污水再生纳滤工艺中膜污染动态行为与过程解析

• 作 者: 李梦晨
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 污水再生利用 纳滤 膜污染 动态行为 统计学分析

污水再生利用是解决水资源短缺问题的有效对策,纳滤技术是生产高品质再生水的重要方法之一。然而,膜污染现象限制了纳滤工艺的广泛应用。针对已有研究对实际纳滤膜污染的动态发展过程和定量机理解析的不足,本研究以城市污水厂二级出水为原水,全面解析了纳滤膜污染动态发展过程,对比了纳滤工艺不同空间位置膜污染的差异,建立了膜污染的统计学分析方法,进而定量解析不同种类污染物对膜污染的贡献率,客观划分膜污染阶段,并解析各阶段膜污染的主要特征。研究表明,在纳滤膜污染的初始阶段,以二氧化硅为重要成分的凝胶层形成,且蛋白质类物质优先吸附到膜表面,使得膜表面的疏水性显著增加,其它种类污染物更易附着。随后污染层中多糖和钙占比持续增加,在膜污染发展过程中起到重要作用。随着膜污染发生,污染物的附着也改变了膜表面的理化特性,使负电荷减少、粗糙度增加。在膜污染前期,膜阻力的增加来源于污染物的累积和污染层致密度的增加;而在膜污染后期,膜阻力主要来源于污染层致密度的不断增加。在纳滤工艺的一段始端、二段始端和二段末端三个位置,原水中污染物的含量逐渐增加,导致膜污染过程存在差异。研究发现从一段始端至二段末端,膜污染速率和污染层致密度逐渐增加。在一段始端的膜污染层中有机污染物的组成变化最明显,但污染层稳定时不同位置污染层表面理化特性差异较小。此外,发现有机、无机、生物污染在不同位置发生的显著性不同,生物量在一段始端大,而有机和无机污染物的量在二段末端最大。本研究建立了一系列针对膜污染动态发展过程定量研究的统计学方法。基于方差分解分析,建立并优化了定量计算三类污染物对膜污染贡献度的方法。发现随纳滤膜位置从始端到末端,有机污染始终较为重要,无机污染不断增强,微生物作用一直较弱,并且与有机物的耦合作用也逐渐减弱。基于对红外光谱数据的聚类分析,建立了对纳滤膜污染的发展阶段进行科学客观划分的方法。发现不同空间位置膜污染过程均可划分为三个阶段,但不同空间位置膜污染的阶段划分结果略有不同。基于排序分析,建立了评价膜污染各阶段显著特征的方法。发现在膜污染的不同阶段,膜污染类型和污染机理不同,并且随着膜污染位置从始端向末端推移,膜污染阶段性特征越来越不明显。研究成果为膜污染的分阶段和分位置的精细控制提供了科学依据。