混凝-超滤组合工艺凝聚体特性对膜污染的影响研究

随着国民经济发展和城市化进程加快，常规水处理工艺(混凝-沉淀-过滤-消毒)难以应对严峻的水源污染和愈加严格的城市供水和饮用水水质标准。与常规工艺相比，混凝-超滤组合工艺能够有效去除水中浊度和病原微生物，并且大大提高水中天然有机物的去除率，满足甚至超过更加严格的水质标准。但是，不适宜的混凝、超滤条件会引起严重的膜污染问题，影响该工艺长期稳定运行。本课题混凝-超滤组合工艺凝聚体特性对膜污染的影响研究，通过合理应用现代结构表征技术对混凝凝聚体大小、分形、孔隙率、电位、粘度等进行测定，分析在不同混凝和超滤运行条件下，凝聚体特性与性能变化规律。采用原子力显微镜，分析微观滤饼层聚集结构及其与膜表面的作用力。首次将严格扩散过滤理论发展应用于混凝-超滤工艺，在大量实验基础上，建立并验证滤饼层增长、压缩性与超滤膜渗透性的理论模型，揭示膜污染机理，为优化混凝-超滤组合工艺适宜的混凝、超滤运行条件打下坚实基础。

本课题在不同预混凝条件及超滤条件下，对混凝凝聚体特性变化规律及其与超滤膜作用机理进行了深入研究。不同混凝剂投药量和pH条件下，所形成凝聚体的电性、颗粒大小、分形结构等不同特征，对膜过滤性能及水中天然有机物腐植酸去除率有重要影响。通过系统试验研究，优化了混凝-超滤膜过滤组合工艺的预混凝、超滤运行条件。电性中和混凝机理下，等电点时凝聚体颗粒体积大而密实，投药量过高或过低由于电性斥力作用颗粒体积小且结构疏松；卷扫混凝条件下，投药量过低混凝不足形成的小颗粒造成膜孔堵塞，投药量过大金属水解氢氧化物成为直接污染负荷加重了膜污染。预混凝-超滤过滤组合工艺中，凝聚体的颗粒尺寸越大，分形维数越高，形成滤饼层孔隙率大且不易被压缩，膜污染减轻，过滤阻力低。预混凝凝聚体颗粒尺寸与膜孔径在相同数量级时，有机物的去除率较低，并且对膜污染的影响极其严重；预混凝凝聚体颗粒尺寸比膜孔径高103数量级以上时，对膜污染的缓解更为有效。. 通过滤饼层表面扫描电镜照片可视化的分析了滤饼层结构对膜污染的影响，以及不同滤饼层结构形成的条件。通过污染增量模型的建立、求解和验证，从微观角度动态分析了混凝-超滤膜工艺表面滤饼层的形成过程，得到滤饼层比阻随过滤时间、操作压力、预混凝条件（混凝剂投药量、pH）的变化规律，对该工艺膜污染滤饼层的压缩性质进行了进一步分析，深入探讨了膜污染机理。