隨著越來(lái)越嚴(yán)峻的水資源短缺,污水回收利用被認(rèn)為是水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。目前超濾技術(shù)已被用于污水處理廠二沉池出水的深度處理,但二沉池出水有機(jī)物(Effluent Organic Matter,EfOM)造成的不可逆膜污染成為限制其大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。識(shí)別EfOM中的主要膜污染組分,揭示膜污染機(jī)理,從而通過(guò)預(yù)處理手段有效控制膜污染,成為二沉池出水膜濾深度處理當(dāng)下所面臨的技術(shù)關(guān)鍵。本研究以武漢某城市污水處理廠二沉池出水為對(duì)象,采用在線混凝-超濾聯(lián)合工藝深度處理二沉池出水。利用樹(shù)脂提取和多種表征手段識(shí)別EfOM主要成分及特性;借助XDLVO理論從微觀作用力角度闡述EfOM中典型污染物腐殖酸(Humic Acid,HA)與牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)交互作用對(duì)膜污染的影響機(jī)制;接著探索了典型污染物HA、BSA、海藻酸鈉(Sodium Alginate,SA)和Ca~(2+)的混凝機(jī)制,針對(duì)絮體形態(tài)與多項(xiàng)膜污染指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行顯著分析。本研究成果有助于解析實(shí)際二沉池出水的膜污染機(jī)理,可為混凝-超濾深度處理二沉池出水提供工藝指導(dǎo),具有應(yīng)用價(jià)值,得到的主要結(jié)論如下:(1)華中地區(qū)武漢某污水處理廠二沉池出水成分表征顯示,二沉池出水主要有四種熒光組分,包括陸源性腐殖酸類、類色氨酸蛋白質(zhì)、類酪氨酸蛋白質(zhì),以及與內(nèi)源有關(guān)的氧化腐殖質(zhì)。該二沉池出水中芳香官能團(tuán)的紫外特征吸收值較低,蛋白質(zhì)和微生物代謝產(chǎn)物熒光強(qiáng)度更大,且分子量主要分布在1k~10k Da范圍,與西北、華北、華東地區(qū)污水廠二沉池出水成分特性存在明顯差異。(2)直接超濾膜污染研究顯示,當(dāng)?shù)湫臀廴疚颒A:BSA=1:1混合時(shí),HA與BSA的交互作用能增強(qiáng)HA與聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)膜表面的范德華作用力和極性作用力,同時(shí)UV_(254)去除率從45.2%提高至67.2%,水力可逆膜污染比例增大至80%以上;低濃度SA(0.2 mg/L)時(shí)其特有的凝膠結(jié)構(gòu)導(dǎo)致濾餅層有較好的水力清洗效果,但高濃度SA(0.5 mg/L)可引起污染物與膜界面極性作用力的明顯上升,化學(xué)可逆膜污染占比從7.5%陡然升至60.4%;無(wú)機(jī)污染物Ca~(2+)主要通過(guò)增強(qiáng)HA與膜表面吸附的極性作用力,引起化學(xué)可逆膜污染比例從7.5%升高至47.7%。(3)HA與BSA交互作用會(huì)影響HA與混凝劑Al_(13)的絡(luò)合反應(yīng),絮體強(qiáng)度因子從原先67.1%下降至45.2%,導(dǎo)致水力可逆膜污染比例從40.5%增大至66.1%;混凝中SA通過(guò)羧基的配位反應(yīng)破壞Al_(13)的Keggin結(jié)構(gòu),削弱Al_(13)混凝電性中和機(jī)理,但其交聯(lián)能力有效促進(jìn)AlCl_3絮體生長(zhǎng),絮體強(qiáng)度因子從49.2%上升至62.9%;無(wú)機(jī)污染物Ca~(2+)通過(guò)絡(luò)合及架橋作用強(qiáng)化混凝效果,導(dǎo)致AlCl_3絮體強(qiáng)度因子從49.2%提高至57.5%,生成強(qiáng)度高且結(jié)構(gòu)疏松多孔的濾餅層,但同時(shí)Ca~(2+)絡(luò)合作用可導(dǎo)致Al_(13)絮體化學(xué)可逆膜污染增至初始的4.1倍。絮體形態(tài)與膜污染的相關(guān)性研究顯示,絮體尺寸越大,膜污染越嚴(yán)重,AlCl_3混凝劑絮體生長(zhǎng)速率(1.2μm/s)明顯高于Al_(13)混凝劑(0.5μm/s),因此Al_(13)體現(xiàn)出更好的膜污染控制效果。(4)采用在線混凝-超濾聯(lián)合工藝對(duì)實(shí)際武漢某污水處理廠二沉池出水的膜污染控制開(kāi)展研究,膠體有機(jī)物是實(shí)際二沉池出水中膜污染的主要來(lái)源,濾餅層過(guò)濾模型為主要膜污染模型。實(shí)驗(yàn)室小試數(shù)據(jù)表明,在線混凝-超濾聯(lián)合工藝中宜采用堿化度為2.2的PACl(Al_(13)含量93.9%),建議選擇0.12 mmo/L投藥量和150~200μm絮體尺寸范圍,以期獲得較好的膜污染控制效果。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

2圖 1-1 城市污水處理廠二沉池出水有機(jī)物 EfOM 中污染物的來(lái)源[2]Figure 1-1 The origin of EfOM from wastewater treatment plant[2]城市污水處理廠 EfOM 中污染物的來(lái)源及組成如圖 1-1 所示。根據(jù)顆粒物尺寸是否大于 0.45μm，分成溶解態(tài) EfOM 成分和顆粒態(tài) EfOM 成分。顆粒態(tài) EfOM 成分主要包括藻類物質(zhì)、原生動(dòng)物、菌叢、微生物代謝廢物以及一些其他混雜的顆粒碎片[12]。溶解性 EfOM 主要成分有：源自飲用水水源的溶解性天然有機(jī)物 NOM；產(chǎn)生自生物處理階段的溶解性微生物產(chǎn)物 SMPs；工業(yè)生產(chǎn)或個(gè)人家庭生活中產(chǎn)生的痕量有

圖 1-2 不同預(yù)處理?xiàng)l件下膜表面的 SEM 圖：小分子量 PAM 直接過(guò)濾（D1）；大分子量 PAM直接過(guò)濾（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]絮體產(chǎn)生的膜污染阻力，主要是濾餅層阻力（CakeResistance，Rc）和吸附阻力（Adsorption Resistance，Ra），其中 Ra是不可逆污染的主要來(lái)源[128]。絮體與膜表面作用產(chǎn)生的阻力 Ra受絮體與膜材料之間的疏水、靜電和吸附作用的影響。例如，電性中和機(jī)理生成的 Al13腐殖酸絮體由于表面電荷密度強(qiáng)度高，能有效緩解 Ra阻力[129]；憎水性有機(jī)物絮體表面官能團(tuán)易與親水膜表面發(fā)生靜電吸附[128]；高價(jià)態(tài)陽(yáng)離子如 Al3+、Fe3+能夠在膜表面吸附改變膜表面電荷分布，引起通量下降。膜混凝工藝中的混凝絮體特性，如絮體尺寸、絮體強(qiáng)度以及分型維數(shù)，對(duì)濾餅層阻力有重要影響[130]。電性中和機(jī)理生成的絮體強(qiáng)度（Sf=45.21）大于網(wǎng)捕卷掃機(jī)理生成的絮體強(qiáng)度（Sf=44.58），形成的濾餅層抗壓性更好，利于緩解膜污染[90]；同時(shí)

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文2 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行參數(shù)2.1.1 分級(jí)提取裝置分級(jí)提取系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分：微濾系統(tǒng)、離子交換裝置、濃縮系統(tǒng)、透析系統(tǒng)和樹(shù)脂分級(jí)系統(tǒng)。具體分級(jí)提取流程圖如圖 2-1 所示，分級(jí)系統(tǒng)所采用的材料規(guī)格如表 2-1 所示。

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本文編號(hào)：2830906