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题名: 絮体与超滤膜协同作用下的净水效能与机制
作者: 马百文
学位类别: 博士
答辩日期: 2015-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 曲久辉
关键词: 超滤膜 ; 表面预沉积 ; 腐殖质 ; 蛋白质 ; 膜污染控制,Ultrafiltration membrane ; Surface pre-deposition ; Humic substances ; Protein ; Membrane fouling control
其他题名: Ultrafiltration membrane purification efficiency and mechanism with the synergistic effect of flocs
学位专业: 环境工程
中文摘要:     超滤膜技术以其自身的优点,在水处理中的应用越来越广泛,但膜污染不可避免,一定程度上制约了膜效能发挥和膜技术的推广应用。因而,探索通过膜表面预处理和絮凝过程,调控膜-颗粒物作用行为的机制,以改进膜的运行周期和净水效果是本研究的核心问题。
    首先通过平板超滤膜,将不同种类铝盐或铁盐絮体以自然沉降方式预先沉积在超滤膜表面,考察了污染物的去除情况及膜的净水行为。结果表明与单独铁盐絮体相比,单独铝盐絮体能更好的去除腐殖质(HA)和蛋白质(BSA),较大程度地减缓膜污染,氯化铝效果尤为明显。当氯化铁和氯化铝以不同摩尔比复合后,随着其中铝盐摩尔比的增加,对 HA和BSA的去除率提高,并可有效地保护超
滤膜。与任一摩尔比复合的混合絮体相比,单独氯化铝絮体能更好地去除污染物,减缓膜污染。对氯化铝而言,絮体性质受 pH影响较大。较低pH时,氯化铝絮体的分形维数较小,但其絮体粒径更小,导致形成的沉积层相对致密,且此时超滤膜表面粗糙度较大。Zeta电位分析结果表明,低pH时氯化铝絮体的正电性更强,较容易吸附负电性的 HA和BSA分子,使低pH条件下去除HA和BSA效果更好,提高膜通量程度更大。
    预沉积铁盐絮体不能有效减缓膜污染,但纳米铁具有较大的比表面积,能大量吸附有机物。实验结果表明将纳米铁预先沉积在超滤膜表面后,HA能被大量去除,膜通量得以提高,预先沉积乙醇改性(增大纳米铁比表面积)的纳米铁后效果更好,但超滤膜表面预沉积纳米铁或改性纳米铁后容易导致出水铁浓度超出生活饮用水水质标准(0.3 mg/L,GB5749-2006)。
    以中空纤维膜为研究对象,以 HA为目标污染物,通过在膜池内曝气使氯化铝絮体预先悬浮于膜表面,进一步考察了该方法对超滤膜的保护作用。结果表明此时氯化铝絮体仍能有效吸附/截留 HA,跨膜压差增长缓慢。膜污染控制效果受絮体注入量、曝气位置、曝气方式和絮体注入方式等影响。注入絮体总量越大,吸附/截留  HA的效果越明显,保护超滤膜作用越显著。在远离膜池底部间歇曝气,即靠近中空纤维超滤膜组件底部时,尽管能有效缓解超滤膜表面滤饼层的累积,但是容易导致大量氯化铝絮体沉降在膜池底部而不发挥作用。在膜池底部连续曝气,即远离中空纤维超滤膜组件底部时,氯化铝絮体可充分悬浮于膜表面,膜污染程度降低。此外,将氯化铝絮体一次性注入膜池内,在运行过程中会出现絮体“老化”现象,并不能充分发挥作用,降低了氯化铝絮体保护膜的有效性。但如果将氯化铝絮体分批次注入时,则能保持絮体的活性,较大程度地发挥絮体的作用。同时整个运行期间,中空纤维超滤膜处理系统未排泥。
英文摘要:     Ultrafiltration (UF)  membrane  processes have  been  increasingly used  in water treatment, mainly due to  the superior and stable effluent quality. However,  membrane fouling  is  inevitable   and  is  still   a  major  impediment  to   broader  application  of membrane   technology.  Thus,   new   technology   should  be   explored   to   improve membrane performance after regulating  and controlling the effect between membrane surface and flocs/particles.
    Different kinds of  alum flocs or iron flocs were  pre-deposited onto the flat  sheet UF  membrane surface  to test  their  anti-fouling properties.  The  results showed  that alum flocs alone  performed better on  removing humic substances (humic  acids, HA) or protein  (bovine  serum albumin,  BSA) in  comparison to  that  of iron  flocs alone,especially  AlCl3 flocs.  When  different  mole ratios  of  the mixed  FeCl3/AlCl3  flocs were  pre-deposited onto  the  membrane surface,  membrane  performed better  in  the presence  of  higher  mole  ratio  of  alum.  For  AlCl3  flocs,  the  characteristics  were significantly influenced by solution  pH. Although the fractal dimension of  alum flocs was  smaller  under  lower  pH  conditions,   their  particle  sizes  were  much  smaller,resulting in a denser cake layer on the membrane  surface, of which the roughness was larger. In addition, the positive charge of alum flocs under lower pH values was higher, and negatively  charged HA or BSA molecules  were easily to  be adsorbed.  Thus, the pre-deposited membrane performed much better under lower pH conditions.
    The adsorption ability of nanozero  valent iron (NZVI) was better due to  its large specific surface  area. Although  the pre-deposited  iron flocs  alone performed  worse,NZVI was pre-deposited onto  the membrane surface followed by filtering  HA. It was presented that  HA was  largely removed  by the  pre-deposited NZVI  membrane, and the  membrane  flux  was  also   significantly  increased,  especially  when  NZVI  was modified by ethanol. However, Fe concentration in  the effluent could be exceeded the drinking water quality standards (0.3 mg/L, GB5749-2006).
    Further research was focused  on the hollow fiber UF membrane,  of which AlCl3 flocs were  pre-injected by air  sparging in  membrane tank.  HA could also  be largely removed   and  the   corresponding   membrane   fouling   was  alleviated.   Membrane performance  was  easy  to   be  influenced  by  the  concentration  of   alum  flocs,  air sparging position, air sparging mode  and injection mode of flocs,  etc. The more alum flocs  were   injected,  the   better  the   removal  efficiency   was  and   the  membrane performed. When  the position  of air  sparging was  far away  from the  bottom of  the membrane  tank and  intermittent  aeration  was used,  plenty  of  alum  flocs could  be settled, and could not  be made full use.  When the position of air  sparging was on the bottom of the  membrane tank and continuous  aeration was used, alum  flocs could be well  suspended in  the  membrane  tank and  membrane  fouling  was less  serious.  In addition, membrane  performed worse  once alum  flocs were  injected only  one time,owing to  more  alum flocs  “aged”. Transmembrane  pressure increased  slowly  when alum  flocs  were  pre-injected  in  batches.  Furthermore,  no   sludge  was  discharged during the whole operation time.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/34353
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马百文. 絮体与超滤膜协同作用下的净水效能与机制[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015.
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