Tóm tắt

Quá trình ngắn dòng đông tụ - siêu lọc hiệu quả giảm chi phí cơ sở hạ tầng lắng đọng, tuy nhiên, polyacrylamide anion dư (APAM) với chất hữu cơ hòa tan gây ra thách thức cho việc kiểm soát bám bẩn màng UF và ổn định quá trình. Trong nghiên cứu này, cơ chế mà các dư lượng APAM tác động đến hành vi bám bẩn của màng UF trong quá trình đông tụ - siêu lọc đã được điều tra thông qua động học bám bẩn, phân tích hình thái và mô phỏng động lực học phân tử sơ bộ. Đối với albumin huyết thanh bò (BSA, Mw: 133.3 kDa), nồng độ APAM thấp hơn 5 mg/L đã giảm bám bẩn thông qua trung hòa điện tích giữa các nhóm anion của APAM và các dư lượng cation của BSA. Việc giảm bám bẩn đảo ngược khi vượt quá 5 mg/L APAM, với bám bẩn tối thiểu được quan sát ở ngưỡng này. Các mô phỏng động lực học phân tử sơ bộ cho thấy APAM có thể gây ra sự định hướng lại cấu trúc BSA, phơi bày các nhóm ưa nước ra ngoài để làm chậm động học bám bẩn trong khi tăng cường tắc nghẽn lỗ không thể đảo ngược. Đối với axit humic (HA, Mw: 4 kDa), các chuyển tiếp hình thái đã gây ra một điểm uốn bám bẩn ở 10 mg/L APAM, đạt được bám bẩn tối thiểu với 53.41% không thể đảo ngược. Các tập hợp HA đã phát triển thông qua các cấu trúc hạt, keo và lõi-vỏ khi APAM tăng lên. Dữ liệu mô phỏng cho thấy nồng độ APAM đã thay đổi lực tương tác giữa các phân tử, kích hoạt sự thay đổi kích thước floc HA đột ngột và các biến đổi cấu trúc. Kết quả cho thấy việc kiểm soát nồng độ APAM dư trong quá trình ngắn dòng là rất quan trọng để quản lý tốt hơn bám bẩn màng, cung cấp những hiểu biết kỹ thuật để tối ưu hóa hoạt động ổn định của quá trình đông tụ - siêu lọc.

Giới thiệu

Khi tình trạng khan hiếm nước toàn cầu gia tăng và ô nhiễm nguồn nước uống trở nên thường xuyên hơn, nhu cầu về nước sạch tiếp tục tăng [1]. Do đó, việc phát triển các công nghệ xử lý nước mặt tiên tiến để đảm bảo nguồn cung cấp nước uống an toàn và đáng tin cậy đã trở nên cấp bách hơn [2,3]. Quy trình đông tụ-lắng-vi lọc (C–S–UF) được sử dụng rộng rãi trong các dự án xử lý nước mặt trong nước và quốc tế. Quy trình này loại bỏ hiệu quả các chất rắn lơ lửng và vi khuẩn, đảm bảo an toàn cho nguồn cung cấp nước [4]. Tuy nhiên, việc bao gồm các bể lắng trong quy trình này không chỉ làm tăng chi phí xây dựng mà còn kéo dài thời gian xử lý.

Để giải quyết những hạn chế này, các nhà nghiên cứu ngày càng tập trung vào quá trình đông tụ - siêu lọc (C–UF) như một phương pháp ngắn để giảm thiểu chi phí xây dựng cao liên quan đến các bể lắng [5]. Mặc dù đông tụ hiệu quả trong việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng, khả năng loại bỏ chất hữu cơ hòa tan (DOM) khỏi nước của nó là hạn chế. Công nghệ siêu lọc đã thu hút sự chú ý đáng kể nhờ vào những lợi thế của nó, bao gồm chất lượng nước thải ổn định, hiệu suất loại bỏ độ đục cao và khả năng loại bỏ mầm bệnh hiệu quả. Siêu lọc có thể loại bỏ một phần các phân tử lớn của DOM; tuy nhiên, như một nguồn chính gây fouling màng, DOM làm suy yếu sự ổn định của siêu lọc [6]. Khi được tích hợp vào một cấu hình dòng ngắn, quá trình C–UF loại bỏ nhu cầu lắng, đơn giản hóa hoạt động và cho phép giảm đáng kể nồng độ độ đục và chất rắn lơ lửng thông qua đông tụ kết hợp với lọc màng [7]. Khác với các hệ thống C–S–UF thông thường, các thiết lập dòng ngắn làm lộ màng ra các chất đông tụ còn lại và DOM không lắng trong một khoảng thời gian ngắn sau khi cho thuốc, gây ra những rủi ro fouling màng đặc trưng. Mặc dù thuật ngữ “dòng ngắn” vẫn chưa chính thức, nhưng các cấu hình như vậy ngày càng được áp dụng trong các hệ thống nhỏ gọn hoặc phân tán, đặc biệt ở những khu vực hạn chế không gian như Singapore và Nhật Bản. Ví dụ, Nhà máy Nước Tuas của Singapore đã thành công trong việc áp dụng C–UF dòng ngắn từ năm 2018 để xử lý 300.000 m3 nước mỗi ngày [8]. Sự áp dụng ngày càng tăng này nhấn mạnh nhu cầu hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa chất đông tụ - DOM - màng dưới những điều kiện độc đáo này. Các chất đông tụ có tác động hạn chế đến việc loại bỏ DOM, và các chất đông tụ còn lại gây ra sự thay đổi trong các tính chất của DOM, điều này làm thay đổi xu hướng fouling màng, và do đó ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của quá trình trong một dòng ngắn.

Trong số các chất đông tụ khác nhau, polyacrylamide (PAM) thể hiện hiệu suất vượt trội trong việc loại bỏ DOMs [9]. Là chất đông tụ polymer hữu cơ tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất, PAM đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng nước thải. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng PAM không chỉ tăng cường sự kết tụ của các hạt mịn mà còn giảm hiệu quả nồng độ của DOMs. Tuy nhiên, PAM còn lại trong nước có thể góp phần gây fouling màng trong quá trình siêu lọc ngắn sau đó, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống siêu lọc [10]. Việc sử dụng kết hợp polyacrylamide không ion (NPAM) và nhôm polymer chloride (PAC) trong một quy trình đông tụ-siêu lọc ngắn cho xử lý nước uống đã được chứng minh là giảm đáng kể fouling màng siêu lọc và vi lọc [[11], [12], [13]]. Ngược lại, các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng polyacrylamide cation (CPAM) có thể làm trầm trọng thêm fouling màng do sự hấp dẫn tĩnh điện mạnh mẽ giữa polymer mang điện tích dương và bề mặt màng mang điện tích âm, dẫn đến sự hình thành lớp bánh của PAM còn lại trên màng [14]. Ngược lại, đã có bằng chứng cho thấy lớp bánh hình thành từ sự lắng đọng trực tiếp của chất đông tụ có thể giúp giảm thiểu fouling màng [15,16]. Các loại PAM khác nhau có tác động khác nhau đến fouling màng, với CPAM làm trầm trọng thêm fouling. Do tính linh hoạt và độc tính của CPAM, polyacrylamide anion (APAM) thường được sử dụng cho quá trình tạo bông trong xử lý nước [17]. Tuy nhiên, các nghiên cứu hệ thống về cơ chế mà APAM còn lại ảnh hưởng đến fouling màng do các loại DOM khác nhau vẫn còn thiếu.

Hơn nữa, các biến đổi có thể đảo ngược và không thể đảo ngược của sự bám bẩn màng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của màng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng loại DOM ảnh hưởng đến bản chất của sự bám bẩn màng, với một số loại DOM dễ dàng gây ra sự bám bẩn không thể đảo ngược, từ đó làm tăng tốc độ suy thoái của màng [18,19]. Trong khi đó, đã có đề xuất rằng các tương tác giữa các chất keo tụ, chẳng hạn như PAM, và các DOM cụ thể có thể thay đổi hành vi bám bẩn màng, khiến cho việc bám bẩn trở nên khó đảo ngược hơn và làm tăng đáng kể khả năng xảy ra bám bẩn không thể đảo ngược [20]. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu điều tra các biến đổi có thể đảo ngược / không thể đảo ngược của sự bám bẩn màng do nồng độ APAM gây ra với các DOM điển hình.

Nghiên cứu này nhằm giải quyết khoảng trống này bằng cách điều tra tác động của APAM dư lượng trong quá trình đông tụ-siêu lọc dòng ngắn đến hành vi lọc màng sau đó. Tác động của sự thay đổi nồng độ APAM đến điện thế và kích thước hạt đã được điều tra bằng cách sử dụng các DOM điển hình, bao gồm BSA (Mw: 133,3 kDa) và HA (Mw: 4 kDa), điều này đã gây ra sự thay đổi trong hiện tượng bám bẩn màng và sự thay đổi trong hình thái vi mô. Đầu tiên, các tác động của sự biến đổi nồng độ APAM dư lượng đến hiệu suất lọc màng và các đặc tính của lớp bám bẩn màng đã được điều tra. Thêm vào đó, hình thái vi mô và các đặc tính của lớp bám bẩn đã được phân tích bằng cách sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Để điều tra thêm về sự chuyển đổi có thể đảo ngược/không thể đảo ngược của bám bẩn màng, các mô phỏng MD sơ bộ đã được thực hiện để khám phá các cơ chế cơ bản. Nghiên cứu này làm sáng tỏ ảnh hưởng của nồng độ APAM đến sự chuyển đổi có thể đảo ngược/không thể đảo ngược của bám bẩn màng, cung cấp cơ sở lý thuyết để hiểu cơ chế của hiện tượng bám bẩn màng do chất đông tụ dư lượng gây ra. Những phát hiện này có thể giúp tối ưu hóa hoạt động ổn định của quá trình đông tụ-siêu lọc dòng ngắn.

Ảnh hưởng của nồng độ APMA đến kích thước hạt DOM và tiềm năng

Sự biến đổi trong tiềm năng zeta và kích thước hạt của BSA và HA với nồng độ APAM tăng lên được trình bày trong Hình 2. Đối với đại phân tử điển hình BSA, tiềm năng zeta của dung dịch giảm mạnh từ −11.0 đến −27.2 mV, trong khi kích thước hạt tăng đáng kể từ 248.7 đến 292.8 nm khi nồng độ APAM tăng từ 0 đến 5 mg/L. Giá trị tuyệt đối của tiềm năng zeta tăng lên với nồng độ APAM, điều này có thể được quy cho điện tích âm cao hơn.

Kết luận

Nghiên cứu này đã điều tra một cách có hệ thống cách mà nồng độ dư của APAM điều chỉnh hành vi bám bẩn màng trong quá trình C–UF ngắn bằng cách sử dụng hai chất bẩn mô hình: BSA và HA. Các kết luận chính như sau:

Lọc, kết dính–giải hấp phụ QCM-D và kết quả hình thái AFM cho thấy rằng các chất keo còn lại có thể gây ra sự thay đổi trong hành vi bám bẩn màng do DOM gây ra. Hành vi bám bẩn màng cho thấy tính đảo ngược phụ thuộc vào nồng độ và sự biến đổi cấu trúc.