【創新在大工】環境學院科研團隊在污泥脫水膜污染控制方面取得突破

3月19日,大連理工大學環境學院張捍民教授在《自然》子刊《自然-通訊》(Nature Communications)上在線發表了題為“動態反向擴散氯離子驅動一體化污泥調理和脫水”(Dynamic reverse Cl- driven integration of sludge conditioning and dewatering)的研究論文,提出了一種新型原位紫外/電氧化(UV/E-Cl)輔助正向滲透(FO)工藝,用于在活性污泥脫水過程中針對性控制凝膠狀膜污染。

在中國,活性污泥(WAS)作為生物廢水處理過程中不可避免的副產品,其年產量已增長至約6000萬噸,且含水率超過95%。這一現象引發了對其所需土地占用面積及相關環境風險的深切關注。脫水通常是低碳處置及后續WAS管理的第一步。與傳統脫水方法相比,正向滲透(FO)因其相對較低的能耗、更好的出水質量以及優異的水通量穩定性,在脫水應用中展現出顯著潛力。然而,FO脫水效率不可避免地受到膜污染的限制,尤其是由WAS中具有高水合膠體特性的胞外聚合物(EPS)引起的凝膠污染。研究表明,EPS中的蛋白質和多糖是凝膠層形成的關鍵因素,這歸因于它們通過特定的交聯網絡結構機械捕獲間隙結合水,并通過豐富的親水位點(基于偶極-偶極或離子-偶極相互作用)吸附界面結合水的能力。盡管已探索了諸如超聲波、膜改性和化學添加劑等策略以減輕WAS脫水過程中FO膜的污染,但無疑這些方法存在工藝復雜性、連續性差以及較高的運行成本等問題。此外,由于這些技術對蛋白質和多糖的非特異性靶向作用,其效率可能不如預期。
凝膠污染是廢活性污泥(WAS)正向滲透(FO)脫水過程中的主要限速因素。本研究提出了一種新型FO系統,該系統通過動態反向氯離子(Cl−)輔助驅動的原位紫外/電氧化(UV/E-Cl),實現WAS的同時調理和脫水。該系統表現出優異的過濾性能,水通量達到對照組的614%,過濾阻力降低了數個數量級,這主要歸因于對胞外聚合物(EPS)中蛋白質和多糖組分的針對性破壞。密度泛函理論(DFT)模擬表明,蛋白質與多糖的相互作用傾向于特定的線性構型,從而驅動交聯網絡的形成。界面熱力學分析顯示,UV/E-Cl通過切斷交聯,使污染物在膜表面的粘附能降低了97.51%。至關重要的是,本研究提供了定量熱力學證據,表明網絡孔隙周圍水分子狀態從結合水向自由水的轉變主導了凝膠污染的緩解,化學勢變化占過濾阻力的90.71%。
內容來源:大連理工大學新聞網
排版編輯:王樂童
審核校對:崔凱浩 農雅蘭