过滤预处理对超滤膜污染控制的研究

摘要

超滤膜一直被认为是一种很有前途的替代传统的饮用水处理工艺的新型工艺。然而，由膜污染导致的产水效率下降、操作压力上升以及运营成本的增加等一系列问题是影响超滤膜广泛应用的主要障碍。因此，各种预处理方法与超滤工艺联合起来，以减缓膜污染。本课题研究的内容是将过滤预处理作为超滤工艺的预处理工艺，研究过滤预处理对超滤膜污染的控制。
　　本研究首先探究物理过滤预处理对超滤膜污染的控制，具体做法是将松花江原水经不同的滤料过滤包括粉煤灰、石英砂和颗粒炭进行简单的物理过滤，然后对比经不同滤料过滤后出水以及再经超滤膜过滤后出水水质指标、跨膜压以及三维荧光等数据。实验结果表明，物理预过滤方式对超滤膜污染有一定的缓解效果，其中不同的滤料对超滤膜污染缓解作用不同。大粒径（粒径1～2m m）滤料相比小粒径（粒径0.5～1mm）滤料，后者对UV254和DOC去除效果较好，这可能是由于小粒径滤料有更大的比表面积，从而与溶液接触面更大，产生了更好的吸附作用。无论是大粒径（粒径1～2mm）滤料还是小粒径（粒径0.5～1mm）滤料它们的除浊效果都很好，而且差异不是很明显。经过24h运行后，膜污染中不可逆污染占主导地位。发现经活性炭滤料预过滤后膜不可逆污染阻力最小，粉煤灰次之，石英砂最大；对于石英砂和粉煤灰滤料粒径大小对膜不可逆阻力大小的影响没有活性炭那么明显。运用三维荧光平行因子分析法，得出了水样中三种组分的荧光图以及对应荧光峰的位置：组分1（Ex/Em:230（275）nm/306nm）属于络氨酸类蛋白质；组分2（Ex/Em:230（290）nm/410nm）属于微生物源腐殖质；组分3（Ex/Em:265（360）nm/466nm）属于陆源腐殖质。
　　其次，研究了生物过滤预处理对超滤膜污染的控制，将预过滤装置进行长达35d的运行，并且对相应的滤柱（加0.1％的叠氮化钠溶液抑制细菌的生长）作了参照。每隔5d时间取预过滤出水，再进行超滤过滤，检测其出水水质指标。实验结果显示，随着反应器的运行，整个过滤过程从最初的物理过滤逐渐过渡到物理和生物过滤共同起作用。活性炭预过滤比其他两种滤料预过滤更早更容易挂膜成功，实现生物预过滤，经过三种滤料预过滤之后出水的跨膜压都有一个峰值，而不同的是活性炭预过滤出水跨膜压峰值出现在15～25d之间，而石英砂和粉煤灰则出现在20～25d之间。在整个反应器的运行过程中，膜可逆污染阻力和不可逆污染阻力大小呈现出同样先增后减的趋势。另外，对比膜不可逆和可逆污染大小，在运行周期内，膜不可逆污染占了膜污染的主导地位。三种滤料出水的TOC值和浊度值都显示出与不可逆污染阻力有微弱的相关性，而UV254值则没有明显的相关性。经活性炭预过滤出水的TOC值和浊度与膜的可逆污染显示出一定的相关性，但是其它两种滤料则都没有显示出相关性。在轻污染区（最大跨膜压小于等于62k Pa），组分1与膜不可逆污染相关性最为明显，组分2、3与膜不可逆污染相关性不明显；在污染严重区（最大跨膜压大于62kP a），组分1、2、3与膜不可逆污染相关性不明显。可能原因是，在超滤初期，在分离蛋白质的过程中，蛋白质吸附到了膜表面造成了膜不可逆污染，随着污染的加剧，逐渐形成了泥饼层，随着膜污染的加剧，到了污染严重区，多种污染物质的协同污染造成了膜的不可逆污染，从而单独组分1的污染效应就不明显了。另外，荧光组分1、2、3与膜可逆污染相关性不明显。

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第1章 绪论

1.1饮用水面临的若干问题

1. 1. 1水资源不足

1. 1. 2水污染严重

1. 1. 3供水的二次污染

1.2超滤膜工艺在饮用水中的应用

1. 2. 1国内外应用现状

1. 2. 2膜污染的研究

1. 2. 3膜污染缓解方法

1.3过滤预处理-超滤组合工艺的研究现状

1.4本文课题来源及主要研究内容

1. 4. 1课题来源

1. 4. 2研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验材料

2. 1. 1中空纤维膜

2. 1. 2实验试剂及仪器

2. 1. 3原水水质情况分析

2.2试验装置

2. 2. 1物理/生物预过滤系统

2. 2. 2浸没式中空纤维膜超滤系统

2.3水质分析方法

2. 3. 1三维荧光光谱分析

2. 3. 2总有机碳分析

2. 3. 3扫描电镜分析

2. 3. 4其它常规水质指标分析

2.4中空纤维膜污染分析方法

第3章 物理过滤预处理对超滤膜污染的探究

3.1引言

3.2不同滤料对膜污染影响

3. 2. 1常规水质指标的分析

3. 2. 2不可逆和可逆膜污染阻力的计算

3. 2. 3膜污染物质中荧光组分的确定

3.3本章小结

第4章 生物过滤预处理对超滤膜污染的探究

4.1引言

4.2不同滤料生物预过滤对膜污染的影响

4. 2. 1不同滤料生物预过滤对跨膜压的影响

4. 2. 2生物预过滤-超滤过程中不可逆和可逆污染阻力的计算

4. 2. 3常规水质指标与膜污染相关性

4. 2. 4不同荧光组分与膜污染相关性

4.3生物预过滤-超滤除污效能研究

4. 3. 1生物预过滤-超滤对有机物的去除

4. 3. 2生物预过滤-超滤工艺对荧光组分的去除

4.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢