原水有机物特性及其对超滤膜污染的研究

来源 :华东交通大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wuxinxinwu
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原水中有机物的性质往往因其存在地域、季节气候以及周围环境等条件的不同存在差异,而这些有机物对超滤膜的污染行为又较为复杂。因此,了解具体原水中有机物的特性,同时开展其对超滤膜污染的研究将为缓解膜污染、推广膜技术的应用提供理论依据。本文对江西境内的赣江和鄱阳湖进行了多次取水,通过固相萃取技术将原水中的有机物进行了亲疏水性能分级,研究了不同原水中有机物的亲疏水性能;并以分级后的水样作为膜前水样,分别进行了超滤试验,考察了不同亲疏水性能的有机物对两种聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)超滤膜(截留分子量分别为100kDa和50kDa)的的污染特性。同时,研究还基于原水中有机物的分子量分布、荧光特性及亲疏水性能,结合Hermia膜污染模型,对不同原水中有机物所导致的膜污染机理进行了分析。主要研究结果如下:不同原水中有机物特性的研究表明,在常规水质指标方面,取水期间两地原水的浊度、UV254、DOC和ζ电位分别为:赣江:21.22 NTU,0.2067 cm-1,4.824 mg/L,-20.19mV;鄱阳湖:7.631 NTU,0.1410 cm-1,4.860mg/L,-23.01mV;在亲疏水性能方面,两处原水中强疏、弱疏、中亲和极亲组分的占比(以DOC计)分别为:赣江:40.06%,18.91%,29.69%,11.34%;鄱阳湖:34.98%,15.31%,29.92%,19.78%;赣江原水中各组分的SUVA值相对大小为:极亲(3.79 L·mg-1·m-1)>强疏(2.34 L·mg-1·m-1)>弱疏(1.73L·mg-1·m-1)>中亲(0.70 L·mg-1·m-1),而鄱阳湖原水中强疏和弱疏组分的SUVA值(分别为1.49 L·mg-1·m-1,1.51 L·mg-1·m-1)则略高于极亲和中亲组分(分别为1.00L·mg-1·m-1,0.70 L·mg-1·m-1);在分子量分布方面,赣江和鄱阳湖原水中的有机物分子量呈现出较为相似的规律,即多以中等分子量(1~10kDa)有机物为主,同时还含有少量小分子量(<1000Da)有机物,而有机物在大分子量(>10kDa)区域无响应;在有机物的荧光性质方面,两处原水均以富里酸和腐殖酸等腐殖质类疏水性有机物为主,但鄱阳湖原水中表现出的蛋白质类荧光峰较赣江原水更为明显。强疏和弱疏组分中多含富里酸和腐殖酸类有机物,但两组分中荧光峰的位置有所不同;中亲和极亲组分中则以亲水性蛋白类物质以及溶解性微生物的代谢产物(如多糖、蛋白质等)为主,同时还含有少量的腐殖质类物质。在超滤膜污染特性的研究中,赣江原水连续通过同种截留分子量超滤膜的拥有较为相似的比通量变化趋势。同一原水及各组分对两种截留分子量的超滤膜的比通量变化影响存在差异,而不同原水之间也有所不同。赣江原水及各组分通过100kDa超滤膜时,比通量下降程度的大小顺序为:中亲>强疏>原水>弱疏>极亲,中亲和极亲组分导致的末端比通量值分别为:0.71和0.82;经过50kDa超滤膜时,原水会引起更为严重的通量下降,原水引起的末端比通量值为0.63;而鄱阳湖原水及各组分对两种超滤膜比通量下降的影响较为相似,比通量下降程度的大小顺序为:原水>中亲>强疏>弱疏>极亲,原水分别对两种超滤膜的末端比通量值为:0.70和0.81。在有机物截留方面,以UV254计,赣江原水中极亲组分更容易被两种超滤膜截留,经两周期后其截留率分别为:44.04%和50.24%,而其他组分的截留率均较低,其中弱疏组分在两种超滤膜中的截留效率最低,分别为:8.14%和13.57%;鄱阳湖原水拥有较为相似的截留规律;以DOC计,两种超滤膜更倾向于截留赣江原水中的疏水性有机物,尤其是强疏组分,其拥有最高的去除率分别为:27.34%和38.54%;而两种超滤膜对鄱阳湖中的亲水性有机物也有较高的截留率,其中极亲组分的截留率分别为:13.17%和18.39%。在膜污染可逆性研究中,赣江中的强疏和中亲组分更易对100kDa超滤膜造成可逆污染,而弱疏和极亲组分更易形成不可逆污染,50kDa的超滤膜则与此正好相反;而对于鄱阳湖而言,各组分更加倾向于对100kDa超滤膜形成不可逆污染,而可逆污染更多在50kDa超滤膜上形成。膜污染阻力的试验结果表明,各组超滤试验均处在由膜固有污染阻力为主导的阶段,其值介于4.5×1011~7.8×1011m-1之间;而可逆污染阻力和不可逆污染阻力贡献较小,其值介于0×1011~3.0×1011m-1之间。膜污染物质的识别及机理分析的研究表明,疏水性中等分子量和大分子量的腐殖酸类和富里酸类有机物以及生物大分子有机物是引起膜通量下降的主要物质,这部分有机物多可通过水力反冲来清洗;而多糖类和蛋白质类有机物也会对膜污染有所贡献,这部分有机物则附着在膜孔内壁,多为不可逆膜污染;Hermia膜污染模型的拟合结果表明,两地原水及各组分的膜污染并非某种单一的膜污染机理所致,而是多种机理的共同作用,且整体上均表现为标准堵塞是主要的膜污染机理,而完全堵塞、中间堵塞和滤饼层过滤也会对膜污染有一定程度的贡献。
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