Zusammenfassung

Der Koagulations-Ultrafiltrationskurzflussprozess reduziert effektiv die Kosten für Sedimentationsinfrastrukturen, jedoch stellen verbleibende anionische Polyacrylamid (APAM) mit gelöster organischer Substanz Herausforderungen für die Kontrolle der Membranverunreinigung und die Prozessstabilität dar. Im Rahmen dieser Studie wurde der Mechanismus untersucht, durch den die Rückstände des Koagulans APAM das Verunreinigungsverhalten von UF-Membranen während des Koagulations-Ultrafiltrationsprozesses beeinflussen, und zwar durch Verunreinigungskinetik, morphologische Analysen und vorläufige molekulare Dynamik-Simulationen. Für bovines Serumalbumin (BSA, Mw: 133,3 kDa) milderten APAM-Konzentrationen unter 5 mg/L die Verunreinigung durch Ladungsneutralisation zwischen den anionischen Gruppen von APAM und den kationischen Rückständen von BSA. Die Minderung der Verunreinigung kehrte bei mehr als 5 mg/L APAM um, wobei bei diesem Schwellenwert minimale Verunreinigung beobachtet wurde. Vorläufige molekulare Dynamik ergab, dass APAM eine strukturelle Umorientierung von BSA induzieren kann, wodurch hydrophile Gruppen nach außen exponiert werden, um die Verunreinigungskinetik zu verlangsamen, während die irreversible Porenverstopfung zunimmt. Für Huminsäure (HA, Mw: 4 kDa) verursachten morphologische Übergänge eine Verunreinigungsinflektion bei 10 mg/L APAM, wobei eine minimale Verunreinigung mit 53,41 % Irreversibilität erreicht wurde. HA-Agregate entwickelten sich durch partikuläre, flockige und Kern-Schale-Strukturen, als APAM zunahm. Simulationsdaten zeigten, dass APAM-Konzentrationen intermolekulare Kräfte veränderten, was plötzliche Änderungen der HA-Flockengröße und strukturelle Transformationen auslöste. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kontrolle der verbleibenden APAM-Konzentration im Kurzflussprozess entscheidend ist, um die Membranverunreinigung besser zu steuern und technische Einblicke zur Optimierung des stabilen Betriebs des Koagulations-Ultrafiltrationsprozesses zu bieten.

Einführung

Da die globale Wasserknappheit zunimmt und die Kontamination von Trinkwasserquellen häufiger wird, steigt die Nachfrage nach sauberem Wasser weiterhin [1]. Folglich ist die Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Oberflächenwasseraufbereitung zur Sicherstellung einer sicheren und zuverlässigen Trinkwasserversorgung zunehmend dringend geworden [2,3]. Der Koagulations-Sedimentations-Ultrafiltrationsprozess (C–S–UF) wird in nationalen und internationalen Projekten zur Oberflächenwasseraufbereitung weit verbreitet eingesetzt. Dieser Prozess entfernt effizient Schwebstoffe und Bakterien und gewährleistet die Sicherheit der Wasserversorgung [4]. Die Einbeziehung von Sedimentationsbecken in diesen Prozess erhöht jedoch nicht nur die Baukosten, sondern verlängert auch die Behandlungszeit.

Um diese Einschränkungen zu adressieren, haben sich Forscher zunehmend auf die Koagulation-Ultrafiltration (C–UF) als eine Kurzprozessalternative konzentriert, um die hohen Baukosten im Zusammenhang mit Sedimentationsbecken zu mindern [5]. Obwohl die Koagulation effektiv suspendierte Feststoffe entfernt, ist ihre Fähigkeit, gelöste organische Stoffe (DOMs) aus Wasser zu entfernen, begrenzt. Die Ultrafiltrationstechnologie hat aufgrund ihrer Vorteile, einschließlich stabiler Abwasserqualität, hoher Effizienz bei der Entfernung von Trübstoffen und effektiver Pathogenentfernung, erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Die Ultrafiltration kann große Moleküle von DOMs teilweise entfernen; jedoch beeinträchtigen DOMs als primäre Quelle der Membranverunreinigung die Stabilität der Ultrafiltration [6]. Wenn sie in eine Kurzflusskonfiguration integriert wird, beseitigt der C–UF-Prozess die Notwendigkeit der Sedimentation, vereinfacht den Betrieb und ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Trübung und der Konzentrationen suspendierter Feststoffe durch Koagulation in Verbindung mit Membranfiltration [7]. Im Gegensatz zu herkömmlichen C–S–UF-Systemen setzen Kurzflussanordnungen Membranen innerhalb kurzer Zeit nach der Dosierung Rückständen von Koagulantien und nicht absetzbaren DOMs aus, was spezifische Risiken der Membranverunreinigung mit sich bringt. Obwohl der Begriff „Kurzfluss“ informell bleibt, werden solche Konfigurationen zunehmend in kompakten oder dezentralen Systemen angenommen, insbesondere in raumbegrenzten Regionen wie Singapur und Japan. Zum Beispiel hat Singapurs Tuas-Wasserwerk seit 2018 erfolgreich Kurzfluss-C–UF eingesetzt, um täglich 300.000 m3 Wasser zu behandeln [8]. Diese wachsende Akzeptanz unterstreicht die Notwendigkeit, die Wechselwirkungen zwischen Koagulantien, DOM und Membran unter diesen einzigartigen Bedingungen besser zu verstehen. Koagulantien haben einen begrenzten Einfluss auf die Entfernung von DOM, und verbleibende Koagulantien führen zu einer Veränderung der Eigenschaften von DOM, was die Neigung zur Membranverunreinigung verändert und somit den stabilen Betrieb des Prozesses in einem Kurzfluss beeinflusst.

Unter den verschiedenen Flockungsmitteln zeigt Polyacrylamid (PAM) eine überlegene Leistung bei der Entfernung von DOMs [9]. Als das am häufigsten verwendete synthetische organische Polymer-Flockungsmittel spielt PAM eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Qualität des Abwassers. Studien haben gezeigt, dass PAM nicht nur die Aggregation feiner Partikel verbessert, sondern auch die Konzentration von DOMs effektiv reduziert. Allerdings kann verbleibendes PAM im Wasser zur Membranverunreinigung im nachfolgenden Kurzfluss-Ultrafiltrationsprozess beitragen, was die Effizienz des Ultrafiltrationssystems beeinträchtigt [10]. Die kombinierte Verwendung von nichtionischem Polyacrylamid (NPAM) und polymerem Aluminiumchlorid (PAC) in einem kurzen Koagulations-Ultrafiltrationsprozess zur Trinkwasseraufbereitung hat gezeigt, dass sie die Membranverunreinigung bei Ultrafiltration und Mikrofiltration erheblich reduzieren kann [[11], [12], [13]]. Im Gegensatz dazu haben andere Studien gezeigt, dass kationisches Polyacrylamid (CPAM) die Membranverunreinigung verschärfen kann, aufgrund der starken elektrostatischen Anziehung zwischen dem positiv geladenen Polymer und der negativ geladenen Membranoberfläche, was zur Bildung einer Schicht aus verbleibendem PAM auf der Membran führt [14]. Umgekehrt wurde gezeigt, dass die Schicht, die durch die direkte Ablagerung des Flockungsmittels gebildet wird, helfen kann, die Membranverunreinigung zu mildern [15,16]. Verschiedene Arten von PAMs haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Membranverunreinigung, wobei CPAM die Verunreinigung verschärft. Aufgrund der Vielseitigkeit und Toxizität von CPAM wird anionisches Polyacrylamid (APAM) häufig zur Flockung in der Wasseraufbereitung verwendet [17]. Allerdings fehlen systematische Studien zu den Mechanismen, durch die verbleibendes APAM die durch verschiedene Arten von DOMs verursachte Membranverunreinigung beeinflusst.

Darüber hinaus haben die reversiblen und irreversiblen Transformationen der Membranverunreinigung einen erheblichen Einfluss auf die Membranleistung. Studien haben gezeigt, dass die Art der DOMs die Natur der Membranverunreinigung beeinflusst, wobei bestimmte DOM-Typen eher irreversible Verunreinigungen hervorrufen und somit die Membranzerstörung beschleunigen [18,19]. In der Zwischenzeit wurde vorgeschlagen, dass Wechselwirkungen zwischen Koagulantien, wie PAM, und spezifischen DOMs das Verhalten der Membranverunreinigung verändern können, wodurch die Verunreinigung schwieriger umkehrbar wird und die Wahrscheinlichkeit irreversibler Verunreinigungen erheblich steigt [20]. Es gibt jedoch nur wenige Studien, die die reversiblen/irreversiblen Transformationen der durch APAM-Konzentrationen mit typischen DOMs induzierten Membranverunreinigung untersucht haben.

Diese Studie zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem sie die Auswirkungen von verbleibendem APAM in einem Kurzfluss-Koagulations-Ultrafiltrationsprozess auf das anschließende Membranfiltrationsverhalten untersucht. Die Auswirkungen von Änderungen der APAM-Konzentration auf das Potenzial und die Partikelgröße wurden unter Verwendung typischer DOMs, einschließlich BSA (Mw: 133,3 kDa) und HA (Mw: 4 kDa), untersucht, die Membranverunreinigungen und Veränderungen in der mikroskopischen Morphologie induzierten. Zunächst wurden die Auswirkungen von Variationen in der Konzentration von verbleibendem APAM auf die Membranfiltrationsleistung und die Eigenschaften der Membranverunreinigungs-Schicht untersucht. Darüber hinaus wurden die mikroskopische Morphologie und die Eigenschaften der Verunreinigungs-Schicht mit Hilfe der Atomkraftmikroskopie (AFM) analysiert. Um die reversible/irreversible Transformation von Membranverunreinigungen weiter zu untersuchen, wurden vorläufige MD-Simulationen durchgeführt, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen. Diese Studie erläutert den Einfluss der APAM-Konzentration auf die reversible/irreversible Transformation von Membranverunreinigungen und bietet eine theoretische Grundlage für das Verständnis des Mechanismus der durch verbleibenden Koagulanten induzierten Membranverunreinigung. Diese Ergebnisse können helfen, den stabilen Betrieb des Kurzfluss-Koagulations-Ultrafiltrationsprozesses zu optimieren.

Der Effekt der APMA-Konzentration auf die DOM-Partikelgröße und das Potenzial

Die Variationen im Zeta-Potential und der Partikelgröße von BSA und HA mit steigenden Konzentrationen von APAM sind in Abb. 2 dargestellt. Für das typische Makromolekül BSA sank das Zeta-Potential der Lösung stark von −11,0 auf −27,2 mV, während die Partikelgröße signifikant von 248,7 auf 292,8 nm anstieg, als die APAM-Konzentration von 0 auf 5 mg/L erhöht wurde. Der Betrag des Zeta-Potentials nahm mit der APAM-Konzentration zu, was auf die höhere negative Ladung zurückzuführen ist.

Schlussfolgerung

Diese Studie untersuchte systematisch, wie Restkonzentrationen von APAM das Membranverblockungsverhalten in einem kurzen C–UF-Prozess unter Verwendung von zwei Modellverunreinigungen: BSA und HA modulieren. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind wie folgt:

Filtration, QCM-D Adsorption–Desorption und AFM-Morphologieergebnisse haben gezeigt, dass verbleibende Koagulanten Veränderungen im durch DOM induzierten Membranverblockungsverhalten hervorrufen können. Die Membranverblockung zeigte eine konzentrationsabhängige Umkehrbarkeit und strukturelle Transformation.