藻细胞生长代谢对超滤膜藻源膜污染的影响机制与控制研究

This project aims at the influences of operational conditions, feed characteristics, and pretreatment by powdered activated carbon (PAC) on algal growth and metabolism during the treatment of algae-rich water by immersed ultrafiltration membranes. Meanwhile, the relationship between algal growth and membrane fouling will also be discussed. Effects of hydraulic conditions on algal growth and metabolism in the reactors will be studied by changing operational conditions. On this basis, the development of membrane fouling will be studied, and then new ideas of membrane fouling controlled by aeration and other operational conditions during the treatment of algae-rich water by ultrafiltration membranes will be proposed. The influences of different chemicals on algal growth and metabolism in the reactors will be investigated. Based on the following change of cake layer structure, the mechanisms of membrane fouling caused by algae-rich water controlled by chemicals will be improved. By changing the dosing approaches and operational conditions, the influence of PAC spatial distribution on algal growth and membrane fouling with the interaction between them will be revealed. The relationship of the quality of the concentrate and the characteristics of cake layer to the effluent quality will also be investigated for the influences of algal growth and metabolism on foulant rejection. This project is significantly important for the understanding of algal growth in the reactors and its effect on membrane fouling. It can supply theoretical basis for the application of ultrafiltration membranes in the treatment of algae-rich water and other fields.

研究浸没式超滤膜技术处理含藻水过程中膜运行条件、原水性质和粉末活性炭（PAC）预处理对反应器内藻细胞生长代谢的影响，探求其与膜污染间的关联机制。通过改变膜运行条件，在研究水力条件变化与反应器内藻细胞生长代谢间关系的基础上，分析膜污染的变化机理，进而提出曝气等运行条件对藻源膜污染控制的新思路。考察不同化学物质对反应器内藻细胞生长代谢的影响，基于由此造成的膜表面滤饼层结构的变化，完善化学物质对藻源膜污染的控制理论。采用投加PAC作为预处理方法，通过控制投加方式和优化膜运行条件，探求PAC空间分布对藻细胞生长代谢和膜污染的影响，揭示PAC存在条件下两者间的互作效应。针对藻细胞生长代谢对膜处理效果的影响，研究浓缩液水质和滤饼层结构变化与出水水质间的关系。本项目对于认知藻细胞在膜反应器中的生长代谢状态，及其对膜污染的影响具有重要意义；能为低压膜技术在含藻水处理等领域的应用提供理论基础。

超滤膜能够有效截留水体中的藻细胞及其胞外代谢产物，但如何有效控制膜污染问题是超滤膜技术广泛应用于含藻水处理领域的瓶颈。因此，试验中提出了新型的中空纤维膜污染控制方法——角振动。研究该振动方法对于含藻水中不同成分（完整藻细胞，细胞碎片，胞外和胞内分泌物）所引起的膜污染的影响。试验结果发现，当角振动频率为2 Hz时，振动对膜污染的控制效果：藻细胞（~97.4%）>细胞碎片（~93.6%）>胞内分泌物（~81.8%）>胞外分泌物（~52.3%）。振动主要是针对上述污染物质形成的滤饼层，但是对于胞外分泌物引起的相当比例的膜孔阻塞现象未见效果。虽然混合污染物质引起了更严重的膜污染，但是角振动作用依然表现突出（67.8–92.6%）。这是因为混合污染过程中滤饼层形成依然是关键污染机理。角振动通过缓解浓差极化现象改善了超滤膜对有机物质的去除能力。试验还证实在达到相似控制效果的条件下，相比垂直振动，角振动消耗了较低的能量值（0.034 mW）。试验中通过采用不同投加方式研究不同空间位置的粉末活性炭对于膜表面污染特点和污染物质去除效果进行了比较。结果发现，两种投加方式（预沉淀、预混合）对胞外分泌物的去除均有改善作用。但是，对于预沉淀方式，增加粉末碳浓度引起了膜污染的稳定增加。这可能是由于藻细胞和粉末碳在滤饼层表面初始分布的改变引起的。预沉淀粉末碳避免了藻细胞和膜表面间的接触，但是加重了藻细胞变形并抑制了其向主体溶液中扩散。虽然粉末碳对胞外分泌物引起的膜污染作用有限，但是藻细胞和胞外分泌物共存时预沉淀粉末碳的出现会引起严重的膜污染协同作用。除此外，粉末碳投加方式的变化会改变粉末碳与膜之间的相互作用，影响物化清洗效果。本项目的完成对于进一步解析超滤膜处理含藻水过程中的膜污染特性、认知污染物去除机理具有重要科学意义，对控制膜污染现象、降低膜运行维护费用、推动超滤膜在饮用水处理领域应用具有实用价值；能为实际工程应用提供参考信息和理论依据。