二沉池出水有机物混凝机制与膜污染控制研究

发布时间：2020-09-30 13:34

　　随着越来越严峻的水资源短缺,污水回收利用被认为是水资源可持续发展的重要途径。目前超滤技术已被用于污水处理厂二沉池出水的深度处理,但二沉池出水有机物(Effluent Organic Matter,EfOM)造成的不可逆膜污染成为限制其大规模应用的技术瓶颈。识别EfOM中的主要膜污染组分,揭示膜污染机理,从而通过预处理手段有效控制膜污染,成为二沉池出水膜滤深度处理当下所面临的技术关键。本研究以武汉某城市污水处理厂二沉池出水为对象,采用在线混凝-超滤联合工艺深度处理二沉池出水。利用树脂提取和多种表征手段识别EfOM主要成分及特性;借助XDLVO理论从微观作用力角度阐述EfOM中典型污染物腐殖酸(Humic Acid,HA)与牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)交互作用对膜污染的影响机制;接着探索了典型污染物HA、BSA、海藻酸钠(Sodium Alginate,SA)和Ca~(2+)的混凝机制,针对絮体形态与多项膜污染指标之间的相关性进行显著分析。本研究成果有助于解析实际二沉池出水的膜污染机理,可为混凝-超滤深度处理二沉池出水提供工艺指导,具有应用价值,得到的主要结论如下:(1)华中地区武汉某污水处理厂二沉池出水成分表征显示,二沉池出水主要有四种荧光组分,包括陆源性腐殖酸类、类色氨酸蛋白质、类酪氨酸蛋白质,以及与内源有关的氧化腐殖质。该二沉池出水中芳香官能团的紫外特征吸收值较低,蛋白质和微生物代谢产物荧光强度更大,且分子量主要分布在1k~10k Da范围,与西北、华北、华东地区污水厂二沉池出水成分特性存在明显差异。(2)直接超滤膜污染研究显示,当典型污染物HA:BSA=1:1混合时,HA与BSA的交互作用能增强HA与聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)膜表面的范德华作用力和极性作用力,同时UV_(254)去除率从45.2%提高至67.2%,水力可逆膜污染比例增大至80%以上;低浓度SA(0.2 mg/L)时其特有的凝胶结构导致滤饼层有较好的水力清洗效果,但高浓度SA(0.5 mg/L)可引起污染物与膜界面极性作用力的明显上升,化学可逆膜污染占比从7.5%陡然升至60.4%;无机污染物Ca~(2+)主要通过增强HA与膜表面吸附的极性作用力,引起化学可逆膜污染比例从7.5%升高至47.7%。(3)HA与BSA交互作用会影响HA与混凝剂Al_(13)的络合反应,絮体强度因子从原先67.1%下降至45.2%,导致水力可逆膜污染比例从40.5%增大至66.1%;混凝中SA通过羧基的配位反应破坏Al_(13)的Keggin结构,削弱Al_(13)混凝电性中和机理,但其交联能力有效促进AlCl_3絮体生长,絮体强度因子从49.2%上升至62.9%;无机污染物Ca~(2+)通过络合及架桥作用强化混凝效果,导致AlCl_3絮体强度因子从49.2%提高至57.5%,生成强度高且结构疏松多孔的滤饼层,但同时Ca~(2+)络合作用可导致Al_(13)絮体化学可逆膜污染增至初始的4.1倍。絮体形态与膜污染的相关性研究显示,絮体尺寸越大,膜污染越严重,AlCl_3混凝剂絮体生长速率(1.2μm/s)明显高于Al_(13)混凝剂(0.5μm/s),因此Al_(13)体现出更好的膜污染控制效果。(4)采用在线混凝-超滤联合工艺对实际武汉某污水处理厂二沉池出水的膜污染控制开展研究,胶体有机物是实际二沉池出水中膜污染的主要来源,滤饼层过滤模型为主要膜污染模型。实验室小试数据表明,在线混凝-超滤联合工艺中宜采用碱化度为2.2的PACl(Al_(13)含量93.9%),建议选择0.12 mmo/L投药量和150~200μm絮体尺寸范围,以期获得较好的膜污染控制效果。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X703
【部分图文】：

城市污水处理厂,二沉池出水,污染物,有机物

2图 1-1 城市污水处理厂二沉池出水有机物 EfOM 中污染物的来源[2]Figure 1-1 The origin of EfOM from wastewater treatment plant[2]城市污水处理厂 EfOM 中污染物的来源及组成如图 1-1 所示。根据颗粒物尺寸是否大于 0.45μm，分成溶解态 EfOM 成分和颗粒态 EfOM 成分。颗粒态 EfOM 成分主要包括藻类物质、原生动物、菌丛、微生物代谢废物以及一些其他混杂的颗粒碎片[12]。溶解性 EfOM 主要成分有：源自饮用水水源的溶解性天然有机物 NOM；产生自生物处理阶段的溶解性微生物产物 SMPs；工业生产或个人家庭生活中产生的痕量有

直接过滤,预处理条件,大分子量,小分子量

图 1-2 不同预处理条件下膜表面的 SEM 图：小分子量 PAM 直接过滤（D1）；大分子量 PAM直接过滤（D2）；Al2(SO4)3混凝+小分子 PAM 助凝（D3）；Al2(SO4)3混凝+大分子 PAM 助凝（D4）[10]Figure 1-2 The section images of membrane surface with different PAM pretreatment[10]絮体产生的膜污染阻力，主要是滤饼层阻力（CakeResistance，Rc）和吸附阻力（Adsorption Resistance，Ra），其中 Ra是不可逆污染的主要来源[128]。絮体与膜表面作用产生的阻力 Ra受絮体与膜材料之间的疏水、静电和吸附作用的影响。例如，电性中和机理生成的 Al13腐殖酸絮体由于表面电荷密度强度高，能有效缓解 Ra阻力[129]；憎水性有机物絮体表面官能团易与亲水膜表面发生静电吸附[128]；高价态阳离子如 Al3+、Fe3+能够在膜表面吸附改变膜表面电荷分布，引起通量下降。膜混凝工艺中的混凝絮体特性，如絮体尺寸、絮体强度以及分型维数，对滤饼层阻力有重要影响[130]。电性中和机理生成的絮体强度（Sf=45.21）大于网捕卷扫机理生成的絮体强度（Sf=44.58），形成的滤饼层抗压性更好，利于缓解膜污染[90]；同时

示意图,分级提取,流程,分级系统

华中科技大学博士学位论文2 实验材料与研究方法2.1 实验装置及运行参数2.1.1 分级提取装置分级提取系统主要包括五个部分：微滤系统、离子交换装置、浓缩系统、透析系统和树脂分级系统。具体分级提取流程图如图 2-1 所示，分级系统所采用的材料规格如表 2-1 所示。

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