超滤净水工艺中磁性树脂减缓膜生物污染的机理研究

Membrane biofouling is a bottleneck problem affecting the stability of ultrafiltration performance during the long-term operation. In our previous study, it was found that the membrane biofouling was markedly alleviated in the integrated process, where the membrane module is installed in the resin mixing pool, and the MIEX dynamic membrane play an important role for controlling membrane biofouling. To further investigate the control mechanism, the following research will be carried out based on the three aspects: retarding biofilm base layer formation, inhibiting the irreversible attachment of bacteria, and suppressing bacteria proliferation on the membrane surface. A collaborative mechanism of membrane biofouling control with MIEX pre-removal and its dynamic membrane effect will be clarified. The relationship between "removal of typical biofouling pollutants" and” biofilm base layer formation" will be revealed. The response mechanism of the bacteria biological behavior to poor nutrient environment on the membrane surface caused by MIEX and its dynamic membrane will be elucidated. The effect of MIEX dynamic membrane on the microscopic interfacial force of "biofouling layer-UF membrane" will be analyzed, and its structure-function relationship with enhanced backwashing effect will be established. Based on these research, the integrated process of "MIEX-UF" can be optimized to effective alleviate membrane biofouling.

膜生物污染是影响超滤膜法净水工艺长期稳定运行的重要技术难题。申请人发现，将PVDF中空纤维超滤膜置于磁树脂（MIEX）搅拌池中的一体式“MIEX-UF”耦合工艺，可以有效减缓膜生物污染；MIEX在超滤膜面形成的“过滤沉积-反洗脱落”往复动态膜效应在其中发挥着重要作用。为阐明其机理，申请人提出从减缓生物膜基层形成、抑制细菌在膜面的不可逆附着和快速增殖三方面入手，系统阐明MIEX在溶液本体的吸附预拦截行为和在近膜面处的动态膜效应，对减缓超滤膜生物污染的联合作用机制。研究旨在解析MIEX对典型生物污染组分去除规律与“生物膜基层”形成之间的内在联系，探明MIEX及其动态膜在超滤膜面营造强贫营养环境与细菌在膜面生物学行为之间的响应关系，建立MIEX动态膜对“生物层-超滤膜面”间亲和力的调控作用与动态膜强化水力反洗之间的构效关系，实现以减缓超滤膜生物污染为目标的一体式“MIEX-UF”耦合工艺优化。

生物污染因其富含活性组分，易增殖扩散，难以有效控制，难以清洗恢复而成为超滤系统长期运行困扰的难题。因此，辨析水中典型生物污染组分及其对膜生物污染的作用机制，提出有效控制超滤膜生物污染的方法对于保障超滤系统长期稳定运行具有重要意义。为此，本课题首先辨析了水中典型生物组分赋存形式与膜生物污染之间的构效关系，提出了利用一体式MIEX-UF工艺有效控制膜生物污染，并从减缓生物膜基层形成、抑制细菌在膜面的不可逆附着和快速增殖三方面系统阐明了MIEX在溶液本体的吸附预拦截行为和在近膜面处的动态膜效应，对减缓UF膜生物污染的联合作用机制。研究结果发现，EPS中的TEP比TEP前体更易在膜上发生不可逆累积，而TEP中游离型TEP里的胶体态TEP是造成膜不可逆生物污染的最主要因素。钙离子、钠离子、pH值、光照以及水温都会影响TEP前体和TEP之间、胶体态TEP和颗粒态TEP之间的转化，进而影响膜生物污染的形成和发展。TEP与膜面以及TEP与细菌间更强的粘附力显著增强了细菌在膜面的不可逆附着，从而促进细菌在膜面增殖扩散形成生物膜。MIEX对这些典型生物污染组分的吸附去除可以有效减缓生物膜基层形成和发展，MIEX的高聚电解质环境对细菌具有明显的灭活作用，MIEX对磷酸根等营养基质的去除会显著抑制膜生物污染的形成和发展。通过界面力变化规律发现，典型生物组分与MIEX间更强的作用力改变了膜面生物层结构，增强了其透水能力，导致膜面由生物层与膜面间结合力减弱，反洗时很容易被带离膜面，从而有效减缓生物膜基层的形成以及生物污染的发展。在上述研究基础上，实现了以控制生物污染为目的的一体式MIEX-UF耦合工艺参数的优化。研究结果为该工艺在饮用水领域的推广应用提供了更丰富详实的理论基础。