膜-生物反应器中荧光物质对膜污染的影响

采用三维荧光(EEM)技术对膜-生物反应器(MBR)运行过程中进出水、膜面溶解性污染物、溶解性微生物(SMP)和胞外聚合物(EPS)进行分析,并对各运行条件下荧光强度与膜污染速率进行比较.结果表明:各工况膜污染顺序为工况1(0.55 kPa/d)<工况3(1.37 kPa/d)<工况2(1.71 kPa/d)<工况4(3.69 kPa/d),SMP中的类蛋白质和类富里酸,以及EPS中的类蛋白质和类腐殖酸,均与各工况膜污染速率呈一致的变化趋势,而膜面溶解性污染物中的类蛋白质荧光峰则与膜污染速率没有明显的关系,说明在膜表面积累的荧光物质可能与其他有机物共同作用影响了膜污染速率.      

膜-生物反应器中溶解性有机物的三维荧光分析

采用三维荧光技术研究了膜-生物反应器(MBR)处理生活污水过程及膜污染物中溶解性有机物(DOM)的变化,并与传统的厌氧/缺氧/好氧(AAO)活性污泥工艺进行了对比.结果表明,生活污水DOM中主要的荧光物质有类蛋白质(荧光峰A和B)及类腐殖质(荧光峰C),经MBR处理后,荧光峰的强度降低了16%~35%,同时类蛋白质的结构也发生了变化.与好氧段滤液相比,溶解性膜污染物中类腐殖质含量较低,主要的荧光物质为分子量较小、共轭性较弱的类蛋白质.AAO工艺中厌氧段加强了对荧光峰A和C的去除,处理过程中类蛋白质结构的变化与MBR工艺有显著不同.     

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.     

基于PARAFAC分析的二级出水DOM臭氧化特性研究

基于三维荧光平行因子分析(PARAFAC analysis),对污水处理厂二级出水溶解性有机物(DOM)在不同臭氧投加量下的反应特性进行了研究,PARAFAC分析确定了污水厂二级出水中共有3个荧光组分,其中组分1为蛋白质类物质,组分2和3为腐殖质类物质.当臭氧为0.98mgO3/mgTOC时,3个组分中的荧光基团均可以和臭氧发生比较彻底的反应.线性回归分析表明,臭氧与组分1和组分2中荧光基团的反应可以很好地解释臭氧化对色度、UV254、UV280的去除.HPLC-SEC的结果进一步验证了PARAFAC的分析结果.同时,对于蛋白类物质组分1而言,臭氧主要和其中小分子物质的荧光基团发生反应,与其大分子物质几乎不发生反应.     

牛粪发酵沼液DOM与Fe (III)离子络合机制研究

采用荧光光谱、红外光谱、平行因子（PARAFAC）分析及二维相关光谱（2D-COS）分析来解释Fe （III）与牛粪发酵DOM的络合异质性及机制.结果表明,PAFAFAC能够识别6个荧光组分,包括类蛋白（C2）、类富里酸（C1）、类腐殖酸（C4、C5）、类蛋白与类富里酸和类腐殖酸结合的荧光组分（C3、C6）.2D-SYS-COS分析仅能识别类蛋白和类富里酸荧光物质,DOM中类蛋白荧光为主要的荧光组分.2D-COS分析表明,在334nm处的类富里酸荧光组分优先与Fe （III）离子发生络合作用,络合次序为334nm→306nm.DOM中能够优先与Fe （III）发生络合作用的为仲铵盐-NH₂基团,各官能团组分与Fe （III）发生络合作用次序为2265→2771→1528→1310→1805→1479cm^-1.双对数模型计算结果表明牛粪发酵沼液DOM能够与Fe （III）形成高化学稳定性的络合物,其络合常数在4.34~7.03之间,研究结果能够为沼液施用土壤金属离子的形态分布和迁移转化提供理论指导.     

预处理对短流程超滤工艺不可逆膜污染影响的中试试验

以东江水为处理对象,进行直接超滤、微絮凝-超滤和絮凝/活性炭-超滤中试研究,探讨预处理对短流程超滤工艺不可逆膜污染的影响.利用扫描电镜形貌观察、三维荧光光谱(EEM)和高效排阻色谱法等手段对不可逆膜污染物进行表征分析,比较预处理对不可逆膜污染物含量和组分的影响,阐述预处理对不可逆膜污染影响的机制.结果表明,在10 L·(m~2·h)~(-1)低通量运行下,微絮凝预处理使不可逆膜污染增长速率从直接超滤的0.32 k Pa·d~(-1)下降到0.16 k Pa·d~(-1),絮凝/活性炭预处理后超滤工艺几乎零污染运行,且当絮凝/活性炭-超滤运行通量增加至17 L·(m~2·h)~(-1)时,仍没有观察到明显的不可逆膜污染增长.东江水中不可逆膜污染的主要组分是蛋白质类和富里酸等腐殖质类物质.微絮凝通过改变膜表面滤饼层的结构(厚度和密实性),提高物理清洗效率,减轻不可逆膜污染的积累;絮凝/活性炭预处理提高对不可逆膜污染物的去除效果,减轻膜污染负荷,控制不可逆膜污染.因此,采用絮凝和絮凝/活性炭预处理工艺,均可有效降低短流程超滤工艺不可逆膜污染积累.     

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.     

思林水库荧光溶解性有机质的特征、来源及其转化动力学

利用三维荧光光谱(EEM)结合平行因子分析(PARAFAC),研究了思林水库冬季(1月)、春季(4月)、夏季(6月)和秋季(10月)上游入库水体、库区表层水(0 m)、库区深层水(20 m)、出库水体的荧光溶解性有机质(FDOM)不同组分的特征、来源及其转化动力学.结果表明,思林水库的溶解性有机质由3种荧光组分组成,分别是:陆源类腐殖质(C类,C1)、浮游植物源的微生物类腐殖质(M类,C2)和浮游植物源的类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸(C3).其中陆源类腐殖质的荧光强度随着入库水、库区表层水、库区深层水和出库水逐渐减少,这表明由于光化学作用、微生物作用、大坝拦截效应等环境因素的影响,类腐殖质随着水体由入库向出库的流动而逐渐降解.相反,微生物类腐殖质(M类)的荧光强度结果表明,在入库-出库过程中,微生物类腐殖质处于产生及部分或完全降解的波动中,这表明微生物类腐殖质是浮游植物的原生产物,并且对于光化学作用、微生物作用和大坝拦截效应有很强的不稳定性.类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸主要新产生于夏季和秋季的表层水体中,在冬季和春季表层和深层水体中也有产生;并在出库过程中逐渐减少.这表明类蛋白或类色氨酸或类酪氨酸是浮游植物的原生产物;并且它们受到光化学作用、微生物作用和大坝拦截效应的共同影响,在表层和深层水中生成和降解.因此,这些结果意味着通过平行因子分析确定的荧光溶解性有机质组分的方法,对于更好地理解溶解性有机质在水库水体的转化动力学机制至关重要.     

平寨水库荧光溶解性有机质的来源、特征及其动态转化

利用三维激发发射矩阵光谱(3-D EEM)和平行因子分析,研究了三岔河流域平寨水库溶解有机质的来源、组成和转化情况。在平寨水库的入库水、表层水(0～5 m)、深层水(10～60 m)和出库水中,检测到了几种荧光溶解有机质组分,分别为陆源类腐殖质、自源类腐殖质和浮游植物源的类蛋白质(或类色氨酸或类酪氨酸)。陆源类腐殖质的荧光强度在入库水中略高于出库水,表明陆源类腐殖质在水库系统中相对稳定,大坝截流对其影响不大。自源类腐殖质的荧光强度在库区明显高于入库水和出库水,表明自源类腐殖质既由自源有机物分解产生,又在光化学、微生物和大坝物理拦截过程的影响下发生分解;其他荧光组分中也检测到相似的结果。水温、pH、溶解氧和有色溶解有机质表现出相似的季节变化,光化学和微生物以及大坝拦截是引起水库入库水、库区表层水、库区深层水和出库水中荧光溶解有机质时空动态变化的主要原因。     

基于2D-COS分析的难凝聚有机物臭氧化特性研究

基于二维相关光谱分析,对污水厂二级出水难凝聚有机物的臭氧化特性进行了研究.结果表明,混凝很难去除污水厂二级出水中的溶解性有机物,污水厂二级出水溶解性有机物大部分属于难凝聚有机物,以腐殖酸类物质为主.臭氧氧化可以降低二级出水混凝后上清液的色度及UV₂₅₄,去除率分别可达到70%和40%以上,但是对难凝聚有机物的去除率较低,去除率在10%以下,只是与难凝聚有机物进行了反应,改变其性质.同时,臭氧可以降低二级出水中难凝聚有机物的荧光强度,其中腐殖酸类物质的荧光强度降低较为明显.基于不同臭氧投加量下难凝聚有机物的同步荧光分析,可以得到二级出水难凝聚有机物的二维相关光谱,结果表明,腐殖酸类物质对臭氧氧化最为敏感,腐殖酸类物质与富里酸类物质相比会优先和臭氧反应.     

污水处理厂污泥水溶解性有机物的光谱特性分析

污泥水是污水处理厂污泥浓缩、稳定、脱水等环节产生的废水,具有污染物浓度高、成分复杂的特点.采用三维荧光光谱和红外光谱研究了污泥水中溶解性有机物(DOM)的光谱特性.污泥水荧光性DOM(FDOM)可利用平行因子分析划分为6个荧光组分,分别为类蛋白质组分C1(275/355 nm)、C4(235/350 nm)和C6(275/305 nm),及类腐殖酸组分C2(250,340/440nm)、C3(320/380 nm)和C5(250/465 nm).重力浓缩和机械浓缩污泥水中COD与所有类腐殖酸组分均正显著相关(P0.01),类蛋白质组分对其影响不大.离心脱水污泥水中组分C1、C4和C5含量明显上升.深度脱水污泥水中FDOM荧光峰位置和强度与其它污泥水存在显著差异,C3和C6分别较离心脱水污泥水升高15.63和7.30倍.与浓缩污泥水相比,离心脱水污泥水中多糖和腐殖酸吸收峰增强,而深度脱水污泥水中蛋白质大量释放,金属离子会与腐殖酸和蛋白质络合引起DOM结构变化.     

河北洨河溶解性有机物光谱学特性

基于荧光光谱、紫外吸收光谱与水质基本化学指标,联合主成分分析与相关性分析,对典型城市纳污河流——河北洨河的溶解性有机物(DOM)进行光谱学特性研究.结果表明,河流水体中DOM主要有类蛋白和类腐殖质两类,其中含氮化合物及DOM与水体COD之间相关性较高,尤其以氨氮对类腐殖质贡献较大.因此降低洨河水体中COD可通过减少氨氮与DOM来实现,同时此两类指标也应作为日后水体监控指标.干流水体样品中DOM下游相对上游类蛋白逐渐减少,而类腐殖质则呈现增加的趋势,并以类胡敏酸为主要存在形式.代表支流4种样品中,S1、S2水体DOM主要以类胡敏酸为重要成分,其组成有机物多为大分子量、芳香性高的有机物质,而S3、S6水体中主要为相对易降解的类蛋白,其相对分子质量相对较小、芳香性程度较低.针对代表支流的4个污水处理单位出水水体中的DOM特征,建议S1与S2应添加或改进对大分子物质有较好去除效果的膜处理设备,以加强对水体中相对难降解类腐殖质物质的去除;S3与S6应优化相关厌氧与好氧生物处理工艺,从而提高易降解的类蛋白物质的去除能力.     

太湖颗粒态有机质的荧光特征及环境指示意义

作为水体中有机质分解与营养盐再生的核心载体之一,颗粒态有机质(POM)是一个潜在的可以被生物利用的重要营养源,势必对水华的暴发产生重要的影响.本研究采集了太湖8个典型区域32个样品,利用三维荧光技术(EEMs)并结合平行因子分析法(PARAFAC)解析夏季太湖水体POM的荧光特征、来源及环境指示意义,并对POM与DOM荧光特征的差异性及草、藻型湖区POM的差异性进行了分析.结果表明,太湖POM共有5种荧光组分,分别是类色氨酸(C1和C2)、类腐殖质(C3和C4)及类酪氨酸(C5);其中,C1与C2、C3与C4两两具有极显著相关关系,C5与C3、C4也具有极好的相关性;通过与已有文献中的DOM荧光特征进行比对发现,夏季太湖POM与DOM在组分构成、来源及其与水质参数的相关性上均存在差异性.夏季太湖POM既有外源输入,也有内源输入,但其荧光指数(FI、HIX、BIX)取值范围为1.78~2.35、0.3~2.7、0.8~1.1,表明内源特性相对强烈.类腐殖质荧光与TN、TP、Chla、COD、POC、SS均呈显著相关性,表明荧光分析法可以作为营养盐半定量分析的一个重要手段.藻型湖区POM类蛋白物质主要由类色氨酸和类酪氨酸构成,而草型湖区以类酪氨酸为主,没有或者有极少的类色氨酸荧光组分;值得注意的是,与藻型湖区相比,草型湖区含有较多的类酪氨酸荧光组分(t检验,P0.01).藻型湖区POM类蛋白和类腐殖质荧光之间具有显著相关性,而草型湖区两者相关性不显著;藻型湖区POM类蛋白和类腐殖质荧光均与Chla呈显著相关性,而草型湖区仅类腐殖质荧光与Chla具有显著相关关系.     

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.     

Membrane fouling in ultrafiltration of natural water after pretreatment to different extents

The combined fouling during ultrafiltration(UF) of surface water pretreated to different extents was investigated to disclose the roles of polysaccharides, proteins, and inorganic particles in UF membrane fouling. Both reversible and irreversible fouling decreased with enhanced pretreatment(biologically active carbon(BAC) treatment and sand filtration). The sand filter effluent fouled the membrane very slowly. The UF membrane removed turbidity to less than 0.1 nephelometric turbidity unit(NTU), reduced polysaccharides by 25.4%–29.9%, but rejected few proteins. Both polysaccharides and inorganic particles were detected on the fouled membranes, but inorganic particles could be effectively removed by backwashing. The increase of turbidity in the sand filter effluent to 3.05 NTU did not significantly increase the fouling rate, but an increase in the turbidity in the BAC effluent to6.11 NTU increased the fouling rate by more than 100%. The results demonstrated that the polysaccharide, not the protein, constituents of biopolymers were responsible for membrane fouling. Membrane fouling was closely associated with a small fraction of polysaccharides in the feed water. Inorganic particles exacerbated membrane fouling only when the concentration of fouling–inducing polysaccharides in the feed water was relatively high. The combined fouling was largely reversible, and polysaccharides were the predominant substances responsible for irreversible fouling.     

Degradation of dissolved organic matter in effluent of municipal wastewater plant by a combined tidal and subsurface flow constructed wetland

Dissolved organic matter (DOM) is an important constituent of wastewater treatment plant (WWTP) effluent. A novel combined tidal and subsurface flow constructed wetland (TF-SSF-CW) of 90 L was constructed for a ten-month trial of advanced treatment of the WWTP effluent. Excitation emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy, parallel factor (PARAFAC) analysis and a two end-member mixing model were employed to characterize the composition and removal process of the effluent DOM (EfOM) from the WWTP. The results showed that the TF-SSF-CW performed an efficient EfOM removal with dissolved organic carbon (DOC) removal rate of 88% and dissolved organic nitrogen (DON) removal rate of 91%. Further analysis demonstrated that the EfOM consisted mainly of two protein moieties and two humic-like groups; protein moieties (76%) constituted the main content of EfOM in raw water and humic-like groups (57%) became the dominating contributor after treatment. The EfOM from the WWTP was mainly of aquatic bacterial origin and evolved to a higher proportion of terrigenous origin with higher humification in the TF-SSF-CW effluent. A common controlling treatment-related factor for determining the concentrations of the same kind of substances (protein groups or humic-like groups) was revealed to exist, and the ratio of removal rates between the same substances in treatment was calculated. Our study demonstrates that the TF-SSF-CW can be a novel and effective treatment method for the EfOM from WWTPs, and is helpful for understanding of the character of EfOM in wetland treatment.     

小球藻来源溶解有机质的光化学降解特性

利用三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)手段结合吸收光谱分析,研究了小球藻指数期和稳定期培养液中溶解有机物(DOM)在秋季天然太阳辐射作用下的光降解动力学特征.结果表明,小球藻生长过程中除能产生短波激发类腐殖质组分C1(其荧光峰的激发/发射波长位置为240,335 nm /406 nm)及类蛋白质组分C3(225,275 nm/334 nm)外,还会形成长波激发类腐殖质组分C2(260,395 nm /502 nm),表明C2组分并非仅有传统认为的陆源属性,同时也具有自生源属性.稳定期培养液的吸收光谱在250~300 nm范围内出现的肩峰,可用于指示水环境中现场自生源的贡献.不同生长时期培养液中DOM的吸收系数和荧光组分的降解动力学都符合一级反应方程.稳定期类腐殖质荧光组分(C1和C2)的光降解程度略高于指数期,但指数期类色氨酸组分(C3)的光降解程度略高于稳定期.经太阳辐照6 d后,小球藻培养液的吸收系数a₃₅₀及各荧光组分的平均损失率分别达到83.0%、84.0%、64.8%和80.0%,对应的半衰期只有1.6~5.0 d,揭示出藻类自生来源的DOM具有很强的光化学降解活性.     

厌氧微网反应器处理生活污水膜污染物研究

采用涤纶网加工的微网膜组件与厌氧反应器结合构成厌氧微网生物反应器用于处理城市生活污水。在不同反应器形式和水力停留时间条件下反应器稳定运行了144 d。研究结果表明完全搅拌反应器在膜通量12 L/(m2.h)条件下跨膜压差变化较小,整体出水水质高于无搅拌式反应器。通过膜面SS含量测定、粒径和三维荧光光谱分析等方法对膜面污染物进行了系统分析。无搅拌式AnFBR随着停留时间的延长,膜面污染物的SS减少,粒径减小;完全搅拌式AnFBR膜面污染物的SS最少,粒径最小。三位荧光分析表明SMP主要有2个类蛋白质荧光峰A和B,中心位置(Ex/Em)分别位于230~235/335~350 nm及280~290/330~355 nm,EPS样品中除了峰A和峰B外还有2个峰,峰C位置(Ex/Em)在340~350/435~445 nm,与类富里酸物质有关,峰D位于420~440/465~515 nm,与类腐殖酸物质有关。     

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.     

黄河兰州段水体中有色溶解性有机质组成、空间分布特征及来源分析

利用紫外-可见吸收光谱、激发发射矩阵荧光光谱(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC),分析黄河兰州段水体有色溶解有机质(CDOM)的组成、空间分布以及来源.结果表明,黄河兰州段水体CDOM可能是由芳香性结构的小分子组成,解析出的4个组分中,类蛋白质(1个组分)含量最多,占总荧光强度的51.06%,类腐殖质(2个组分)次之,占36.74%,非类腐殖质(1个组分)最少,占12.20%,类蛋白质组分和类腐殖质组分来源不同.CDOM属于"类蛋白质-类腐殖质"复合主导型,以生物来源的类蛋白质为主.从上游到下游河段,CDOM的空间分布格局大体有一个先降低再升高再降低的过程,其趋势主要受到类蛋白质含量变化的影响.类蛋白质的含量受到了居民/商业污水排放、河岸及水上餐饮、娱乐设施、船舶运输以及少量工业企业废水排放等各种高强度人为活动干扰.黄河流经兰州市受到了一定的内源污染,建议对黄河兰州段水体进行内源污染的控制.