藻类对纳滤膜去除萘普生的影响

传统的饮用水处理工艺不能有效地去除水中痕量有机物PPCPs,纳滤(NF)膜工艺对其有较好的去除效果。水中有机物(DOM)的存在对NF膜去除PPCPs有较大的影响,藻类有机物(AOM)的组成及特性不同于天然有机物,它在膜处理工艺中对膜污染有重要的影响。试验研究了2种藻类(鱼腥藻、小球藻)AOM对纳滤膜去除萘普生(NPX)的影响效果。结果显示2种藻类AOM均能促进NF膜对NPX的分离,提高NPX的去除率,但会显著降低膜通量。AOM的分子量分布和亲疏水性与其对NPX去除率的影响有关,AOM中亲水性的多糖和蛋白类有机物质是造成膜污染和影响NPX去除率的主要物质。滤饼层的形成改变了膜表面的亲疏水性能和截流分子量(MWCO),也是造成膜通量衰减和NPX去除率提高的重要原因。     

水中藻类溶解性有机物特性研究

试验从分子量分布、三维荧光光谱和亲疏水特性3个方面研究了水中藻类(鱼腥藻、小球藻和小环藻)溶解性有机物(AOM)的特性。结果表明,3种AOM有机物在分子量分布上大分子和中小分子有机物各占一定比例。鱼腥藻AOM和小球藻AOM均表现出大分子和小分子有机物所占比例较大,中等分子有机物所占比例较小;小环藻AOM所含大分子有机物的比例相对较小,中小分子有机物是小环藻AOM的主要组成部分。荧光光谱分析得出,鱼腥藻AOM的大分子有机物主要是大分子蛋白类和腐植酸类有机物,中小分子有机物主要是小分子糖类和大分子疏水性腐殖类有机物的分解产物。小球藻AOM大分子有机物以大分子蛋白质类为主,中小分子有机物含有较多的蛋白类和腐殖酸类物质。而小环藻AOM大分子有机物主要以大分子腐殖酸类为主,中小分子有机物腐殖酸类物质含量也较多。亲疏水性分析表明,藻类AOM呈现较强的亲水特性,其SUVA值较低,主要是由亲水性的多糖和蛋白类有机物组成,疏水性腐殖类有机物质的含量相对较少。     

DOM纳滤膜污染及对膜截留卡马西平性能的影响

研究了天然原水中溶解性有机物(DOM)对HL和ESNA1-K两种纳滤膜造成的膜污染及其对膜截留卡马西平(CBZ)性能的影响.结果表明,DOM的存在造成了严重的膜污染和通量衰减.膜污染对CBZ截留率的影响与膜本身的特性和污染物特性有关,DOM通过在膜表面形成污染滤饼层和进入膜孔内部造成的膜孔堵塞,影响弱疏水性的CBZ从水中的分离,青草沙水库原水中的DOM引起的膜污染提高了两种纳滤膜对CBZ的截留效果,而太湖DOM造成的膜污染会降低CBZ的截留效果.研究还发现,中等相对分子质量(1 500~10 000)有机物会紧密地黏附在膜表面形成滤饼层,从而改变膜表面的疏水性能,小分子主要通过进入膜孔导致膜孔径堵塞.滤饼层的疏水性和浓差极化作用以及膜孔径的堵塞造成膜通量衰减并影响CBZ去除率.应用XDLVO理论对DOM造成的膜污染的分析结果表明,太湖DOM的疏水性明显强于青草沙DOM,其分子间的聚合自由能更负,与膜的黏附自由能更负,因而造成的膜污染和通量衰减更严重.     

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.     

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.     

微污染水源水中有机物的分布特征及微滤膜对其的影响作用

本试验是在微污染水源水中有机物分布调查的基础上,采用聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜(MF)过滤微污染地表水,考察微滤膜对天然水中有机物的影响作用.试验结果表明,黄浦江微污染水源水中的有机物分子质量主要集中在3~5 k Da和0.2 k Da附近,且疏水性有机物和亲水性有机物所占的比例相当.有机物季节性分布特征明显,冬季溶解性有机碳(DOC)的值偏高,而UV254和比紫外吸光度值(SUVA)则在夏季偏高.黄浦江原水经微滤膜过滤后,有机物构成发生明显变化,膜出水中的亲水性有机物的比例增加,而疏水性有机物的比例降低,DOC和UV254的平均去除率分别为17.73%和15.75%.黄浦江原水及经0.45μm滤膜过滤以去除悬浮物的黄浦江原水分别进行微滤膜过滤,膜比通量的对比发现,在较短时间内两者的膜比通量下降都很明显,而后膜比通量都趋于平缓,变化趋势及结果基本一致,可见,黄浦江水中造成膜通量下降的物质并不是悬浮物,而是溶解性的有机物质.     

不同氧化剂降低膜污染效果的研究

采用不同的氧化剂预处理黄浦江原水后进行微滤膜(MF)膜过滤试验,考察预氧化对有机物的去除作用,及其对MF膜过滤特性的影响.结果表明,3种不同氧化剂对有机物的去除效果存在较大差别.臭氧投量在0.5~3.0mg/L范围内,臭氧对DOC和UV254的去除率最高分别为10%和71%;而氯和高锰酸钾对有机物的去除效果则较差.臭氧可将大分子有机物转变成小分子有机物,将大部分疏水性有机物氧化成亲水性有机物.这种有机物组成结构的改变对膜过滤特性产生影响,明显降低了膜污染,膜污染下降率最高可达到22.7%.氯和高锰酸钾的氧化性相对较弱,仅能去除少部分疏水性有机物,对膜污染有较小减缓作用,膜污染下降率最高分别为9%和8.5%.     

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.     

混凝预处理对超滤膜通量的影响

为探讨混凝预处理对改善超滤膜过滤通量的效果.试验采用了4种具有不同亲疏水性的水样,着重探讨混凝对有机物的疏水性和亲水性组分的去除效果以及所带来的通量改善.试验结果表明,超滤膜直接过滤原水时,4种水样的有机物截留率在12%～20%,但其中的疏水性组分均超过了50%,说明膜倾向于截留疏水性有机物.投加25 mg/L的混凝剂,4种水样的有机物去除率在12%～28%,投加量增加至100 mg/L,去除率也相应增加至25%～38%,但其中的疏水性组分均占50%以上.混凝预处理均可有效提高通量.对有机物各组分的分析表明,膜处理混凝预处理水时,主要截留亲水性组分,这是由于混凝可有效去除疏水性组分的缘故.由此也可得出结论.超滤膜的通量下降主要是由疏水性有机物引起的,亲水性组分对通量的影响较小.     

不同组分的有机物对膜过滤通量下降的影响

采用DAX-8、XAD-4、IRA-958型树脂将自来水中有机物分离成强疏水性、弱疏水性、极性亲水性、中性亲水性有机物,以聚偏氟乙烯、聚醚砜、醋酸纤维3种材质的膜对各组分水样进行膜过滤试验,研究不同组分的有机物对膜过滤通量的影响.结果表明,过滤原水时,PES膜、PVDF膜和CA膜的通量分别比初始通量下降了67%、 59%和19%,表明疏水性越强的膜,越容易造成污染.就各种组分对通量的影响而言,过滤中性亲水性组分的通量下降为初始通量的41%～75%,而弱疏水性组分为6%～33%,表明中性亲水性组分对膜过滤通量的影响最大.3种膜中,CA膜对中性亲水性组分的截留率最高,达14.69%,但通量下降程度却最小,说明膜通量下降的程度并不与有机物截留总量正相关.对膜污染机制进行探讨后发现,对于截留分子量较大的超滤或微滤膜,相对分子质量>3×10⁴的中性亲水性组分通过堵塞膜孔内部,从而造成严重的膜污染;而对于截留分子量较小的超滤膜,中性亲水性组分由于无法进入膜孔,主要在膜表面形成滤饼层,从而对膜通量的影响较小.     

混凝对膜污染的防止作用

研究了混凝改善膜通量和防止膜污染的效果 .结果表明 :直接过滤原水的情况下 ,反冲洗后的膜通量恢复仅为初始通量的40% ;而投加了混凝剂 4mg/L和10mg/L(以Al计 )后 ,反冲洗后的通量得到了完全的恢复 .混凝防止膜污染取决于过滤过程在膜表面形成的滤饼层的性能 .在过滤混凝液的情况下 ,混凝能在膜表面形成滤饼层 ,从而有效地防止膜污染 ,而过滤上清液的情况下 ,无法为混凝去除的中性亲水性的有机物沉积在膜表面 ,造成膜污染 .     

膜生物反应器PVDF膜和尼龙膜污染特性

分别采用PVDF膜（第1~219d）和尼龙（Nylon）膜（第220~360d）长期运行膜生物反应器（MBR）,分析MBR系统的脱氮性能和膜污染特性.结果表明,反应器最终在进水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度分别为400~740mg/L和460~790mg/L的条件下稳定运行112d,总氮去除率（TNRE）维持在86%左右,总氮去除负荷（NRR）为0.61~1.08kg N/（m³·d）.经过263d的运行,反应器中混合液悬浮固体浓度（MLSS）从4918mg/L增至7230mg/L,混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）从2585mg/L增加至4455mg/L,比厌氧氨氧化活性（SAA）最高达0.46g N/（d·gVSS）.无论是PVDF膜还是尼龙膜,Anammox-MBR系统在一个膜污染周期结束时,都是泥饼层阻力占主导,但二者的膜污染机制不同.与相同水力停留时间（HRT）下运行的PVDF膜相比,尼龙膜的膜污染发展速度显著减小.结合脱氮性能和膜污染情况,本实验条件下,MBR系统优先采用尼龙膜在HRT=1.5d运行.     

The role of extracellular organic matter on the cyanobacteria ultrafiltration process

The membrane fouling caused by extracellular organic matter (EOM) and algal cells and organic matter removal of two typical cyanobacteria (M. aeruginosa and Pseudoanabaena sp.) during ultrafiltration (UF) process were studied in this work. The results showed that EOM had a broad molecular weight (Mw) distribution and the irreversible membrane fouling was basically caused by EOM. Moreover, humic acid and microbial metabolites were major components of EOM of two typical cyanobacteria. Since EOM could fill the voids of cake layers formed by the algal cells, EOM and algal cells played synergistic roles in membrane fouling. Fourier transform infrared spectroscopy analysis indicated that the CH₂ and CH₃ chemical bonds may play an important role in membrane fouling caused by EOM. Interestingly, the cake layer formed by the algal cells could trap the organic matter produced by algae and alleviate some irreversible membrane fouling. The results also showed that although the cake layer formed by the algal cells cause severe permeate flux decline, it could play a double interception role with UF membrane and increase organic matter removal efficiency. Therefore, when using UF to treat algae-laden water, the balance of membrane fouling and organic matter removal should be considered to meet the needs of practical applications.     

混凝对微滤膜处理含磷废水的影响

采用直接微滤和混凝-微滤2种工艺对高浓度含磷废水进行了处理.结果表明,混凝预处理减轻了膜孔堵塞污染,改善了膜表面沉积层的存在形态,提高了膜的渗透通量;与原水直接微滤相比,混凝-微滤组合工艺改进了出水水质,磷酸盐的去除率从11.0%提高到99.7%,出水满足国家一级排放标准;经过相同方法清洗后,混凝-微滤工艺的膜通量能恢复到初始通量的90%以上,而直接微滤工艺的膜通量只能恢复到初始通量的72%.     

Comparison of membrane fouling during short-term filtration of aerobic granular sludge and activated sludge

Aerobic granular sludge was cultivated adopting internal-circulate sequencing batch airlift reactor.The contradistinctive experiment about short-term membrane fouling between aerobic granular sludge system and activated sludge system were investigated.The membrane foulants was also characterized by Fourier transform infrared(FTIR)spectroscopy technique.The results showed that the aerobic granular sludge had excellent denitrification ability;the removal efficiency of TN could reach 90%.The aerobic granular sludge could alleviate membrane fouling effectively.The steady membrane flux of aerobic granular sludge was twice as much as that of activated sludge system.In addition,it was found that the aerobic granular sludge could result in severe membrane pore-blocking, however,the activated sludge could cause severe cake fouling.The major components of the foulants were identified as comprising of proteins and polysaccharide materials.     

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.     

Fouling of nanofiltration membrane by effluent organic matter： Characterization using different organic fractions in wastewater

The UF membrane with molecular weight cutoff (MWCO) ranging from 2 kDa to 100 kDa and XAD-8 resin were employed to identify the characteristic of molecular weight (MW) distribution of wastewater effluent organic matter (EfOM) in terms of TOC and UV254, as well as the amounts of the hydrophilic/hydrophobic organic fractions in different MW ranges. Then, the nanofiltration (NF) membrane fouling experiments were carried out using the above fractionated water to investigate the effect of MW distribution and hydrophilic/hydrophobic characteristics of EfOM on the membrane flux decline using the fractionated water samples above. The experimental results have shown that 45.61% of the total organics belongs to the low MW one, among which the percentage of the hydrophilic organics with low MW (less than 2 kDa) was up to 28.07%, while that of the hydrophobic organics was 17.54%. In particular, the hydrophilic fraction was found to be the most abundant fraction in the effluents. MW distribution has a significant effect on the membrane fouling. When the MW was less than 30 kDa, the lower the MW, the larger was the specific flux decline, while in the case of MW higher than 30 kDa, the higher the MW, the larger was the specific flux decline, and the decline degree of low MW organics was larger than the high MW one. With the same MW distribution range, specific flux decline of the hydrophilic organic was considerably slower than that of the hydrophobic organic, which indicated that the hydrophobic organic fractions dominantly contribute to the flux decline.