层形成首先是由有机物在膜表面的吸附开始．在膜面浓差极化、生物污染及膜孔堵塞影响的共同作用下，使凝胶层迅速增厚，从而导致膜的严重污染；文章还对膜污染的控制进行了研究分析。     

不同因素对平板膜污泥浓缩工艺膜污染演变的影响研究

以临界通量表征膜污染趋势,利用响应面模型考察污泥浓度、膜间距和曝气量对上下层膜组件的膜污染影响,发现响应面模型具有较好的显著性和拟合性,且污泥浓度、膜间距和曝气量均对上下层膜组件膜污染有显著影响。同时发现,随着污泥浓度的增加上下层膜组件临界通量大幅下降;而在不同污泥浓度下,曝气量和膜间距的变化对上下层膜组件膜污染的变化有不同的影响。利用模型模拟获得了不同污泥浓度下的最优化参数,在四段式平板膜污泥浓缩中试运行中获得了较好的效果。