溶解性有机物对超滤膜污染的行为微观作用力评价方法建立及适对调控策略研究

In order to solve the UF membrane flux irreversible attenuation in advanced treatment surface water and City sewage secondary effluent, different AFM probes will be prepared and employed to investigate the variation of micro force to reveal the membrane fouling mechanism. Firstly, different membrane materials (PVDF, PES, PSF, PMMA) and representative pollutants probes will be prepared. Based on which, the membrane-foulant and foulant-foulant micro force will be measured. The range of micro force variation will be defined and a new evaluation method will be improved to determine whether the membrane fouling is reversible or not. The membrane fouling mechanism will be revealed from micro force variations , which will be beneficial to choose the better membrane materials and recover the flux during surface water and City sewage secondary effluent treatment by UF membranes.

针对超滤分离技术净化受污染地表水源水、城市污水二级处理水过程透水量不可逆衰减问题，围绕超滤技术要求研究受污染地表水源水、典型城市污水二级处理水中溶解性有机物类别含量、分子量分布、亲疏水性、zeta电位等性质。用PVDF、PES、PSF、PMMA等制备AFM聚合物膜材料探针及代表性污染物探针，研究不同材质超滤膜在不同水质条件下膜/污染物、污染物/污染物间微观作用力的变化；通过水质特征、通量衰减、不同材质超滤膜在不同运行阶段与水力冲洗前后微观作用力变化，得到地表水及城市污水二级处理水对超滤膜污染原因物质特性与影响因素的关系。从膜/污染物及污染物/污染物间微观作用力变化分析膜污染机理，提出膜可逆与不可逆污染的微观作用力基准范围的确定方法及膜污染行为微观作用力评价方法。对膜材料与预处理技术选择、通量恢复方式及调控策略提供指导，为超滤膜在地表水、城市污水深度净化提供理论与技术的支持。

随着超滤膜技术在水处理领域的日益推广，缓减水中溶解性有机物引起的膜污染问题受到普遍关注。探明超滤膜污染的本质原因，是超滤技术推广应用中亟需解决的问题。本研究采用熔融烧结法、物理粘附法分别制备了PVDF、羧基及复合膜AFM胶体探针，同时在聚合物膜材料探针上利用吸附法修饰蛋白质、多糖、脂肪酸、腐殖酸等污染物的污染物探针，解决了既往不能直接测定实际污染物与超滤膜及污染物-污染物之间作用力的研究问题，为使用微观作用力解析溶解性有机物超滤膜污染机理奠定了技术基础。针对地表水源水、城市污水二级处理水，系统研究了其水质特性，并采用AFM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，结合宏观的超滤膜过滤试验，识别二级处理水中的优势膜污染物。结果发现不同运行阶段超滤膜优势污染物种类并不相同，PVDF-亲水性组分之间的作用力最大，是运行初期的优势污染物。疏水性有机物之间较强的作用力使得其成为运行后期的优势污染物。通过对典型模拟废水的超滤过程的优势污染物性状分析和污染物/膜、污染物/污染物间作用力变化的测定，分析了不同水质条件如pH和离子强度，不同膜材料（PVDF、 EVOH）和水力冲洗对相关作用力的影响特点，结果发现通过调节水质pH值和溶液离子强度可以有效降低膜与有机物间粘附力，是缓减膜污染行为的有效策略之一。同时研究了典型无机污染物（SiO2和高岭土）与溶解性有机物共存时的超滤膜污染行为，揭示了膜污染的相关规律。以西安市第四污水处理厂二期处理工程出水为原水进行中试超滤深度处理试验，采用微观作用力评价方法对城市二级出水中的浊度物质和有机物对超滤膜的污染能力进行分析。结果表明相对于浊度物质，有机物对超滤膜的污染能力更强，是造成膜污染的主要因素。这些将为超滤膜在实际的水处理应用过程中，膜材料的选择、膜面改性技术的决策、预处理方式或者超滤膜性能恢复技术的选择，提供直观的理论依据。