Prestaties van geavanceerde oxidatie en verbeterde coagulatie voorbehandeling gecombineerd met lage druk-aangedreven membraanproces

Ultrafiltratie (UF) heeft uitgebreide toepassingsmogelijkheden bij waterbehandeling, maar de problemen van membraanvervuiling tijdens langdurig gebruik en slechte verwijdering van opgeloste verontreinigende stoffen beperken nog steeds de verdere popularisering en toepassing ervan. UF-membraanvervuiling verhoogt niet alleen het energieverbruik van de procesoperatie, maar verkort ook de levensduur van het ultrafiltratiemembraan. Daarom kan het identificeren van vervuiling door ultrafiltratie, het ontdekken van het mechanisme van vervuiling door ultrafiltratie en het ontwikkelen van technologieën voor vervuiling door lage ultrafiltratie de werking van ultrafiltratietechnologie optimaliseren. Voorbehandeling is een belangrijke maatregel om de vervuiling van ultrafiltratiemembranen tegen te gaan en de efficiëntie van de waterzuivering te verbeteren. In de afgelopen jaren is er steeds meer onderzoek gedaan naar voorbehandelingstechnologieën. Onder hen omvatten de meest bestudeerde voorbehandelingsmethoden coagulatie-voorbehandeling, adsorptie-voorbehandeling, filtratie-voorbehandeling, oxidatie-voorbehandeling en gecombineerde voorbehandeling, enz.

Oxidatie is een voorbehandelingsmethode met ultrafiltratie die veel wordt gebruikt. Enerzijds kan pre-oxidatie organische verontreinigende stoffen mineraliseren en afbreken, of de structuur en eigenschappen van organisch materiaal veranderen (bv. molecuulgewicht, hydrofobiciteit, enz.), Waardoor de vervuiling van het ultrafiltratiemembraan door organisch materiaal wordt beïnvloed; aan de andere kant kan pre-oxidatie de groei van micro-organismen remmen, waardoor biologische vervuiling wordt verminderd. Elektrische neutralisatie, adsorptieoverbrugging, netvangst en veegeffecten waren de dominante mechanismen tijdens de voorbehandeling van de coagulatie. Colloïden en gesuspendeerde vaste stoffen vormen geleidelijk grotere vlokken, waardoor de vervuilingsbelasting van het ultrafiltratiemembraan wordt verminderd en de effluentkwaliteit wordt verbeterd. In dit proefschrift werd pre-oxidatie, inclusief anodiseren met boor-gedoteerde diamant (BDD), ozonering en ferro / peroxymonosulfaat, gebruikt als voorbehandelingsstrategieën voor het ultrafiltratieproces tijdens de behandeling met humuszuur en met algen beladen water (Hoofdstuk 3, Hoofdstuk 4 en Hoofdstuk 5). Daarnaast werd een verbeterde coagulatiemethode op basis van slibrecycling ook gebruikt als voorbehandelingsstrategie voor het ultrafiltratieproces in een pilot-schaalstudie (Hoofdstuk 6).

Ten eerste werd elektrochemische oxidatie met behulp van een BDD-elektrode gebruikt als een voorbehandelingsstrategie om vervuiling van het ultrafiltratiemembraan tijdens filtratie van humuszuuroplossing te verminderen. Het bleek dat op BDD gebaseerde anodische oxidatie de verwijderingsefficiëntie van opgeloste organische stoffen effectief verbeterde. Gebaseerd op een XAD-harsadsorptie-experiment, nam de fractie van hydrofiele componenten significant toe na de voorbehandeling met elektro-oxidatie. Bovendien bleek de op BDD gebaseerde oxidatie-voorbehandeling het potentieel voor de vorming van desinfectiebijproducten te verminderen. Een tweetraps vervuilingsmodel en de vrije energie aan het grensvlak werden gebruikt om de vervuilingsbeperkende mechanismen te onderzoeken via voorbehandeling met elektrochemische oxidatie. De resultaten tonen aan dat membraanvervuiling werd verminderd door toenemende afstotende interacties en afnemende aantrekkelijke interacties tussen humuszuurmoleculen en het membraanoppervlak na elektrochemische oxidatie. Met een langere elektrochemische oxidatietijd verschoof het dominante mechanisme van membraanvervuiling van volledige poriënblokkering en koekfiltratie, voornamelijk veroorzaakt door hydrofobe humuszuurverbindingen met een hoger molecuulgewicht, naar standaardblokkering en poriënblokkering, veroorzaakt door hydrofiele humuszuurverbindingen met een laag molecuulgewicht .

Evenzo werd ultrafiltratie-pre-oxidatie met een BDD-elektrode ook gebruikt om membraanvervuiling tijdens met algen beladen waterbehandeling te verminderen. Er werd gevonden dat BDD-anodisatie op efficiënte wijze membraanvervuiling kan verminderen, ongeacht het filtratiemembraanmateriaal wanneer de oxidatietijd meer dan 30 minuten was. Dit was omdat de weerstand tegen vervuiling van de koeklaag sterk werd verminderd door het pre-oxidatieproces. De gegenereerde kleine moleculaire organische stoffen na anodische oxidatie kunnen de kans op verstopping van de poriën vergroten. Het anodiseren bij voorkeur geoxideerde hydrofobe organische en fluorescerende stoffen, die bevorderlijk zijn voor het verminderen van membraanvervuiling en het verbeteren van de productie-efficiëntie. Bovendien waren precursoren van desinfectiebijproducten en schadelijke algen-afgeleide stoffen van UF-gefiltreerde oplossing aanwezig. De algenlichamen neigen tot agglomeratie en het zetapotentieel nam duidelijk af na de voorbehandeling, wat van groot belang is voor het vormen van een losse koeklaagstructuur. Bovendien werd de interactiekracht tussen membraan en vervuilende stoffen ook omgezet in een afstotende kracht na pre-oxidatie, wat impliceert dat BDD-pre-oxidatie een effectieve manier was om vervuiling van de koeklaag te verminderen door interacties tussen vuil en membraan te verminderen. De secundaire organische afgifte van een dynamisch gevormde koeklaag bleek beperkt te zijn, vooral voor levende algencellen.

Aan de andere kant werd in situ voorbehandeling met ozon en Fe (II) / persulfaat toegepast om membraanvervuiling te onderdrukken tijdens filtratie van met algen beladen water en om de afstoting van metabolieten te verbeteren. Zowel ozonering als Fe (II) / persulfaat pre-oxidatie hebben een negatieve invloed op de celintegriteit, met name ozonisatie. Fe (II) / persulfaat-voorbehandeling verbeterde de verwijdering van opgeloste organische koolstof en microcystine-LR, maar ozonisatie verslechterde de kwaliteit van het gefiltreerde water. Dit suggereert dat de oxidatieselectiviteit van Fe (II) / persulfaat voornamelijk voor organische afbraak is en niet voor celbeschadiging. Met ozonering werden 2-methylisoborneol en geosmine gedetecteerd in het gefiltreerde water. Bovendien verhoogde ozonisatie de onomkeerbare vervuiling. De intracellulaire organische afgifte en generatie van kleine moleculaire organische stoffen kan de reden zijn voor de beperkte vermindering van membraanvervuiling door ozonering. Fe (II) / persulfaatoxidatie zou de weerstand tegen vervuiling van het membraan aanzienlijk kunnen verminderen bij een dosering van meer dan 0,2 mM. Dit is slechts één twintigste van de membraanvervuilingsweerstand zonder oxidatie. Aangenomen wordt dat het gecombineerde effect van oxidatie en coagulatie de reden is voor de uitstekende bestrijding van biologische groei met Fe (II) / persulfaat-vooroxidatie. Membraanvervuiling tijdens filtratie van met algen beladen water wordt achtereenvolgens beheerst door volledige blokkering en koekfiltratie. Ozonisatie veroorzaakte de verschuiving van het initiële hoofdmechanisme naar intermediaire blokkering, en Fe (II) / persulfaat-voorbehandeling (> 0,2 mM) zette het dominante mechanisme om in enkelvoudige standaardblokkering.

Verder werd in deze studie een pilootschaal studie naar het verbeterde coagulatie-ultrafiltratie (UF) proces van slibrecycling voor oppervlaktewaterbehandeling uitgevoerd. De impact van de slibrecyclingverhouding en coagulatieroerstrategie op verwijdering, sedimentatie-efficiëntie en membraanvervuiling werd in dit werk bestudeerd. Er werd een slibrecyclageverhouding van 0%, 5%, 10%, 15% en 20% gehanteerd en de optimale verhouding bleek 10% te zijn. Bovendien werden ook vier roerstrategieën toegepast, en de beste roerstrategie voor coagulatie bleek snel mengen te zijn (snelheidsgradiënt: 280 s-1), wat behoorlijk verschilt van de coagulatie-roerstrategie zonder slibrecyclage. Dit suggereert dat het adsorptie-effect van slib een leidende rol zou kunnen spelen tijdens de procedure. Bovendien is verkorting van het coagulatieproces mogelijk om het energieverbruik te verminderen.