城市污水超滤再生过程污染物与膜面特性共作用机理及膜污染控制对策研究

城市污水量大且稳定，其再生利用是解决水资源日益匮乏的重要途径。本课题针对现代城市污水再生的特点对膜污染形成机理与控制提出的新问题，在系统研究二级处理水残留污染物的形态（颗粒、胶体、溶解态等）的存赋特性及随工艺条件变化规律的基础上，从微观尺度把握二级处理水中残留污染物分子量分布、亲疏水性、溶液离子强度、Zeta电位等和膜面粗糙度、亲疏水性、孔密度与孔径分布、表面电性等性质；分别通过模拟水与实际水的超滤试验，研究水中污染物与膜面性质共作用下水质与膜面性质及膜结构参数的变化特点；研究微界面过程污染物与膜面间作用力变化、污染物迁移变化特点和向膜面附着的规律；探明膜的优势污染物种类、性质及污染条件，揭示污染物与膜面性质共作用的膜污染机理，建立污染物与膜面性质关联的膜污染结构模型，开发相应的膜污染调控技术，并进行实际试验验证，获得运行工艺参数，为以超滤为核心的城市污水再生工艺提供理论与应用依据。

城市污水二级出水再生后回用，对于解决水资源的匮乏及水的供需矛盾有重大的意义。而在运行过程中，超滤膜污染问题是限制其在水处理领域进一步推广应用的主要障碍。为了探明超滤膜污染的本质原因，本课题以西安市具有脱氮除磷功能的氧化沟、A2/O及SBR污水处理工艺二级处理水为对象，着重测定了二级出水中溶解性有机物的水质性状，包括其亲疏水性组分、分子量分布特征规律等，发现二级出水中疏水性组分较亲水性组分多，且小分子有机物含量最高。根据二级处理水中溶解性有机物的主要类别，选择牛血清蛋白、海藻酸、腐植酸代表实际污染水中的蛋白类、多糖类及腐植类有机物，进行模拟废水的超滤膜过滤实验，考察了相应模拟有机物污染层结构特征。采用自制胶体颗粒探针在不同溶液环境条件下分析了不同形态污染物与膜之间的作用力变化，研究了水质条件对超滤膜污染的影响规律。将作用力测定结果结合典型有机物的超滤膜过滤试验发现：膜-污染物之间的相互作用力大小与运行初期超滤膜通量衰减速率及衰减幅度呈正相关关系；而污染物-污染物之间的作用力大小与稳定运行期膜通量成负相关关系。这说明不同的运行阶段，超滤膜污染机理并不相同，运行初期，污染物与超滤膜之间的相互作用控制着膜污染行为，随着过滤的进行，膜面最终被污染物完全覆盖，污染物-污染物之间的相互作用成为控制膜通量的主要因素。溶液的离子强度、Zeta电位、Ca2+的加入以及pH的变化会对超滤膜污染产生不同程度的影响。课题采用自制的PVDF胶体探针及复杂有机物胶体探针分别测定膜-有机物及同类型/不同类型有机物-有机物之间的作用力，分析了与膜污染行为相关的微观作用力大小特征及其变化规律，识别实际污染水中的优势超滤膜污染物，为超滤膜在水处理领域的推广应用提供理论依据。为了减缓膜污染，本课题从膜材料角度将亲水化纳米SiO2、聚乙烯醇（PVP）和乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）与PVDF超滤膜共混改性，提高了膜的抗污染性能。同时，以课题组前期研究的膜污染结构参数模型为基础，设计了全自动超滤试验系统，可以依据原水水质特点自动选择适宜的恢复措施，优化运行的最佳条件。并针对实际城市二级出水进行了长期的全工艺中试试验，发现了在线化学清洗操作是延缓膜污染的有效途径，该操作可以延长膜的使用寿命，降低制水成本。