反冲洗水化学组成对超滤膜不可逆污染的影响

摘要

超滤技术是应对日益严峻的水危机及满足日益严格的水质标准的理想技术之一，然而膜污染始终限制着超滤技术的大规模推广应用。不可逆膜污染因其关系着生产的运行稳定性而为城市大型饮用水净水厂所关注。采用有效的水力反冲洗以控制不可逆污染，可减少化学药剂的使用，并延长膜使用寿命，对于超滤技术在水处理领域的推广应用具有重要意义。然而，在饮用水处理领域，水力反冲洗只是作为超滤膜日常运行的一项基本操作，有关其对不可逆膜污染的影响尚缺乏系统的研究。
　　本文首先对反冲洗效果的关键影响因素进行解析。以超滤膜出水作为反冲洗用水，考察了污染物类型、预处理和反冲洗操作条件对反冲洗效果的影响。结果表明，超滤出水反冲洗可有效去除无机颗粒、酵母悬浮颗粒以及完整藻细胞，而对超滤膜有机污染的去除效率较低，但是颗粒物的存在一定程度上提高了有机物的反冲洗效率。预处理方式（预过滤、混凝、吸附和氧化）通过改善进水水质，一定程度上缓解了超滤膜的总污染，进而降低了不可逆膜污染；反冲洗效率受预处理形式的影响较大，其中混凝在提高反冲洗效率和降低不可逆污染方面最为有效。通过优化反冲洗时间、频率和强度等操作条件，反冲洗效果虽有一定程度的提升，但是提升空间不大（尤其当以有机污染为主时），并由生产实践证实。
　　其次，针对常规水力反冲洗难以去除的有机污染，考察了当超纯水、超滤出水、氯化钠溶液、氯化钙溶液和有机物溶液（即腐殖酸或海藻酸钠）作为反冲洗水时超滤膜的不可逆污染特性。结果表明，反冲洗水组分显著影响反冲洗效果。采用超滤出水或氯化钙溶液作为反冲洗水时，反冲洗效果较差；超纯水反冲洗可在一定程度上控制膜污染，反冲洗水中一价阳离子（即Na+）或有机组分（即腐殖酸或海藻酸钠）的存在，能够有效缓解腐殖酸或海藻酸钠污染。不同组分反冲洗水清洗后，超滤膜的傅里叶红外光谱结果、总表面张力以及跨膜流动电位系数与（不可逆）污染特性相吻合。膜特性对超滤膜污染的水力不可逆污染具有显著影响（p＜0.05），聚偏四氟乙烯（PVDF）膜的不可逆污染污染最重，其次是聚醚砜（PES）膜，最轻的是醋酸纤维素（CA）膜，并且较大孔径的超滤膜相比于小孔径超滤膜更易遭受不可逆污染。统计分析显示，相对于膜特性，反冲洗水组分对水力反冲洗效率影响更显著。在反冲洗过程中，膜上有机污染物的去除和Ca2+的释放是同步的，水力不可逆污染的程度与残留污染物的含量显著相关，而膜上残留污染物（如腐殖酸或海藻酸钠）含量又与残留Ca2+含量密切相关。水力反冲洗缓解膜污染涉及多种机理，纯水或有机物溶液反冲洗效果较好，可由压缩双电层机理的释放来解释，而一价阳离子的反洗效果更好是由于离子交换作用，腐殖酸溶液反冲洗还由于存在竞争络合而表现出比纯水反冲洗更高的效果。
　　根据以上结论，从离子价态、盐类型、盐浓度、温度、过滤通量和反冲洗工况等方面，进一步考察了盐溶液反冲洗对超滤膜有机污染控制的适应性。结果表明，反冲洗水中存在的多价（二价或三价）阳离子均恶化反冲洗效效果，但是反冲洗水中这些阳离子含量（如Ca2+）只有达到一定浓度时才显著恶化反冲洗效率。不同类型的一价盐溶液均可有效缓解有机物引起的膜污染，并且一价盐溶液优异的反冲洗效果不受膜材质（PES、PVDF或CA膜）的影响，同时一价盐溶液较高的反冲洗效率由河水和二沉池出水证实。采用一价盐溶液反冲洗时，在一定浓度范围内（如小于50mmol/L），反冲洗效率随盐浓度的增加而增加，低浓度（如1mmol/L）的盐溶液即可有效控制膜污染，在特别高的离子强度下（600mmol/L），反冲洗效率由于电荷屏蔽效应而略有下降，但仍优于超纯水反冲洗。一价盐溶液反冲洗能够在低温及高通量情况下仍保持较高的反冲洗效率，且其优异的反冲洗效率不受温度和过滤通量的影响，但过滤通量对超滤出水的反冲洗效率影响较为显著。在考察的反冲洗强度和频率下，一价盐溶液均可维持良好稳定的反冲洗效果；只有在反冲洗时间过短时，才出现反冲洗效率的下降。涉及温度、过滤通量和反冲洗运行参数等因素的反冲洗实验均证实了盐溶液反冲洗相对于超滤出水反冲洗更好的不可逆膜污染控制效果。
　　本论文研究了水力反冲洗的水量与水质两方面对超滤膜水力不可逆污染的影响，并提出了可采用一价盐溶液反冲洗来控制超滤膜有机污染，研究成果可以为超滤膜不可污染控制提供技术支持。

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第1章 绪 论

1.1 超滤膜的不可逆污染

1.2 超滤膜反冲洗

1.3 研究目的与意义

1.4 研究内容与技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 超滤装置及膜污染评价方法

2.3 分析检测方法

第3章 水力反冲洗效果的关键影响因素解析

3.1 引言

3.2 污染物类型对水力反冲洗效率的影响

3.3 预处理方式对反冲洗效果的影响

3.4 反冲洗操作条件对反冲洗效果的影响

3.5 水力反冲洗效果总结

3.6 本章小结

第4章 反冲洗水组分对超滤膜有机不可逆污染的控制研究

4.1 引言

4.2 不同反冲洗组分下超滤膜的污染情况

4.3 不同组分反冲洗水清洗后超滤膜的表征

4.4 反冲洗水组分对膜上残留污染物的影响

4.5 膜特性对腐殖酸引起的超滤膜不可逆污染的影响

4.6 本章小结

第5章 盐溶液强化反冲洗对超滤膜有机不可逆污染的控制

5.1 引言

5.2 反冲洗水中离子价态对超滤膜有机污染的影响

5.3 盐浓度对盐反冲洗效果的影响

5.4 盐类型对盐反冲洗效果的影响

5.5 温度对盐反冲洗效果的影响

5.6 过滤通量对盐反冲洗效果的影响

5.7 不同反冲洗工况下盐反冲洗的效果

5.8 本章小结

结论

展望：

创新点：

参考文献

攻读博士期间发表的论文及其他成果

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