纳滤膜对溶解性有机物的分离及膜通量衰减机制研究

摘要

纳滤（NF）是可应用于生活污水回用处理和饮用水深度处理的重要工艺之一，然而，膜污染是限制NF膜产业化和广泛应用的主要瓶颈。本文针对NF分离天然水源水（ReservoirWater，RW）和生活污水二级生化出水（Effluent Water，EfW）过程中由于溶解性有机物（DOM）造成的不同的膜通量衰减趋势，通过解析DOM的特征差异，揭示NF膜污染机理及膜通量衰减机制，进而针对性研究适应处理不同 DOM的NF膜分离预处理技术，最终确定最佳的缓解或者控制膜通量衰减的NF处理技术，为其低耗高效运行提供理论基础和技术支持。
　　研究了不同纳滤膜对污染物的截留效果及其膜通量衰减规律。结果表明：与NF90-2540膜相比，TW30-1812-50NF膜具有较高的TOC和细菌总数去除率，且其膜通量衰减速率较慢。在相同的DOC条件下，NF分离不同水质时污染物的截留效率和膜通量衰减特征具有显著差异：分离 RW时比分离 EfW时具有较高的TOC去除率和较低的膜通量衰减速率，且其出水具有较低的细菌总数。
　　在分析了不同水质条件下，NF膜中有机物污染、生物型污染和浓差极化现象对膜通量衰减的影响机制。结果表明：DOM浓度及组成和特性是造成有机物膜污染的主要因素，对于RW，DOM中的大分子有机物（<100 kDa）是造成膜分离初期膜通量衰减的首要原因，而小分子有机物（<3 kDa）会促使膜通量在过滤后期急剧下降；相比较而言，EfW中小分子和大分子有机物在整个过滤阶段均直接影响膜通量衰减速率。不同水质中共存金属离子也是影响膜通量衰减的因素之一， NF过滤实验表明，共存钙离子和铝离子的浓度越大，膜通量衰减速率越严重。生物污染在NF分离EfW过程中较为显著，其造成的膜表面细菌总数比RW的高两个数量级。不同水质DOM也会造成NF膜表面浓差极化的差异，二级出水膜表面浓差极化较天然水源水严重。
　　根据不同水质DOM造成的NF膜通量衰减差异，通过解析DOM的分子量分布、亲疏水性及组成和含量，揭示了DOM影响NF膜污染机理。结果表明：RW中的DOC分子量分布大于100 kDa的占33.2％，小于3 kDa占40.8%，疏水性物质含量比亲水性物质多，且多为富里酸和腐殖酸类物质；EfW中的DOC分子量分布以小分子物质为主，小于3 kDa的含量占总有机物的68.2%，亲水性物质比疏水性物质多，主要成分是腐殖酸类物质。
　　结合不同水质DOM的特征及其影响NF膜通量衰减规律，考察了典型预处理方式，包括砂滤、微滤、混凝沉淀和臭氧氧化，对DOC的去除效果以及缓解 NF膜污染的效应。结果表明，对于RW而言，通过微滤预处理后膜比通量提高约17%；而对EfW，单一的预处理方式都不能有效地提高膜通量，PACl+MF联合处理对EfW的TOC和UV254去除率分别是52.7%和58.4%；膜比通量提高约19%，有效地缓解了膜污染。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 纳滤膜技术的应用现状及研究进展

1.3 纳滤膜过程中的浓差极化与膜污染

1.4 水环境中的溶解性有机物

1.5 研究目的和研究内容

第2章 试验装置与方法

2.1 纳滤膜装置

2.2 预处理实验材料和装置

2.3 污染物分析方法

第3章 NF膜截留效能研究及膜通量衰减变化

3.1 NF膜的优选

3.2 纳滤膜膜通量衰减变化研究

3.3 本章小结

第4章 DOM对膜污染过程的影响

4.1 有机物分子量分布

4.2 有机物亲疏水性

4.3 有机物组分与含量

4.4 本章小结

第5章 预处理对DOM的去除效果研究

5.1 混凝和臭氧氧化条件的选择

5.2 预处理对有机物去除效能影响

5.3 预处理对膜通量衰减的影响

5.4 膜污染分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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