正渗透膜活性层污染机制与控制研究

As a green water treatment technology, forward osmosis (FO) has exhibited prominent advantages in both the treatment of surface water and the reuse of secondary effluent from wastewater treatment plants (WWTP). However, fouling of FO active layer still remains as one of major bottleneck problems of FO process, limiting its more widespread application. To better address this issue, the proposed project intends to identify the major FO active layer foulants during FO process as the first step; and then find out the fouling mechanisms of major FO active layer foulants on FO membrane; finally develop appropriate strategies for controlling FO active layer fouling. The project will investigate the mechanisms of FO active layer by major pollutants in the water, clarify the effects of water solution chemistry factors on the fouling behavior of major FO active layer foulants, as well as the synergetic fouling effects of major FO active layer foulants and co-existing pollutant fractions in different waters. The project will also determine the major foulants for FO active layer fouling treating typical water resource by FO process, research the dynamic variation rule of microstructure of fouling layer and microbial community on FO active layer with time. The project will also determine clearly major foulants on FO active layer and fouling mechanisms of FO active layer in treating typical different waters by FO process, and then put forward a suitable pretreatment technology and optimization of FO process, in order to bring up feasible controlling strategies for solving the FO active layer fouling problem for FO in practical applications.

正渗透作为一项绿色的水处理技术，无论是在地表水处理还是在污水厂二级出水深度处理中，都具有突出的优势。然而，正渗透膜的活性层污染问题仍然是制约正渗透技术应用与推广的主要瓶颈之一。为更好地解决这一问题，本项目拟从识别正渗透膜活性层的主要污染物出发，明确其污染机制，进而制定有效的膜污染控制策略。研究不同类型主要污染物在活性层的污染机制，阐明水溶液化学条件对其的影响规律，并解析活性层主要污染物和水中其它共存污染物组分的协同污染效应。研究正渗透膜处理典型水源时，活性层的主要污染物并明确其变化规律，以及活性层表面的污染层微观结构的动态时序变化，和微生物种群的动态演替规律。在明确活性层主要污染物及其污染机制的基础上，有针对性地提出适宜的膜前预处理工艺及工艺优化，为有效解决正渗透膜活性层污染问题提出切实可行的膜污染控制策略。

正渗透作为一项绿色的水处理技术，无论是在海水淡化、工业废水处理还是微污染地表水深度处理中，都具有突出的优势。然而，正渗透膜的活性层污染问题仍然是制约正渗透技术应用与推广的主要瓶颈之一。因此，本项目首先对正渗透膜活性层的污染性研究；其次开展正渗透处理含藻水过程中膜污染特性及机理研究；最后基于强亲水改性正渗透膜制备，对含藻水膜污染进行研究。在正渗透膜活性层主要污染物的识别中，发现海藻酸钠使膜通量下降最大；其次是蛋白质、腐殖酸；高岭土和纳米二氧化钛使膜通量下降最少。在研究水溶液化学条件及其它共存污染物组分的协同污染效应对正渗透活性层的污染机理研究中，发现蛋白质、海藻酸钠、高岭土和纳米二氧化钛均会加重腐殖酸在正渗透膜活性层表面的污染速率。Ca2+则显著增加腐殖酸和海藻酸钠的膜污染速率及活性层表面的污染可逆性，但却可以降低蛋白质在活性层表面的膜污染程度。高岭土和纳米二氧化钛均可以减轻以上有机物形成的通量下降趋势。此外，Ca2+对无机-有机复合污染物有较强的协同污染效应。利用正渗透膜处理典型含藻水的研究中，发现单独藻细胞和EOM对正渗透膜污染的作用很小，并且大部分为可逆污染，原藻液中的共存的藻细胞和EOM在正渗透膜污染过程中存在协同作用。通过CLSM分析可知，Ca2+的加入既增加活性层表面污染层的厚度也改变了污染层中物质分布，而高岭土和腐殖酸的加入并没有改变污染层的结构，仅增加了污染层的厚度以及污染物的数量。利用多巴胺自聚-组装对聚砜纳米纤维基膜进行亲水改性，并在其表面上进行界面聚合制备TFC正渗透膜，膜通量高达为21.5±0.56 LMH。以死端模式处理含藻水过程中，研究发现实验条件为：1g/L藻浓度，pH为7，搅拌速度为300r，汲取液为3M的NaCl，错流速度为6.8cm/s时，膜污染最轻。