MWCNTs预涂覆及预吸附处理缓解低压膜腐殖酸污染的机制研究

以腐殖酸(Humic Acid,HA)为研究对象,采用多壁碳纳米管(Multiwalled Carbon Nanotubes,MWCNTs)对聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)平板超滤膜进行预涂覆改性处理,并与等量MWCNTs分散状态时吸附处理HA对膜污染的缓解效果进行了对比,考察了MWCNTs在处理HA过程中缓解膜污染的机制.同时,分析了MWCNTs投量和溶液离子变化对MWCNTs吸附及截留作用缓解膜污染的影响.结果表明,MWCNTs预涂覆与吸附相比,能够更有效地缓解膜污染,其中,分散剂为乙醇的MWCNTs预涂覆层对膜污染的缓解效果最好.增加MWCNTs投量不能无限地提高其对HA的吸附及截留效果;添加Na~+会造成MWCNTs对HA的吸附及截留效果变差;添加Ca~(2+)能够提高MWCNTs对HA的吸附及截留效果.膜表面污染照片及膜电镜观测结果表明,乙醇分散MWCNTs在超滤膜(UF)表面形成的预涂覆层呈均匀的层状结构,HA被拦截在MWCNTs层的多孔结构内,不易进入PVDF膜膜孔,反洗时易脱附,可逆性高;纯水分散MWCNTs在超滤膜表面形成的预涂覆层易于团聚,HA容易透过MWCNTs涂覆层进而堵塞PVDF膜膜孔,可逆性低;MWCNTs预吸附处理后形成MWCNTs和HA的包裹体,不经微滤膜滤除,会在PVDF膜表面产生复合污染.     

碳纳米管预涂覆低压膜去除水中腐殖酸的机理研究

以腐殖酸（Humic Acid,HA）为研究对象,通过压力辅助过滤技术将碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）预涂覆在聚醚砜（Polyethersulfone,PES）平板膜表面,制备了CNTs预涂覆低压膜,分别考察了该膜在恒压和恒流实验中对HA的去除情况及其对膜污染的缓解作用.研究表明,CNTs预涂覆膜可以有效缓解基膜的污染,保证CNTs的分散性,增加PES膜表面预涂覆CNTs的投加量,有助于缓解膜污染的发生;采用径向尺寸小的CNTs制备出的预涂覆低压膜,其抗污染能力更佳.研究进一步采用恒流膜滤装置对膜滤过程的3个阶段（新膜过滤阶段、膜污染加速阶段、堵塞膜截留阶段）进行了模拟,考察了CNTs预涂覆低压膜对HA的去除机理.结果表明,新膜过滤阶段,CNTs预涂覆低压膜运行初期,CNTs的吸附性能对HA的去除起主导作用,HA去除率随过滤时间的增加而不断减小,吸附阶段CNTs预涂覆膜的跨膜压差（Transmembrane Pressure,TMP）始终保持在较低水平（不高于15 kPa）,降低CNTs的径向尺寸和提高CNTs投加量,均有助于吸附去除HA;膜污染加速阶段,随着CNTs预涂覆膜进入膜污染加速阶段,HA的去除率由吸附阶段的不断降低开始出现上升拐点,TMP由于CNTs预涂覆膜的加快堵塞而不断升高;堵塞膜截留阶段,CNTs预涂覆低压膜在一定程度堵塞后,表现出截留去除HA的效能,且TMP仍保持在低压膜运行范围内,降低CNTs的径向尺寸,制备的预涂覆膜孔径小且分布均匀,有助于其提高截留去除HA的效能.整个恒流实验过程中,未负载CNTs的基膜对HA仅有微弱的吸附作用,且由于其较大的孔径,对HA的截留作用十分有限.本文通过对CNTs预涂覆低压膜吸附阶段和截留阶段的划分,明确了CNTs预涂覆低压膜在吸附饱和之后,能够有效截留水中HA,可作为水中腐殖质类污染物去除的一种有效手段.     

粉末活性炭预沉积去除藻类有机物及其对膜污染的影响

以东海原甲藻分泌的藻类有机物（AOM）为研究对象,研究粉末活性炭预沉积和预吸附两种膜前预处理手段对海水中AOM的去除作用,对比分析AOM直接超滤、预沉积和预吸附后再超滤时膜通量、膜阻力分布、膜表面亲疏水性和粗糙度的变化,探讨粉末活性炭孔隙结构、沉积量对AOM去除效果及超滤膜污染的影响.结果表明,活性炭预沉积和预吸附能够提高超滤膜对含AOM海水中DOC和UV₂₅₄的去除率,预沉积对AOM的去除作用优于预吸附,介孔活性炭较微孔活性炭的预沉积效果更好,当介孔活性炭PAC2的沉积量为0.4g/L时,DOC和UV₂₅₄的去除率较直接超滤分别提高了25.1%和33.6%.紫外吸收比指数（URI）分析表明,活性炭预沉积和预吸附对有机物的去除作用具有选择性,AOM中芳香族物质较脂肪族羧基类物质更易被除去.粉末活性炭预沉积下AOM超滤时的滤饼层污染阻力（R_c）和膜孔堵塞阻力（R_p）较直接超滤分别降低了39.6%和81.2%,活性炭在超滤膜表面形成的滤饼层结构将AOM与超滤膜进行了隔离,能够减缓膜污染速率,对于控制膜的不可逆污染亦具有重要作用.     

直接超滤和混凝-超滤组合工艺的膜污染比较

利用滤饼层过滤模型和膜孔窄化模型，结合国产中空纤维超滤膜对提取的天然腐植酸进行直接超滤和混凝－超滤2种工艺的试验结果分析，表明混凝预处理基本消除了膜孔污染，并且大大降低了膜表面滤饼层污染阻力，从而使超滤保持高渗透通量。另外，与原水直接超滤相比，混凝－超滤组合工艺对溶解性天然有机物的去除率较高，DOC去除率从28％提高到53％，UV254去除率从40％提高到78％。     

混凝处理防止膜污染的作用与机理

通过膜过滤混凝上清液的方法 ,并比较膜进水和透过水中有机物相对分子质量分布的变化 ,探讨了混凝防止膜污染的作用和机理 .结果表明 ,相对分子质量大于 10 0 0的有机物是造成膜污染的主要因素 ,而相对分子质量小于 10 0 0的有机物对膜污染的影响较小 .尽管混凝能有效地去除相对分子质量较大的有机物 ,但混凝防止膜污染的效果与其投加量有密切的关系 .较低的混凝投加量 (2 5mg·L- 1 )防止膜污染的效果较差 ,较大的投加量 (>5 0mg·L- 1 )防止膜污染的效果较好 .UV2 54能更好地反映有机物对膜污染的影响程度 ,如何有效地去除这类有机物是防止膜污染的关键 .混凝防止膜污染的效果与去除相对分子质量大于 10 0 0的UV2 54的程度密切相关 .试验结果表明 ,混凝去除这类有机物的效果达到 5 0 %时 ,可有效地防止膜污染     

膜生物反应器中膜过滤特征及膜污染机理的研究

以膜生物反应器处理市政污水,通过对活性污泥进行终端过滤来反映膜污染机理,实验表明,最初很短时间内膜污染受膜孔堵塞模型控制,之后受沉积层阻力模型控制,后一阶段是膜污染的主要控制阶段;膜的相对通量随过滤时间呈指数衰减趋势,压力越大,通量衰减越快;污泥沉积层存在压密过程,这一过程中的污泥比阻随压力增大而增大,并得到处理市政污水的污泥压密指数为0.807 8;阻力分布实验表明沉积层阻力占总阻力的90%以上,是膜过滤污染阻力的主要组成部分;活性污泥各组分对膜污染均有贡献,其中悬浮固体、胶体颗粒和溶质产生的阻力分别占87.98%、6.20%和5.82%;根据实验和计算结果,探讨了MBR处理市政污水过程中可能的膜污染机理.     

碳纳米管径向尺寸对碳纳米管自支撑膜孔隙结构及通量的影响

为了探索碳纳米材料膜在水处理中应用的可能性,本实验选取4种径向尺寸的碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs),采用压力辅助过滤技术制备CNTs自支撑膜.通过对CNTs自支撑膜的平均孔径、孔径分布及截留分子量(Molecular weight Cut-Off,MWCO)等进行分析,研究了CNTs径向尺寸变化对CNTs自支撑膜孔隙结构的影响.结果表明,CNTs的径向尺寸越小,制备得到的CNTs自支撑膜越趋向于形成小孔径的膜孔,且孔径分布更加均匀,孔隙面积比越高,膜的MWCO越小.单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube, SWNT)与多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotube, MWNT)相比,前者更容易形成膜平均孔径更小且孔径分布更均匀的CNTs自支撑膜.膜通量测定结果表明,研究制备的CNTs自支撑膜的通量属于低压膜范围,通量在230～347 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1)之间.其中,虽然由径向尺寸较小的CNTs所制备的CNTs自支撑膜的平均孔径更小,但由于其具有更高的孔隙面积比和更小的膜厚度,其纯水通量相对高于由大径向尺寸CNTs制备的CNTs自支撑膜.     

泥水预分离MBR膜污染缓减效能研究

通过长期运行实验,进行了泥水预分离膜生物反应器（sludge/water pre-separation membrane bioreactor, S/W-MBR）与传统淹没式膜生物反应器（submerged membrane bioreactor, SMBR）对比研究,考察了污泥浓度、胞外聚合物含量（extracellular polymeric substances, EPS）及过膜阻力（trans-membrane pressure, TMP）随运行时间的变化规律及其对膜污染的缓减作用.结果表明,S/W-MBR与SMBR生物区的污泥浓度基本一致,而S/W-MBR膜区的污泥浓度较SMBR有显著降低.两者生物区的EPS含量均随运行时间的延长而增加,而S/W-MBR膜区的单位质量污泥的EPS含量始终保持在15 mg/g左右的较低水平.S/W-MBR比SMBR具有更好的缓减膜污染能力,在近90d的连续运行过程中,前者的膜组件仅需清洗2次,后者的膜组件清洗了5次.     

碳纳米管界面改性超滤膜的抗污机理解析

以碳纳米管(CNT)为核心改性材料,采用喷涂法对聚醚砜(PES)超滤膜进行界面改性,研究改性膜的抗污染性能.结果表明:改性膜经聚乙烯醇交联稳定后,呈现微弱的通透性降低和明显的亲水性提升,CNT交织网状层提高了界面粗糙度;在牛血清白蛋白(BSA)污染试验中,CNT-10改性膜的抗污性能最好,在20mg/L BSA试验后,...     

淹没式膜生物反应器中膜污染机理的研究

为减小微生物絮体对膜的污染,设计了一种具有沉降室的膜生物反应器,膜A与膜B分别淹没在上清液和污泥混合液中以相同的抽吸方式运行,与预期结果相反,膜A比膜B的污染速度还快．为探讨膜污染机理,考察了污泥混合液中不同组分对膜污染的影响,利用扫描电镜和原子力显微镜分析了膜面污染层的特征．结果发现,在污泥混合液与上清液中膜面污染层在微观结构上存在显差异,其方差平均粗糙度Rms分别为132．3nm和75．2nm．经膜污染机理分析认为：微生物絮体和大分子有机物会在膜面形成污染层,该污染层作为“二次膜”影响膜过滤性能．上清液中细小的微生物絮体和大分子有机物形成的污染层相对致密,会加剧膜污染．     

典型有机物与超滤膜界面作用及膜污染机制研究

对二级出水中典型有机物的膜通量及膜污染变化情况进行分析比较,并应用扩展DLVO(x DLVO)理论分析了有机物超滤过程中的界面作用能对膜污染行为的影响机制.研究表明,海藻酸钠(SA)导致的膜通量下降最为显著,其次为腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA);就3种有机物而言,膜污染均主要发生在粘附阶段,而在粘聚阶段中膜污染程度较小.对比而言,海藻酸钠(SA)主要形成可逆污染,腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA)则以不可逆污染为主.在过滤过程中,极性界面作用能是控制膜污染的主要因素,HA和BSA的极性界面作用能为正值,能抑制膜污染,而SA的极性界面作用能为负值,会加剧膜污染.3种有机物在粘聚阶段的极性界面作用能均大于粘附阶段,说明粘附阶段的膜污染更严重.     

Mechanism of calcium mitigating membrane fouling in submerged membrane bioreactors

Two parallel membrane bioreactors (MBRs) were operated under different calcium dosages (168.5, 27 mg/L) to gain a better understanding of the mechanism of retarding membrane fouling by adding calcium. The results showed that the particle size of sludge flocs increased and the particle size distribution tended to be narrow at the optimum dosage (168.5 mg/L). Calcium was effective in decreasing loosely bound extracellular polymeric substances (LB-EPS) in microbial flocs and soluble microbial products (SMP) in the supernatant at the dosage of 168.5 mg/L by strengthening the neutralization and bridging of EPS with flocs. Furthermore, the amount of COD_S and COD_C decreased in both the mixed liquor and the fouling cake layer on the membrane surface. In order to compare the filtration characteristics of cake layers from the MBRs with the two calcium dosages, the specific cake resistance and the compressibility coefficient were measured. The specific cake resistance from the MBR with optimum dosage (168.5 mg/L) was distinctly lower than that with low dosage (27 mg/L). The compressibility coefficient of the cake layers under two dosages were respectively attained as 0.65, 0.91. Scanning electron microscopy (SEM) and three-dimensional confocal scanning laser microscope analysis (CLSM) images were utilized to observe the gel layer directly.     

膜-生物反应器中活性污泥沉降性能与膜污染相关性研究

结合连续流小试，对膜．生物反应器运行过程中，活性污泥沉降性能的变化及其对膜污染的影响进行了研究．结果表明，随着运行时间的增长，该系统内丝状菌大量繁殖，活性污泥沉降性能变差，SVI值升高．随之，膜过滤压差(过滤阻力)平均上升速率有所增加，膜过滤周期缩短．膜过滤压差的“两阶段性(平缓上升期和加速上升期)”变化规律趋于明显，平缓上升期和加速上升期的膜过滤压差上升速率随污泥SVI值的升高分别呈现下降和上升的趋势．污泥沉降性能的变化对膜污染过程产生明显影响．电镜观察表明，污泥沉降性能对膜过滤压差的影响与膜面污染层的结构和厚度有关．     

Application of a hybrid gravity-driven membrane filtration and dissolved ozone flotation (MDOF) process for wastewater reclamation and membrane fouling mitigation

This study proposed a novel membrane filtration and dissolved ozone flotation integrated(MDOF) process and tested it at pilot scale. Membrane filtration in the MDOF process was operated in gravity-driven mode, and required no backwashing, flushing, or chemical cleaning. Because ozone was added in the MDOF process, ozonation, coagulation, and membrane filtration could occur in a single reactor. Moreover, in situ ozonation occurred in the MDOF process, which differs from the conventional pre-ozonation membrane filtration process. Significant enhancement of turbidity removal was further achieved through the addition of membrane filtration. Membrane fouling was mitigated in the MDOF process compared to the MDAF process. In situ ozonation in the MDOF process decreased the fluorescence intensity and transformed the high MW dissolved organics into small MW compounds. For the fouling layer, the extracellular polymeric substance(EPS) contents and cake layer morphology were analyzed. The results indicated that the contents of EPS decreased. Furthermore, a thinner and more loosely structured cake layer formed in the MDOF process. Because coagulation and ozonation occurred simultaneously in a single reactor, the generation of hydroxyl radicals was enhanced through the catalytic effect of Al-based coagulants on ozone decomposition, which further alleviated membrane fouling in the MDOF process.     

投加粉末活性炭对一体式膜-生物反应器膜污染的影响研究

通过试验考察了粉末活性炭（PAC）对一体式膜-生物反应器中膜污染的影响．在2种类型的污泥（膨胀污泥和非膨胀）中，投加适量PAC可以减轻膜污染，表现为临界膜通量的提高和连续运行中膜污染增长速率的降低．当污泥性质和浓度不同时，最佳PAC投加范围亦不同．PAC投量过大会引起临界通量下降．PAC的投加显著降低了混合液中溶解性物质的浓度，减轻了溶解性物质的吸附和膜孔堵塞污染，并改善了絮体结构．污泥比阻与污泥混合液膜过滤性能之间有很好的相关性，可作为污泥混合液膜过滤性能的快速评价指标．     

丝状菌对膜-生物反应器中膜污染过程的影响

结合动态运行试验,针对丝状菌对膜污染过程的影响进行了跟踪观察和分析.结果显示,丝状菌与膜表面污染物形成过程及结构、附着形式密切相关.丝状菌以黏着、穿透膜材料等固定形式,增加膜表面污染物的附着强度.丝状菌以立体网状结构形式在膜表面污染物形成及其结构中发挥重要作用,严重影响膜-生物反应器的处理能力及膜清洗效率,丝状菌是膜-生物反应器中危害性严重的一类微生物.     

厌氧膜生物反应器污泥组分对膜污染的影响

对一体式厌氧膜生物反应器污泥进行离心分离,考察污泥各组分和膜污染的特性之间的关系.通过对已有理论模型进行变形,推导出阻力的数学模型方程式,并分析了膜通量、膜阻力的变化.同时对混合液悬浮固体进行了颗粒粒径分析,并与好氧膜生物反应器的污泥颗粒进行了对比分析.结果表明,污泥混合液悬浮固体形成阻力占膜总阻力的70%,胶体物质形成阻力占22%,溶解性物质形成阻力占8%.     

不同细菌分泌物及其反渗透膜污堵特性比较

反渗透(RO)工艺在城市污水再生处理中的应用越来越多,但膜污堵严重影响了该工艺的稳定运行.溶解性微生物产物(SMP)是造成RO膜污堵的最主要的有机物.本文以再生水厂RO膜面分离的两种细菌Pseudomonas sp. AM1-1和Chromobacterium sp.AM1-2的SMP为研究对象,比较了两者SMP的组成成分及其对RO膜的污堵能力.结果发现,在葡萄糖培养基中培养至稳定期后,两者产生的SMP中多糖与蛋白质比例均约为1∶1,AM1-1的SMP中多糖和蛋白质均呈双峰式分布,分布于大于10~5Da和小于10~3Da两个范围;AM1-2的SMP中,多糖分子量呈双峰式分布,主要分布于大于10~6Da的范围,有少量小于10~3Da,蛋白质分子量小于10~3Da.通过RO错流过滤污堵实验装置考察了两种SMP对RO膜的污堵特性,发现SMP中大分子有机物的分子量与SMP的膜污堵潜力密切相关,有机物分子量越大,SMP的膜污堵潜力越高,而多糖和蛋白质的比例并不是决定SMP膜污堵潜力的关键.因此,减少SMP中的大分子量物质(特别是大分子多糖)在RO膜表面的沉积,是缓解SMP造成的RO膜污堵的关键.