重力驱动膜处理含藻水的效能与机理

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蓝藻引起的水质污染一直是环境领域的热点问题,藻类会释放嗅味物质引起水体感官性状的改变,与水环境中其它生物争夺营养物质以及释放有毒物质破坏水体生态系统,危及水质安全。如何有效去除水体中的藻类一直是水研究中的重要课题。  膜技术对于水体中藻体的去除具有显著作用,尤其是超滤技术,以其较高的通量、低成本等特点成为膜法水处理技术的首选。但是由于膜污染问题的困扰,超滤膜对于含藻水的处理方法并没有大规模普及。重力驱动膜技术是PeterVarbanets等人于2010年提出的膜过滤系统,通常采用40-100mbar的水头压力作为过滤动力。此种重力式超滤膜运行系统不仅能耗低,膜污染较小,运行成本低廉,而且出水水质优良。目前重力膜系统已经开始被广泛应用于海水淡化以及废水处理等方面研究。而关于采用重力膜系统处理含藻水的研究仍然较少。  本文重点研究了重力膜系统处理含藻水的效能。分析了混凝预处理对于含藻水水质处理效果的影响及膜污染机理的研究;研究主要将含藻水中的主要成分进行分类,从而考察藻细胞、水体中大颗粒物质以及溶解性天然有机物(NOM)对于重力膜处理过程的影响。重力膜可以有效地截留藻细胞以及溶解性微生物产物(SMP)类生物大分子物质,而对于腐殖酸(HA)等小分子物质,重力膜无法有效去除。混凝处理对于膜通量的影响不是恒定的,对于纯藻液来说,混凝处理可以提高稳定通量;而对于实际含藻水来说,混凝过程去除了大颗粒成分,无法有效地去除HA等物质,这些物质构成膜污染的主要成分,对通量提高不利。  通过将重力式超滤膜系统与传统的真空抽滤膜处理方法进行对比,分析重力膜系统膜污染的特点。重力膜系统中膜表面的较为顽固膜污染极少,构成膜污染的物质主要为SMP类物质以及HA类物质;传统的真空抽滤过程会造成污染层压密,覆盖超滤膜膜孔,影响有效的膜过滤面积,同时抽吸作用会使膜孔撕裂降低超滤膜的寿命  利用XDLVO理论以及Hermia模型,分析膜过滤过程的膜污染机理并预测以及验证不同污染物对重力膜污染的特性。在膜过滤初始阶段(约100-200h)由于小分子腐殖酸(HA)类物质、大分子溶解性微生物产物(SMP)以及大颗粒物质(藻细胞等)的共同阻塞膜孔作用使前期通量快速下降。随着滤饼层的逐渐形成,通量逐渐达到稳定。颗粒物对于滤饼层的形成有重要作用,会使得滤饼层快速形成疏松多孔的结构,有助于稳定膜通量的提升。纯藻液经过混凝处理后,水体中含有大量混凝剂,含有羟基等亲水性基团,使得污染物与疏水性的膜表面相互作用能减小,膜污染情况降低。实际含藻水经过混凝处理后上清液中含有因为混凝作用团聚而未沉降的污染物,这些污染物颗粒粒径变大会导致与膜表面相互作用能增大,增加膜污染。  本文关注重力膜系统对于含藻水的处理效能,可以指导装置的设计优化;研究了重力膜污染特性、分析了膜污染机理,为重力膜的工程实际推广提供了理论支持。
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