基于梯度过滤的膜污染潜势评估方法研究

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压力驱动膜法水处理技术(微滤、超滤、纳滤、反渗透)具有出水水质稳定优良、膜组件易于模块化设计组装、结构紧凑占地面积小、自动化运行程度高等优势,近年来在国内外逐步开展了规模化工程应用。膜污染高效防控是提高该技术经济性的关键。准确快速评估进水膜污染潜势对膜污染的高效防控意义重大。本研究以单一和组合膜污染模型分析为基础,通过不同浓度模型污染物的梯度过滤(微滤→超滤→纳滤)试验优化建立梯度过滤膜污染潜势定量评估方法,并初步应用于实际工业废水的膜污染潜势评估。主要研究结果如下:地表原水直接超滤和混凝后超滤的浊度、溶解性有机碳(Dissovled Organic Carbon,DOC)、254 nm紫外光吸收度(UV254)的平均截留率分别为98.6%和89.1%、3.8%和3.0%、55.5%和52.2%,混凝主要去除水中的浊度物质。地表水超滤过程中四种单一膜污染模型(完全/标准/中间堵塞、滤饼层)均拟合良好(R2>0.96),采用组合模型分析只有完全堵塞-滤饼层组合模型拟合良好(R2>0.99),表明单一膜污染模型容易产生统计学假象因而无法真实地描述多种污染机理同时发生的实际地表水超滤过程,因此膜污染潜势评估应以组合膜污染模型为基础。梯度过滤中微滤膜(0.45μm)、超滤膜(100 k Da)、纳滤膜(300 Da)对高岭土溶液、海藻酸钠和牛血清蛋白混合溶液、腐殖酸溶液的截留率分别为90.0%、69.0%、98.3%,滤饼层为主导机理,且污染物浓度与单一模型污染指数数值成线性正相关关系,因此可分别定量评估悬浮颗粒、有机胶体和溶解性有机物的膜污染潜势。组合模型分析5 mg/L和10 mg/L的模型污染物梯度过滤结果表明,微滤过程并不是滤饼层占主导污染机理,这可能与微滤进水溶液中污染物与污染物之间的相互作用(如非共价作用和空间效应等)有关。超滤和纳滤过程都是滤饼层占主导污染机理,且各级膜污染指数均与其进水水质指标呈现显著正相关关系,从而建立基于梯度过滤的膜污染潜势评估方法。高/低DOC浓度的印染废水MBR上清液梯度过滤中除了低DOC印染废水微滤不是滤饼层占主导污染机理外,其余过滤过程都是滤饼层占主导污染机理。高/低印染废水超滤进水UV254分别为1.76 cm-1和1.11 cm-1,超滤膜对UV254截留率分别为9.9%和5.8%,对应微滤出水的超滤膜污染指数分别为15.05和7.64 m-1;梯度过滤中超滤出水DOC分别为28.55 mg/L和23.22 mg/L,纳滤膜对DOC截留率分别为57.8%和81.2%,对应超滤出水的纳滤膜污染指数分别为3.75和2.80 m-1,显示梯度过滤中各级膜的滤饼层污染指数与其进水水质指标呈现显著正相关关系。不同电镀废水梯度过滤也有类似结果,初步证实了基于梯度过滤的膜污染潜势评估方法的可行性。该方法除适用于反渗透工艺外,也可应用于超滤和纳滤工艺的进水膜污染潜势评估。
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