膜前预处理工艺对缓解纳滤膜污染的研究

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饮用水安全关乎人们的生活水平和生命安全,保障饮用水水质是饮用水安全的目标之一。如今微污染水源水的水质污染以有机污染为主,常规的“混凝+沉淀+过滤+消毒”饮用水处理工艺对其处理难以满足优质安全的饮用水要求。纳滤(Nanofiltration,NF)作为一种安全、绿色和高效净水效能的新型水处理技术备受关注,膜污染是阻碍纳滤膜广泛应用的因素之一。本文以赣江原水为研究对象,探究天然原水中溶解性有机物对纳滤膜污染的影响;选择混凝、超滤和树脂三种方式作为预处理工艺,考察预处理方式缓解天然有机物对纳滤膜污染的影响;结合XDLVO理论、Hermia模型和Tansel模型,分析预处理工艺处理后有机物所导致的膜污染机理。主要的研究结果如下:通过三维荧光指数分析,赣江为自源溶解性有机物(Dissolved organic matter,DOM)占主导的天然水体,其中疏水性有机物占主导,所占比例为58.33%。利用NF90和NF270直接过滤赣江浓缩原水,探究天然原水对于纳滤膜的污染情况。结果表明,NF90和NF270对原水中有机物的UV254去除率分别为99.55%和90%,两者均能有效截留原水中有机物。同时有机污染物会堵塞膜孔并堆积于膜表面,造成一定程度的膜污染,其主要为腐殖质类物质、蛋白质类物质和多糖,且NF90膜表面有机物含量高于NF270,会产生更宽更高的酰胺带峰和宽圆形吸收带峰。选择混凝、超滤和树脂三种方式作为预处理工艺,考察预处理方式对天然有机物去除效果。当试验原水TOC和UV254值为5.366 mg/L和0.110 cm-1时,PACl混凝剂和MIEX树脂的最佳投加量分别为35 mg/L和25 ml/L。三种预处理出水中的有机物相对分子量主要集中在<10 k Da,其中树脂对于有机物截留效果最高,且TOC和UV254两者的整体去除趋势一致。然而预处理联用纳滤工艺下TOC和UV254两者的去除趋势不一致,这是因为UV254表征的是水中主要以腐殖质等疏水性有机物为代表的天然有机物含量,TOC则可以整体反映有机物含量。试验时间7 h下,比通量曲线和SEM结果均反映出三种预处理中树脂能够较好地缓解膜比通量下降,减少膜面有机物含量。预处理出水和NF出水的三维荧光谱图显示两者对于进水中有机物均具有一定的去除效果,其中混凝对富里酸等疏水性物质有着较好的去除效果,而混凝-NF出水的荧光峰主要在Ⅲ区,主要为富里酸类物质,去除部分腐殖质类物质;超滤则对于蛋白类物质具有较好的去除效果,减少水中极性基团(如氨基、羟基、羧基等),导致超滤出水发生微弱蓝移现象,而超滤-NF减缓了腐殖质类物质对纳滤膜的污染,出水的荧光峰位置发生明显的蓝移现象;树脂对于腐殖质类物质具有高效的去除效果,由于有机物芳香环数量的减少或链式结构的变化或高含量腐殖酸类物质的荧光屏蔽,从而致使树脂也出现蓝移现象,而树脂-NF出水的荧光峰主要出现在Ⅰ区的酪氨酸,去除部分蛋白质类物质和腐殖质类物质,导致峰位置也发生蓝移现象。FTIR显示膜表面堆积的有机物主要为蛋白质、氨基酸、脂肪族化合物和多糖,较于原水-NF而言,预处理工艺能够较好地去除腐殖酸类物质,降低峰值强度,减少有机物堆积于膜表面,尤其是树脂,可以有效地缓解膜污染程度,增加NF使用周期。对于赣江原水而言,NF前端的最佳预处理工艺为树脂,其次为超滤和混凝。利用XDLVO理论和膜污染模型,进一步探讨膜污染过程和机制。结果表明XDLVO理论没有较好地解释本研究中经混凝、树脂预处理工艺处理后有机物对纳滤膜污染的影响,这可能是因为以下三个方面:XDLVO理论未考虑离子作用和架桥作用的影响;非界面作用(如渗透通量、污染位点等)也会影响XDLVO理论的预测效果,即XDLVO理论更适用于预测发生在膜表面的污染或渗透通量较小时的膜污染机理;很难在复杂的多组分系统中清楚地分析分子本身、不同分子和分子-膜之间的复杂相互作用。同时通过Hermia模型分析发现,原水-NF主要污染机理为滤饼层污染,而预处理之后的膜污染机理主要为完全堵塞。较于Hermia模型而言,Tansel模型则更适合用于描述纳滤的污染过程。MFI指数和TSI指数计算均表明经过树脂预处理的纳滤膜污染潜能最小。
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