基于主要膜污染物识别的超滤膜污染机制与控制研究

As a green water treatment technology, ultrafiltration (UF) has exhibited prominent advantages in both the treatment of surface water and the reuse of secondary effluent from wastewater treatment plants (WWTP). However, the performance decline due to membrane fouling still remains as one of major bottleneck problems of UF process, limiting its more widespread application. To better address this issue, the proposed project intends to identify the major membrane foulants during UF process as the first step; and then find out the fouling mechanisms of major membrane foulants on UF membrane; finally develop appropriate strategies for controlling membrane fouling. For typical water sources such as river water, lake water and secondary effluent of WWTP, this project will analyze and distinguish the major membrane reversible/irreversible foulants during UF process by employing advanced analytical technologies such as liquid chromatography/molecular exclusion chromatography-online organic carbon detection technique and three-dimensional fluorescence excitation-emission spectrum; investigate the fouling mechanisms of major membrane foulants on UF membrane and irreversibility of the fouling using modified Hermia model and resistance-in-series model, and clarify the effects of water solution chemistry factors on the fouling behavior of major membrane foulants, as well as the synergetic fouling effects of major membrane foulants and co-existing pollutant fractions in different waters; evaluate the suitability of various membrane fouling reduction technologies for the removal of major reversible/irreversible foulants of UF membrane in different waters, and bring forward feasible controlling strategies for solving the membrane fouling problem for UF in practical applications.

超滤技术作为一项绿色的水处理技术，无论是在地表水处理还是在污水厂二级出水深度处理中，都具有突出的优势。然而，膜污染问题导致的膜性能下降，仍然是制约超滤技术应用与推广的主要瓶颈之一。为更好地解决这一问题，本项目拟从识别超滤膜的主要污染物出发，明确其污染机制，进而制定有效的膜污染控制策略。针对江河水、湖库水、污水厂二级出水等典型水源，采用液相/分子排阻色谱分离-在线有机碳检测联机技术和三维荧光激发-发射光谱等先进检测技术，分析并判断不同水源中造成超滤膜污染的主要可逆/不可逆污染物质；利用改进的Hermia模型和序列膜污染阻力模型，研究主要膜污染物质在超滤膜上的污染机理及污染的可逆性，探讨水溶液化学条件、水中共存污染物组分对主要膜污染物污染行为的影响规律，明确主要膜污染物的污染机制；评价不同膜污染控制技术与主要膜污染物质的适配性，为有效解决超滤中的膜污染问题提出切实可行的膜污染控制策略。

超滤技术作为最先进的水处理技术之一，在水处理系统的升级改造中发挥着至关重要的作用。但该技术在实际工程中的高效应用受到膜污染的制约。为解决这一问题，本项目开展了超滤膜主要膜污染物的识别、污染机制与控制研究：（1）针对湖库水、江河水、污水厂二级出水等典型水源，采用液相/分子排阻色谱分离-在线有机碳检测联机技术，对造成超滤膜总膜污染的主要污染物组分进行了分析与识别，发现无论对于何种水源在何种季节下取样，检测到的生物源大分子含量（biopolymer）与膜污染之间均存在显著的正相关关系，并提出将水中biopolymer作为一项具有普适性意义的超滤膜总膜污染预测指标；（2）针对江河水、湖库水等地表水源，采用三维荧光光谱-平行因子分析方法，对水中荧光特性物质进行解析，得出四种荧光组分，分别属于微生物源腐殖质、色氨酸类蛋白质、陆源腐殖质、络氨酸类蛋白质，其中色氨酸类蛋白质与不可逆膜污染的相关性最强，多元线性回归结果表明腐殖质类物质对不可逆污染具有协同作用；（3）水中不同价态阳离子对超滤膜污染的影响规律研究结果显示，Na+可以降低HA和BSA对超滤膜的污染，而Ca2+则显著增加HA和BSA的膜污染阻力以及污染的不可逆性；当仅有Na+存在时，HA-BSA表现出一定程度的协同膜污染效应；但当Ca2+存在时，HA-BSA的复合污染则有所减弱；（4）在有机物与颗粒性物质的联合膜污染效应研究中，发现对于微米颗粒而言，存在一临界浓度范围，在该范围内其与有机物组分具有最显著的协同污染作用；而纳米颗粒与有机物组分的协同污染阻力显著减小；（5）针对膜污染控制策略开展了研究，结果表明，单独KMnO4氧化和FeCl3混凝均可在一定程度上减缓膜污染，两者之间具有协同作用，当预氧化与低剂量FeCl3混凝联用时，可进一步降低总膜污染阻力，而当与高剂量FeCl3混凝联用时，则可进一步降低膜污染不可逆性；（6）针对北江水水质特点，提出了超滤与混凝沉淀单元在沉淀池中部进行短流程适配的方案，研究表明在不同混凝沉淀段位耦合时对水质的净化作用基本相当；但耦合段位设置在沉淀池进水端时，超滤膜的污染非常严重，而设置在出水端则可明显减缓膜污染；将耦合段位设置在沉淀池中部时膜污染速率虽略有升高但幅度不大，同时可以显著减小水厂占地面积。本项目研究成果可为实际工程中膜污染的高效控制提供理论依据与技术支持。