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工业废水膜深度处理中有机物和无机盐对膜生物污染的影响

工业废水膜深度处理中有机物和无机盐对膜生物污染的影响

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作者：赵飞南京大学

学位级别：硕士

膜技术由于其分离效果好、操作简单等优点,近年来在工业废水深度处理中得到广泛应用。但是膜污染的形成会降低膜分离性能,使出水水质恶化、膜使用寿命缩短、经济成本增加等,尤其是生物污染对膜的破坏性最为严重,其污染过程受前端生物处... 详细信息

膜技术由于其分离效果好、操作简单等优点,近年来在工业废水深度处理中得到广泛应用。但是膜污染的形成会降低膜分离性能,使出水水质恶化、膜使用寿命缩短、经济成本增加等,尤其是生物污染对膜的破坏性最为严重,其污染过程受前端生物处理工艺出水中残余有机物和无机盐交互作用的影响,机理复杂。我国维生素C产量居世界第一,其生产过程中用水量和废水排放量巨大,采用膜技术进行深度处理以实现废水回用具有重要意义。然而,维生素C.生化尾水中含有较高浓度的有机物和无机盐以及残余微生物,膜处理过程中容易形成生物膜污染。因此,本论文以维生素C生化尾水作为研究对象,系统地研究了废水中典型的有机物和无机盐对膜生物污染的综合影响机制,研究结果对于工业废水膜污染控制和减缓具有理论指导意义。选用铜绿假单胞菌(PA)作为模式菌株,海藻酸钠(SA)、牛血清白蛋白(BSA)和腐殖酸(HA)分别作为废水中多糖、蛋白质和腐殖质三种有机组分的模式物,系统地研究了不同钙离子浓度下不添加有机物和三种有机物分别存在对膜有机预吸附过程和生物污染过程的膜性能、膜面截留污染物组成以及污染前后膜表面特征(包括膜面形貌、粗糙度、亲/疏水性、荷电性、粘附性)的影响,并采用XDLVO理论定量地分析了不同有机物和钙离子浓度下膜生物污染过程中膜-污染物之间的界面作用能,评价了不同界面作用能在膜生物污染中的作用以及有机物种类和钙离子浓度影响膜生物污染的主控机制。主要研究结果如下:进水中不添加有机物时,膜的预处理过程受Ca2+浓度的影响很小,渗透通量下降值约为7.5%。随后的生物污染随着Ca2+浓度增加逐渐降低,较高Ca2+浓度影响了生物膜表面的亲/疏水性、荷电性、空间结构及EPS的产量等。进水中添加SA时,Ca2+促进了 SA在膜面的预吸附过程,导致膜通量急剧下降,随着Ca2+浓度增加有机预处理逐渐增加,Ca2+浓度为8mM时预处理阶段膜通量下降值高达28%。SA在膜面预吸附后形成致密光滑的凝胶层,具有很强亲水性,会阻碍微生物的粘附,抑制膜的生物污染。与SA相似,添加HA时,Ca2+的存在促进了 HA在膜面的预吸附过程,预吸附在膜面的HA滤饼层具有较高的表面电荷和较强的亲水性,阻碍微生物的粘附,抑制了随后的生物污染过程。BSA存在时,预处理过程的有机截留量极低,生物污染过程的生物截留量却极高。BSA预处理后膜面具有很强的疏水性和较大的粗糙度,增加微生物的粘附,并且强疏水性的BSA分子吸附到膜面的生物膜上,促进了生物污染过程膜通量的下降,RFR值大于44%。界面作用能的定量分析结果表明:疏水作用力(AB)作为一种微距作用力,在膜生物污染过程中贡献最大。BSA预处理后膜面的疏水性最强,尤其是Ca2+浓度为2 mM时,膜面粘聚自由能低至-40.32 mJ/m2,与PA、BSA之间的界面自由能最低,分别为3.49和-26.36 mJ/m2,促进污染物的粘附,生物污染最严重。SA预处理后膜面粘聚自由能显著上升,亲水性极强,Ca2+浓度为5 mM时,粘聚自由能高达42.96 mJ/m2,与PA、SA之间的界面自由能最高,分别为45.85和39.64 mJ/m2,抑制膜的生物污染。HA预处理膜面的疏水性介于SA和BSA之间,对膜预处理和生物污染过程的影响也介于SA和BSA之间。生物污染后膜面粘聚自由能、膜-污染物之间的界面自由能显著改变。PA生物污染后粘聚自由能的增加值为74.8-85.6 mJ/m2,与PA之间的界面能增加值为39.1-43.8 mJ/m2,Ca2+浓度为2 mM时PA-BSA生物污染膜面的粘聚自由能增加了 95.4 mJ/m2,与PA之间的界面自由能增加了 47.6 mJ/m2。在膜生物污染的不同阶段,膜-污染物之间的界面作用能不断变化,XDLVO理论只能在一定程度上预测膜生物污染的趋势,不能完全地衡量膜性能的变化,需要综合考虑其他因素的影响。

关键词：膜生物污染有机预吸附钙离子膜面特征 XDLVO理论界面作用能

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