浸沒(méi)式超濾膜處理含藻水及膜污染控制研究.pdf

1、由于工業(yè)的迅速發(fā)展，飲用水水源污染日益嚴(yán)重，尤其是富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象頻繁發(fā)生，使得目前水廠普遍采用的常規(guī)飲用水處理工藝面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何有效的去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中的藻細(xì)胞及其分泌物已成為保障供水安全的關(guān)鍵性問(wèn)題之一。
　　采用超濾膜技術(shù)去除藻細(xì)胞及其分泌物是富營(yíng)養(yǎng)化水體處理技術(shù)研究的新方向。深刻理解藻細(xì)胞及其胞外分泌物生長(zhǎng)代謝的基本規(guī)律和特征是尋找實(shí)用性水處理技術(shù)和正確應(yīng)用超濾膜技術(shù)的基礎(chǔ)。論文以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻（Microcys

2、tis aeruginosa，M. aeruginosa）作為研究對(duì)象，從以下5個(gè)方面論證超濾膜處理含藻水的可行性：1.通過(guò)定性和定量分析揭示了銅綠微囊藻細(xì)胞及其分泌物隨時(shí)間變化的基本規(guī)律和特點(diǎn)；2.對(duì)比研究了超濾（UF）和粉末炭超濾（PAC/UF）生物反應(yīng)器對(duì)含藻水的處理效果和跨膜壓差（Trans-membrane Pressure，TMP）變化及其機(jī)理；3.探討了膜反應(yīng)器的主要運(yùn)行參數(shù)以及原水水質(zhì)對(duì)聚氯乙烯（Polyvinylchl

3、oride，PVC）超濾膜處理含藻水的影響；4.通過(guò)中試試驗(yàn)研究了浸沒(méi)式超濾膜處理受污染水源水的效果；5.研究了不同清洗劑對(duì)受污染膜的清洗效能與機(jī)理。
　　通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的銅綠微囊藻及其胞外分泌物進(jìn)行研究證實(shí)，銅綠微囊藻細(xì)胞濃度隨生長(zhǎng)時(shí)間的增加逐漸增大，在穩(wěn)定期達(dá)到最高值后又逐漸降低。在生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期時(shí)，銅綠微囊藻細(xì)胞的等電點(diǎn)在 pH4~5之間，隨著 pH值的增大電負(fù)性不斷加強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)，在不同生長(zhǎng)階段胞外分泌物的主要成分

4、均為親水性的大分子物質(zhì)（大于30kDa）。在對(duì)分泌物的重要組成物質(zhì)（碳水化合物、蛋白質(zhì)和藻毒素）進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其濃度均隨藻細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖逐漸增加。隨著時(shí)間的變化，碳水化合物與溶解性有機(jī)碳（Dissolve Organic Carbon，DOC）比值逐漸降低，而蛋白質(zhì)與DOC的比值以及蛋白質(zhì)與碳水化合物的比值均呈增加的趨勢(shì)。
　　通過(guò)對(duì)比 UF和PAC/UF生物反應(yīng)器處理含藻水的效果發(fā)現(xiàn)，UF能夠去除全部的藻細(xì)胞，但對(duì)胞外有機(jī)物的

5、去除效果不明顯，從而造成嚴(yán)重膜污染；相比 UF工藝，PAC/UF生物反應(yīng)器可明顯減緩 TMP的上升速率，同時(shí)提高DOC、UV254和MC-LReq的去除率（分別為10.9±1.7％、27.1±1.7%和40.8±4.2%）。但是，PAC對(duì)膜處理碳水化合物和蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物的效果幾乎沒(méi)有改變。UF反應(yīng)器中對(duì)有機(jī)物的去除機(jī)理主要包括膜截留、生物降解和污染層強(qiáng)化截留作用，PAC/UF反應(yīng)器中的生物作用優(yōu)于UF工藝。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由于PAC降

6、低了反應(yīng)器內(nèi)的光照強(qiáng)度，從而導(dǎo)致 PAC/UF反應(yīng)器中碳水化合物和蛋白質(zhì)的生成量下降；雖然光照強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)器中MC-LReq影響不明顯，但PAC的吸附作用使其濃度大幅降低。
　　通過(guò)改變 PVC超濾膜反應(yīng)器處理含藻水的運(yùn)行參數(shù)（通量、曝氣量和反洗條件等），研究了 TMP隨時(shí)間變化的規(guī)律。通量對(duì)膜污染的影響隨藻細(xì)胞濃度的增加而增大；雖然膜污染程度隨氣液比的增加不斷降低，但綜合考慮其它因素認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)條件下最適宜的氣液比為12:1。隨著

7、 pH值的提高，污染物與膜表面的負(fù)電性逐漸增強(qiáng)，同時(shí)高分子量物質(zhì)所占比例不斷增加，使得TMP上升速度不斷下降。實(shí)驗(yàn)同時(shí)證實(shí)，相比 K+和Al3+，Ca2+對(duì)膜污染的緩解效果更加明顯。推斷認(rèn)為，Ca2+能更有效地促使水中有機(jī)物絡(luò)合生成大分子物質(zhì)。藻細(xì)胞和腐殖酸間的協(xié)同作用，造成了更加嚴(yán)重的膜污染。
　　從實(shí)際工程改造角度出發(fā)，通過(guò)中試實(shí)驗(yàn)研究了浸沒(méi)式超濾膜以混凝沉淀作為預(yù)處理工藝過(guò)濾受污染水的效果。不受原水水質(zhì)影響，超濾膜出水中濁度

8、始終低于0.1NTU，且完全去除原水中的藻細(xì)胞。由于混凝預(yù)處理作用，超濾出水中有機(jī)物指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。在長(zhǎng)期（40天）運(yùn)行時(shí)，膜反應(yīng)器始終保持高通量運(yùn)行（不低于40L/m2/h）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用300mg/L NaClO溶液對(duì)膜進(jìn)行清洗，通量恢復(fù)率達(dá)到93.6%。
　　為了進(jìn)一步了解藻及其胞外分泌物對(duì)膜污染的影響，系統(tǒng)地研究了不同化學(xué)藥劑（NaOH溶液，NaClO溶液，HCl溶液，EDTA溶液）對(duì)被含藻水污染后的超濾膜清

9、洗效果。結(jié)果表明，100mg/L NaClO溶液對(duì)不可逆污染的清洗效果最佳（88.4±1.1%）。衰減全反射傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（ATR-FTIR）也證實(shí)NaClO溶液能夠幾乎去除全部的污染物質(zhì)（如碳水化合物類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)）。然而，雖然證實(shí)500mg/L NaOH溶液能夠去除 PVC膜表面的部分污染物，但是其對(duì)不可逆污染的去除率僅為1.5±1.0%。通過(guò)掃描電子顯微鏡（ Scanning Electron Microscope，SEM）