电化学预氧化耦合超滤处理含藻水的效能研究

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水体富营养化引起的藻类爆发对于人居环境和饮水安全有着巨大的威胁。含藻水中的藻细胞对于饮用水处理过程中的混凝过滤工艺有着较大的影响。此外藻类释放的各类有害物质如消毒副产物前驱物和微囊藻毒素等,在水环境中存在稳定且通过常规工艺难以去除。而超滤工艺尽管有着良好的固液分离效果,对于含藻水有着很好的净化作用,但是藻细胞在膜表面沉积所产生的膜污染是限制超滤工艺发展的主要原因。而电化学氧化作为一种低污染的环境友好型技术对于藻细胞有着良好的灭活作用,因此本论文引入电化学预氧化工艺,来探究电化学预氧化耦合超滤的组合工艺对于含藻水的处理效能。本课题首先通过设置不同的电化学预氧化时间来探究电化学强度对于PVDF和PES两种超滤膜处理含藻水混合体系的效能影响,并通过过滤的比通量曲线和可逆与不可逆阻力的变化来考察膜污染的缓解情况,同时引入混合污染模型来对不同处理条件下的过滤效果进行评价。另外,本课题通过检测电化学预氧化前后藻细胞颗粒的改性情况,超滤膜表面的界面情况,出水的荧光物质变化情况以及出水的亲疏水分级情况来深入地分析探讨组合工艺处理含藻水的机理,最后发现掺硼金刚石(boron-doped diamond,BDD)电极会优先氧化去除含藻水中的疏水性有机物和荧光类物质,使得含藻水体系的亲水性逐渐加强,同时减小藻细胞颗粒之间、藻细胞和膜之间的粘附作用,从而在超滤过程中获得更加疏松的滤饼层,这有利于减少膜污染和提高超滤的产水效果。为了深层次探究不同组分对于超滤膜污染的贡献情况,本课题将含藻水中藻源有机物和藻细胞颗粒分离,并分别在不同工况下使用组合工艺对其进行处理,通过对比分析可以发现在含藻水混合体系中藻细胞颗粒和胞外有机物之间存在协同污染的作用,藻源有机物会填补在藻细胞颗粒空隙间形成更加致密的滤饼层污染,这也解释了提高电化学预氧化强度时,含藻水混合体系膜污染没有进一步缓解作用这一现象。同时,通过对出水水质的对比分析可以发现超滤过程中滤饼层的产生尽管会带来严重的膜污染,但同时也能通过预过滤作用加强超滤对于小分子有机污染物质的截留作用,在电化学预氧化作用使得滤饼层消失后,超滤工艺对于EOM中各有机污染物质的去除率大大降低。但是电化学预氧化作用会在一定程度上改变滤饼层的性质,使得这种预过滤作用明显降低,在电化学处理30min后,两种超滤膜表面滤饼层对于小分子有机物的截留率从48.21%和49.33%降至28.13%和26.51%。除此之外,本课题通过扫描电镜和流式细胞术分析了电化学预氧化对于含藻水中藻细胞表面形态和受损情况的影响。BDD阳极所产生的·OH对于藻细胞有很好的灭活效果,短时间失活细胞从16.5%增至87.85%,而失活后的藻细胞表面形态相对完好,并没有发生严重的有机物释放现象。但是更长时间的氧化则可能会严重破坏其内部结构,使得细胞膜严重受损,大大提高含藻水中有机物质的浓度。失活的藻细胞在超滤过程中受到挤压后会产生更为严重的有机物释放,然而灭活后持续释放的量并没有超过超滤膜的吸附能力。本论文提出电化学预氧化耦合超滤处理的组合工艺,并设置不同电解时间来探究其处理含藻水的膜污染缓解效能和净水效能。同时通过各种表征和检测结果系统地分析探讨组合工艺处理含藻水的作用机理,并对处理过程中藻细胞失活和破裂问题、滤饼层强化截留问题以及滤饼层有机物释放问题等进行了专门的分析研究,得出了组合工艺在实际应用和运行过程中具有指导意义的结论和建议。
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