超滤(UF)作为一种高效的水处理技术在水处理领域得到了广泛有效的应用,但由于膜污染会限制其应用,因此往往需要与其它工艺联用。混凝-超滤(C-UF)工艺可以显著提高有机物去除率并减轻超滤膜污染。聚合氯化铝(PAC)与聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)复合使用可以提高出水水质。而在C-UF工艺中PAC-PDMDAAC的混凝作用机制及混凝效果和絮体特性对超滤膜污染的影响尚未被系统研究。本文基于当前研究背景,配制不同参数的系列PAC-PDMDAAC复合产品,并对其作用机制进行深入研究,明确PAC的碱化度(B)、PDMDAAC的粘度(η)对PAC-PDMDAAC混凝作用机制的影响。同时结合有机污染物特性和形成絮体的特性研究了膜污染机制,探讨PAC-PDMDAAC处理不同特性水质时的混凝行为和形成絮体的特性对超滤膜污染的影响机制。分别构建混凝-超滤工艺和混凝-沉淀-超滤工艺,分析PAC-PDMDAAC的混凝行为、絮体特性和对超滤膜污染的影响。另外,PAC投加至水体后会水解为不同形态铝,包括单体铝形态(Ala)、铝的中聚体形态(Alb)、铝的高聚体形态(Alc)。将PAC水解后的三种形态铝分别与PDMDAAC复合并应用于C-UF对不同特性水质的处理,明确PAC中不同形态铝与PDMDAAC的作用机制和应用前景。本文的主要研究结果总结如下:(1)复合混凝剂结构形貌和特性的研究:本文选用六水合氯化铝和无水碳酸钠通过微量滴碱法合成PAC,随后与PDMDAAC进行复合得到PAC-PDMDAAC复合混凝剂,对其官能团、形貌特征和电荷密度等进行研究。结果表明,PAC与PDMDAAC复合后有助于提高混凝剂的电荷密度和分子量。且复合混凝剂中的铝形态分布发生了变化,呈长链枝权状,与PAC相比具有较多分支和更广的粒度分布。PAC复合PDMDAAC后的红外光谱图显示大部分吸收峰与PAC一致,但部分峰发生变化甚至消失。说明将PDMDAAC引入到PAC中并非是简单的物理混合,而是二者之间发生了一定的相互作用,形成了复合混凝剂。(2)PAC-PDMDAAC复合混凝剂混凝性能和作用机制的研究:采用不同B值的PAC与不同η值的PDMDAAC按不同质量比进行复合,结果表明随混凝剂中PAC的B值、PDMDAAC的η值和PDMDAAC含量的变化,其混凝作用机制存在明显差异。B值较低时,PAC-PDMDAAC在低投加量下主要发挥电中和作用,但随着投加量的增大容易出现胶体颗粒再次稳定现象。而B值较高时,混凝剂以电中和作用和吸附架桥作用为主要机理。PDMDAAC的η较大时,PAC-PDMDAAC低投加量下主要以吸附架桥作用为主要机理,随投加量的增大电中和作用逐渐增强。PAC-PDMDAAC处理腐殖酸(HA)和腐殖酸-蛋白质(HA-BSA)时以电中和作用和吸附架桥作用为主要机理;处理腐殖酸-多糖(HA-SA)和腐殖酸-蛋白质-多糖(HA-BSA-SA)时Al3+与SA分子形成的络合物也可发挥吸附架桥作用和网捕卷扫作用增强混凝效果。有机污染物浓度较低时,PAC可以发挥较好的混凝效果,但随着有机污染物浓度的增大,PAC的混凝效果明显下降。而PAC-PDMDAAC具有较强的电中和作用和吸附架桥作用,在有机物浓度较高时仍可发挥较好的混凝效果,具有更广泛的有机物浓度适用范围。(3)PAC-PDMDAAC复合混凝剂形成絮体特性的研究:与PAC相比,PAC-PDMDAAC形成的絮体粒径更大,结构更疏松。随PDMDAAC的含量的增大,PAC-PDMDAAC的吸附架桥作用增强,形成絮体的分支状结构更多。在HA-SA和HA-BSA-SA水样中,PAC-PDMDAAC形成的絮体与HA和HA-BSA水样中形成的絮体相比具有更快的生长速度和更大的粒径,且引入低剪切力时具有更好的恢复再生效果。而当有机污染物浓度过低和过高时,胶体颗粒会因为密度较低使碰撞几率较低和密度较高使静电斥力过大导致絮体恢复再生较差。复合PDMDAAC后,混凝剂可增大形成絮体的粒径和强度,并显著减轻污染物浓度对絮体特性的不利影响。在有机物浓度为20 mg·L-1和50 mg·L-1时PAC-PDMDAAC形成的絮体仍具有较强的抗剪切能力和恢复再生能力。(4)PAC-PDMDAAC复合混凝剂膜污染机制的研究:对于不同材质的超滤膜,混凝剂对膜污染的改善效果不同。对于表面能相对较大的再生纤维素(RC)膜,PAC-PDMDAAC可有效提高其膜通量,这是因为RC膜亲水性较好自身阻力较低,PAC-PDMDAAC可通过形成结构疏松的滤饼层减轻滤饼层阻力降低膜污染。对于含不同有机物的水样,造成膜污染的机理也不同。HA和HA-BSA水样造成膜污染的主要机制为膜孔堵塞和膜表面吸附造,且反冲洗后无法恢复的不可逆污染较严重,PAC-PDMDAAC主要通过降低滤饼层阻力缓解其膜污染;HA-SA和HA-BSA-SA水样引起膜污染的机制则为滤饼层的形成,PAC-PDMDAAC通过形成疏松多孔且容易被水力去除的滤饼层显著改善膜污染。且有机物浓度和滤饼层结构对膜污染影响较大,随水样中有机污染物浓度的增大,滤饼层结构逐渐密实膜通量逐渐降低,而PAC-PDMDAAC通过改善滤饼层结构并降低有机物浓度显著缓解膜污染并削弱污染物浓度膜污染的影响。(5)不同铝形态复合PDMDAAC混凝超滤行为机制的研究:Ala的主要混凝机理为电中和作用,Alb的主要混凝机理为电中和作用和吸附架桥作用,Alc则为吸附架桥作用和网捕卷扫作用。PDMDAAC作为阳离子高分子聚合物与Ala/Alb/Alc复合后分别增强Ala/Alb/Alc的吸附架桥作用和电中和作用。与Alb-PDMDAAC和Alc-PDMDAAC相比,Ala-PDMDAAC对有机物的去除效果更好,尤其对芳香烃结构有机物。混凝出水的残留铝主要以不稳定颗粒态铝存在但未达到我国水质标准(中华人民共和国国家标准GB/T5750.6-2006)的浓度要求。而超滤过程可有效降低出水残留铝含量,Ala-PDMDAAC通过在膜表面形成疏松多孔的滤饼层可有效控制超滤出水残留铝浓度并缓解超滤膜污染。对于不同比紫外吸收率(SUVA)的水样,其混凝性能和引起膜污染的机制不同。SUVA值较大的水样由于所含疏水性有机物较多容易被膜表面吸附引起较大的滤饼层阻力,导致可逆污染增大。SUVA值较小的水样中较多的亲水性小分子有机物难以被混凝去除,且容易进入膜孔造成膜孔堵塞增大不可逆污染。Ala-PDMDAAC通过电中和作用和吸附架桥作用充分捕捉大分子疏水性有机物并进一步网捕小分子亲水性有机物,在降低有机物浓度的同时可在膜表面形成疏松的滤饼层,能有效降低可逆污染和不可逆污染。