再生水BPAC-UF工艺粉末炭及其向生物炭转化过程中与超滤膜的界面作用机制

The development of treatment processes on the basis of different water quality standard and reuse requirements is fundamental to control water quality risks and to achieve the safe water reclamation. This project focuses on the interfacial interactions between organic matter with different species and structure, powder activated carbon (PAC) and biological PAC (BPAC), and ultra-filtration (UF) membrane, and investigates the adsorption, biological degradation, and transformation of different organic species on the surfaces of PAC/BPAC and the removal of these particulates by UF filtration. Moreover, this project uses different interfacial characterization techniques and molecular biological methods to indicate the dynamic variation and transformation of the surface character of PAC/BPAC after adsorbing different organics, the bacteria quantity and the composition of different bacteria on the surfaces of PAC/BPAC, and to illustrate the change of the characters of UF membrane surfaces and pores structure after its interaction with organic matter and PAC/BPAC. Furthermore, this project proposes the dominant mechanisms involve in the interactions between UF membrane and the PAC/BPAC with different characters and illustrates the response mechanisms of UF membrane surfaces relative to the surface characters of particles and their interaction with UF membrane thereafter. On the basis of the aforementioned research, the PAC/BPAC-UF treatment process and the principals for membrane fouling control is proposed. This project provides scientific and fundamental support for the assurance of safe water reclamation.

建立适应不同水质目标与回用需求的再生水净化工艺方法，是控制再生水质风险、实现再生水安全回用的重要前提。本项目以水中具有不同形态与结构特性的有机物、PAC/BPAC、膜表面的界面相互作用为依据，综合利用颗粒物界面表征与分子生物学解析手段，研究不同组分有机物在PAC/BPAC表面的吸附、生物降解与转化以及UF过滤去除过程，阐明PAC吸附有机物及其转化为BPAC过程中表面性质、微生物量及其表面微生物菌群结构的变化规律，研究UF膜与不同性质有机物和PAC/BPAC作用过程中膜表面特性与孔隙结构特征的变化，阐明上述转化过程中，具有不同表面与微生物特性的PAC/BPAC 与膜表面的相互作用与微界面作用特征，揭示基于颗粒物表面特性以及膜-颗粒物界面作用的膜表面响应机制，建立PAC/BPAC-UF再生水深度净化工艺及其膜污染控制原理。本项目将为再生水深度净化与水质安全保障提供科学依据与基础性支持。

膜法水处理技术以其出水水质好、污泥产量少等特点在再生水深度处理中得到广泛应用。如何在保证水质的前提下降低膜污染，是膜技术领域研究的重点和难点。本研究选取粉末活性炭（PAC）和活性焦（AC）两种吸附材料，考察其对城市污水厂二级出水不同特性有机物组分的吸附能力及其对膜出水水水质及膜污染的影响，分析PAC与有机物之间的协同作用对膜污染的影响，并对膜污染机理进行探讨。.PAC和AC的吸附特性实验研究表明，Freundlich 等温模型和准二级动力学模型可有效描述PAC和AC对二级出水中有机物的吸附过程；溶解性微生物代谢产物和腐殖质类物质是二级出水中有机物的重要组成部分，且分子量小于3 kDa的有机物组分占的比例最大；PAC对于分子量小于3kDa的小分子有机物的吸附有明显优势，AC对分子量为10kDa-3kDa的有机物吸附具有明显优势。PAC/AC吸附预处理可明显提高UF对二级出水中有机物的去除效果，较直接膜滤膜比通量升高。PAC较AC对分子量小于1kDa的小分子有机物的吸附效果好，而AC可有效吸附水中中小分子量大小的有机物；小于1kDa的小分子量有机物比1k Da~10k Da范围内的中小分子有机物对膜污染的贡献更大。PAC和AC两种吸附材料与UF组合用于再生水处理，可有效改善膜出水水质，减轻膜污染。.PAC对腐殖酸（HA）、蛋白质（BSA）和多糖（SA）的吸附性能研究表明，PAC对HA的吸附效果最好，对SA的吸附效果最差。PAC颗粒本身对膜通量几乎没有影响；吸附有机物后膜通量下降。单独超滤几乎能完全去除SA，但是对HA和BSA的去除率较低；组合工艺对HA和BSA的去除率增加，但是对SA的去除率影响不大。三种有机物造成的膜污染严重程度依次为SA>HA>BSA，其中SA以可逆膜污染为主，HA和BSA主要为不可逆膜污染；PAC主要通过控制不可逆污染来提高膜通量。.利用Hermia膜污染模型和xDLVO理论对组合工艺的膜污染机理进行探讨，研究表明，初始（粘附）阶段的膜污染主要由有机物产生的中间堵塞形成，后期（粘聚）阶段以滤饼层控制为主，初始阶段的膜污染趋势大于后期阶段。极性作用力是控制膜污染的主要因素；HA和BSA的极性作用力为正值，能抑制膜污染，而SA的极性作用力为负值，会加剧膜污染。三种有机物在后期阶段的极性作用力均大于初始阶段，说明初始阶段的膜污染更严重。