超滤净水膜污染形成过程中微界面上的作用机制与控制研究

The membrane fouling is an important impediment for the application of ultrafiltration and the research at a macroscopic-scale is insufficient to explore the actual mechanism on membrane fouling. The study on the mechanism and control of membrane fouling at a macroscopic -scale becomes a hot issue in the drinking water treatment field. For resolving the key scientific problem of mechanism and control of membrane fouling during ultrafiltration, the study is performed by investigate the formation and control of main force causing membrane fouling on the micro-interface. The formation and action mechanisms of main force for membrane fouling on the micro-surfaces, colloids/membrane material and colloids/filtration cake, are explored by using XDLVO theory to calculate the different forces. The correlation between main force and membrane fouling is analyzed and the quantity responding model is established. The influencing factors of main force as well as the effect of membrane fouling are investigated at different water qualities to ensure the key indexes demanded to control. According to the above key influencing factors, the control approaches and their synergistic effect on main force causing membrane fouling are studied in different water process associated with ultrafiltration. The formation of flirtation cake related with micro-interface is explored and the control principle is established for improving the flirtation behavior and enhancing the removal of micro-pollutants.

膜污染成为超滤净水技术应用的关键瓶颈问题，宏观尺度的定性研究难以揭示膜污染形成的内在机制，从微观层面探析膜污染形成机理并指导控制技术研究成为行业领域的热点。针对饮用水处理超滤净水膜污染产生与控制研究中尚待突破的关键科学问题，以膜污染形成中微界面上主导力的作用机制及其控制为主线，基于XDLVO理论的微观作用力解析，研究膜污染形成过程中胶体/膜材料和胶体/凝胶层的微界面上主导力产生机制与作用机理，探析主导力与膜污染变化的响应关系，构建二者定量构效模型；研究不同理化环境条件下污染物的微界面行为对膜污染主导作用力的影响机理，明确影响主导作用力变化的水质要素；针对主导作用力的关键影响水质要素，以不同的超滤净水工艺组合为对象，突破主导力控制的前处理关键技术并构建协同作用技术原理；探析膜污染过程中滤饼层形成的微界面特性，以滤饼层的渗透性能及其对微量污染物去除效能提升为目标，研究优化滤饼层形成的控制技术。

本项目针对超滤净水过程中膜污染形成机制与控制，采用XDLVO理论解析了微界面作用力与膜污染形成的构效关系，明确了有机物造成膜污染的主导作用力为疏水性AB力，颗粒物造成膜污染时渗透拉力PD力越大，膜污染越严重。在此基础上，提出了通过氧化降低有机物疏水性、粒径以降低AB力和优化膜通量（40L/m2·h为宜）调控PD力缓解膜污染的方法。膜材料表面能越大，其对膜污染的抗拒能力越强，基于膜材料抗污染改性，明确了增加膜的亲水性或增加膜极性的改性方向。研究发现，增加钙离子浓度可使得路易斯酸增加，导致AB作用力升高，加重膜污染；氧化可引起Fe离子在有机络合物中的释放，这有利于控制膜污染；pH值越低，有机胶体和膜材料的相互作用能绝对值越大，即膜污染越严重。针对有机物引起的膜污染主导作用AB力的调控，提出了在滤后或下向流活性炭后实施超滤工艺的预氯化控制膜污染技术，投氯量0.5~1.0mg/L；提出了上向流活性炭后置超滤工艺的原位臭氧化（0.4mg/L臭氧）与双氧水（8mg/L）反冲洗联合控制膜污染技术；提出了短流程超滤工艺或排泥水超滤回收的UV/亚铁/PS（UV光通量为5.16×10-7 Einstein/s·L、Fe(II)与PS摩尔比为1:2、0.8mM的PS）高级氧化同步混凝控制膜污染技术；以改善超滤净水过程中的滤饼层形成及其特性为目标，研究并提出了针对颗粒物调控的超滤进水微絮凝（混凝剂8mg/L）控制技术，针对有机物的超滤进水高锰酸钾（投加量0.5mg/L）直接预氧化技术；调控后的滤饼层结构松散且具有较高的渗透性，松散的凝胶层降低了膜滤阻力，使得超滤系统具有更长的运行周期；形成滤饼层的调控后中间产物如铝离子、二氧化锰等对微量有机物及其金属螯合物的吸附作用增强，使得超滤对PPCPs和疏水性含氮消毒副产物的前体物去除提高20%以上。