混凝-超滤膜复合污染模式识别及絮体控制机制

The complex characteristics of the pollutants in the water sources would cause a serious membrane fouling in coagulation-ultrafiltration process, which present a major challenge in its application. This project is proposed to identify its complex fouling pattern (combined organic fouling and colloid-organic fouling behaviours) and investigate its control mechanism by using coagulation technique. The research focuses on the development of the novel coagulant and enhanced coagulation, especially on the complex multi-interface mechanism among the particulates, organics and flocs during the membrane fouling process. According to the dynamic reaction process investigation strategy, lots of the modern techniques will be used to understand the interaction mechanism between NOM and coagulants. Based on these findings, the optimization of the speciation and composition for certain coagulant will be carried out. The dynamic formation and its transformation behaviours of the flocs-NOM-particulate during different stages will be investigated by an advanced visualization-imaging technique of non-invasive micro-scale particle image velocimetry (Micro-PIV). Accompanying with extended DLVO theory and surface free energy calculation, the interaction among the flocs-NOM-particulate would be clarified. Therefore, the results herein will be very useful to understanding the fundamentals in the coagulation-ultrafiltration process, which is also important to accelerate its application in China.

针对混凝-超滤工艺以及我国水源水质的复合污染的特性，本研究以控制混凝-超滤工艺中的膜复合污染行为为基本目标，针对有机复合污染，有机/无机复合污染开展强化混凝的控制机制研究，从混凝剂，强化混凝工艺，絮体--有机物-颗粒物-膜表面的界面过程进行研究，重点突破基于多界面过程的颗粒物/有机物/絮体在膜污染过程中的复合作用机制，并遵从动态反应过程的前沿热点问题出发，采用多种先进仪器明确絮凝剂与NOM之间的相互作用机制，优化混凝剂的形态和组成，对不同阶段下絮体的形成以及絮体-有机物-颗粒物在膜表面的迁移、沉降与附着过程进行PIV的实时观测，并通过延伸的DLVO理论与表面自由能计算模型来考察膜污染过程中絮体/有机物/颗粒物的作用，最终对混凝-超滤反应过程进行协同优化。本项目为推动“混凝-超滤膜”技术与工艺原理的建立以及创新性的发展提供重要的科学意义和实用价值。

本项目以膜污染为研究对象，从单一基质形成的膜污染层到复合基质形成的膜污染层的形态、组成以及发展过程进行了系统深入的研究，发现膜通量取决于各体系中所形成的絮体结构特性，微絮凝条件下形成絮体相对较小，分形维数较大，与膜表面的结合更加紧密，因此更容易造成膜污染，另一方面有机物的组成也是膜通量变化的主要因素。因此研究了微藻作为碳源制备微藻基碳材料活化过硫酸盐降解有机物的过程及机制，发现了其催化机制主要是1O2为主的非自由基机制以及•OH和SO4•-起到自由基作用机制，并进一步考察其在膜表面改性的应用。另一方面，针对膜污染问题，采用聚偏氟乙烯（PVDF）为膜材料，通过共混改性和表面改性两种方法，减少膜污染，增加膜的使用。改性之后膜表面的亲水性能、纯水通量、抗污染能力增加。发现了通过表面改性之后，膜表面的PVP能与蛋白质中的残氨基形成氢键的作用，从而减少了蛋白质进入膜孔的机率。最后，通过对水厂实际超滤膜污染分析，发现造成膜污染的有机物以蛋白类和多糖类为主，发现相对于HCl和NaOH，柠檬酸的清洗效果最好，相关研究成果得到了工程实际应用。发表相关论文13篇，其中SCI 7篇，影响因子>5.0的论文5，中文核心1篇，其他文章5篇。申请专利4项，其中授权2项。培养博士3名，硕士3名。此外，获得2项省部级奖励。