基于关键界面作用解析的超滤膜藻源膜污染机理与调控研究

Algae blooms frequently occur in lakes and reserviors due to pollution of water environment, impairing the safety of drinking water provided for urban citizens. Ultrafiltration (UF) technology, which may completely remove algal cells, can solve the water quality deterioration originated from algae and secure the safety of drinking water. However, the membrane fouling related to algae will hinder the application of UF in the treatment of algae-rich water. This project tries to explore the mechanisms and control of fouling caused by algae via membrane fouling experiments coupled with interfacial interaction analysis. Firstly, membrane filtration experiments will be carried out to investigate the fouling characteristics of algal cells as well as extracellular organic matter (EOM). Moreover, the properties of cake layer formed by the accumulation of algal foulants will also be systematically characterized. Then, the interactions between algal foulants and membrane surface will be analyzed by XDLVO theory to investigate the relation between foulant-membrane interaction and the irreversible fouling. Besides, the connection between foulant-foulant interaction and cake layer resistance will be discussed by evaluating the interaction between algal foulants with XDLVO theory as well. At last, enhanced pretreatment and operation optimization will be proposed and tested for the control of UF membrane fouling caused by algae. This study can provide supports for water plant, which adopts UF technology, in dealing with membrane fouling associated with seasonal algae bloom.

水环境污染导致许多城市饮用水水源出现藻类水华现象，严重危害了城市居民的饮水安全。超滤技术能够完全截留藻细胞，解决水源水中的藻类带来的水质恶化问题。然而，藻类引起的膜污染会严重阻碍超滤技术在含藻水处理中的应用。本研究采用膜污染实验结合界面相互作用解析开展藻源膜污染机理和调控研究。通过开展各种藻源污染物的膜污染实验，研究藻细胞和胞外有机物的膜污染特性及其累积形成的污染层的形态与结构特征。同时，利用XDLVO理论解析藻细胞以及胞外有机物与超滤膜之间的界面相互作用，探索污染物-膜界面作用与不可逆膜污染之间的关联；解析藻源污染物之间的界面作用，探索污染物-污染物界面作用与污染层阻力的关系。然后，拟采用强化预处理和超滤运行优化技术进行超滤膜藻源膜污染调控研究，实现对超滤膜藻源膜污染的有效控制，为超滤工艺水厂应对季节性藻类水华引起的膜污染提供理论依据和技术支撑。

超滤技术能够高效截留高藻水中的污染物，保障饮用水水质安全，但藻类及其代谢产物会引起严重膜污染。本项目针对超滤膜处理高藻水过程中的膜污染问题，创新性地开展了藻源污染物分类研究、关键界面作用解析研究以及藻源膜污染控制研究。（1）建立基于荧光矩阵光谱和平行因子分析法的藻源污染物识别方法，确定了藻类胞外有机物中蛋白质类组分对膜污染的贡献大于腐殖质类组分，实现了藻源代谢产物污染的快速识别。（2）开展了藻细胞、细胞残体、胞外有机物(Extracellular organic matter, EOM)以及胞内有机物(Intracellular organic matter, IOM)的界面自由能测算，发现藻细胞不易在膜表面吸附，而细胞残体及其代谢产物均会引起严重的不可逆膜污染。（3）膜污染机理研究表明藻类膜污染过程由膜孔堵塞和滤饼层堵塞共同主导，过滤初期以完全堵塞和标准堵塞为主，过滤后期以滤饼层堵塞为主。（4）开展了膜表面特性对藻源膜污染的影响研究，发现膜孔径越小、表面疏水性越强，藻类EOM引起的膜污染越严重。（5）开展了高锰酸钾预氧化强化混凝控制藻类膜污染研究，发现高锰酸钾预氧化对藻细胞和EOM的膜污染的影响较小，而新生态二氧化锰会吸附在藻细胞表面，增加藻细胞的粒度、沉降性能以及滤饼层的孔隙率，从而减少藻细胞引起的膜通量降低；同时，新生态二氧化锰能够强化吸附EOM中大分子和亲水性组分，显著降低EOM沉积引起的通量下降和不可逆膜污染。（6）建立了基于有机碳溶出、钾离子溶出以及流失细胞仪的藻细胞完整性评价方法，对膜前预处理以及超滤过程中的藻细胞破裂现象进行了分析，发现高锰酸盐预氧化（< 2.0 mg/L）不会引起明显的藻细胞破裂现象，而超滤过程中藻细胞破裂的比例在5%左右，且主要发生在滤饼层中。综上，高藻水超滤处理工艺设计过程中，应选择孔径较大且亲水性的超滤膜，同时采用高锰酸钾预氧化强化混凝，并采取相应措施促进新生态二氧化锰的形成，强化藻细胞和EOM的去除；此外，应严格控制藻细胞破裂现象，减少细胞残体和IOM引起的不可逆膜污染。