【摘 要】
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超滤膜工艺是现代自来水处理工艺的核心技术之一。膜污染是影响超滤膜工艺稳定高效运行的关键性制约因素。超滤过程与在线絮凝和凝聚-絮凝耦合可取代传统混凝沉淀工艺,有助于同步实现膜污染控制、药耗降低和污泥减量。膜污染控制效果与絮凝剂的投加方式、种类、以及有效浓度等因素相关,目前,尚缺乏深入系统的定量研究。此外,新型膜污染控制手段与絮凝技术结合的效果及对出水水质的影响,也有待进一步研究探索。本研究以南水北调
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超滤膜工艺是现代自来水处理工艺的核心技术之一。膜污染是影响超滤膜工艺稳定高效运行的关键性制约因素。超滤过程与在线絮凝和凝聚-絮凝耦合可取代传统混凝沉淀工艺,有助于同步实现膜污染控制、药耗降低和污泥减量。膜污染控制效果与絮凝剂的投加方式、种类、以及有效浓度等因素相关,目前,尚缺乏深入系统的定量研究。此外,新型膜污染控制手段与絮凝技术结合的效果及对出水水质的影响,也有待进一步研究探索。本研究以南水北调水为原水,在与高压静电场不同耦合条件下,系统考察了在线絮凝和凝聚-絮凝对超滤膜污染的控制效果,探究了絮凝剂种类和有效浓度对膜污染以及有机物去除的影响,并采用光谱分析研究不同处理工艺对消毒副产物生成势等膜污染物质的去除效果,为膜处理技术的稳定运行提供技术和理论依托。根据本研究获得的结果,得到的主要结论如下:（1）通过探明在线絮凝和凝聚-絮凝方式对超滤膜污染控制效果的差异,建立了不同工艺下的絮体特性与膜污染阻力的量化关系,揭示了二者对超滤膜污染的影响机制。在线絮凝工艺中,同等有效浓度条件下,以Al3+计的PAC（聚合氯化铝）,对超滤膜污染的控制效果优于以Fe3+计的FeCl3（氯化铁）,可逆和不可逆膜污染均有所减缓,第四周期不同浓度下的总膜污染阻力减低了 239kPa～558.9kPa。对于凝聚-絮凝工艺,在1.5～4.5mg/L（以Al3+/Fe3+计）有效浓度范围内,PAC和FeCl3的絮凝作用对超滤膜污染的控制效果接近,PAC能更好的减缓不可逆膜污染。机理分析表明,完全堵塞、标准堵塞、临界堵塞和滤饼层堵塞对在线絮凝-超滤和凝聚-絮凝-超滤工艺中的膜污染均有所贡献,而滤饼层堵塞是造成在线絮凝-超滤和凝聚-絮凝-超滤工艺中膜污染的主要原因。（2）采用新型高压静电场耦合以上两种絮凝方式进行膜污染控制驿比研究,发现高压静电场有利于提高在线絮凝-超滤处理过程中膜污染控制效果,但会加重凝聚-絮凝-超滤工艺中的膜污染,进一步阐明了高压静电场影响絮凝-超滤工艺中膜污染的机理。在线絮凝耦合高压静电场减小了后续超滤膜污染,且较低浓度的PAC对跨膜压差的减少优于较高浓度投加条件对跨膜压差的减少程度。基于Hermia模型分析结果可知,与高浓度投加条件下的实验结果相比较,低浓度下的在线絮凝-高压静电场-超滤工艺,膜污染仍以滤饼层堵塞为主,膜污染的减轻是由于高压静电场改变絮体尺寸、增加絮体分支、增强Zeta电位的综合效应结果。与之相比较,高压静电场耦合凝聚-絮凝工艺后,加重了后续超滤工艺的膜污染,膜污染机理分析表明,完全堵塞和标准堵塞模式是造成的膜孔内污堵的关键因素。（3）在不同工艺影响去除原水中有机物和消毒副产物的生成势的研究表明,在线絮凝-超滤和凝聚-絮凝-超滤工艺段中,絮凝工艺段对有机物的去除率分别达到了 12.9%～35.5%和10.6%～17.9%。在线絮凝工艺中,FeCl3对疏水性物质具有更好的去除效果,而PAC对腐植酸类有机物和色氨酸类有机物的去除率高于FeCl3;凝聚-絮凝工艺中,PAC对溶解性微生物产物的去除效果较好,而FeCl3对富里酸类有机物的去除效果优于PAC。除此之外,在线絮凝出水有机物消毒副产物以DCAcAm（二氯乙酰胺）居多,而凝聚-絮凝方式下消毒产物以TCAcAm（三氯乙酰胺）为多。（4）对与膜污染相关的絮体关键参数和水质消毒副产物生成势的预测参数进行了量化研究。其中,对絮体特性（Zeta电位、分形维数、粒径中位值）与膜污染阻力进行相关性分析结果表明,在线絮凝过程粒径中位值与膜污染阻力为显著负相关,在凝聚-絮凝工艺中静电场作用下,絮体粒径中位值与膜污染阻力负相关。利用三维荧光光谱和紫外光谱进行水质分析,并对结果分别进行PARAFAC、FRI及特征光谱UV254、A254/A204等指标与消毒副产物生成势含量进行相关性分析。结果显示不同絮凝方式下,PAC作为絮凝剂,其与有机物的去除与含碳消毒副产物生成势形成的相关性显著优于FeCl3。对于在线絮凝工艺,FRI数据能够预测部分含碳消毒副产物的生成势;在凝聚-絮凝过程中,PARAFAC的三维荧光光谱分析结果及UV254的监测更适合对含氮消毒副产物生成势的定量预测。
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