聚乙烯醇(PVA)对模拟胞外聚合物(EPS)在错流超滤中膜污染

聚乙烯醇(PVA)对模拟胞外聚合物(EPS)在错流超滤中膜污染的影响

王 歌， 李 方， 吴 亮， 付乐乐

(东华大学环境科学与工程学院，上海 201620)

摘 要：研究了在模拟胞外聚合物(EPS)溶液中添加聚乙烯醇(PVA)对错流超滤膜过滤过程的影响. 对有无添加PVA的模拟EPS溶液分别用错流平板膜进行超滤实验，用Hermia修正模型对实验数据进行拟合，分析验证膜污染机理. 结果表明，无论是否添加PVA，模拟溶液的通量−时间实验数据对滤饼堵塞模型的拟合度都最高，为0.1∼0.994；添加PVA的模拟EPS溶液形成的吸附阻力和膜污染阻力均比无添加的溶液高约0.5倍，滤饼比阻比无添加的溶液高约4倍，分别为2.29×1014和9.57×1014 m−1；模拟EPS溶液添加PVA后，通量对操作压力的敏感度增加，对膜面流速的敏感度却降低.

关键词：聚乙烯醇；模拟胞外聚合物；Hermia修正模型；滤饼堵塞模型

中图分类号：TQ028-8 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2012)03−0409−06

1 前 言

膜污染依然是阻碍膜工艺技术在废水处理中应用的关键问题. 废水处理的膜污染问题已有大量研究，尤其是与胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substance, EPS)有关的膜污染. 污水生物处理过程中，微生物会产生一种被称为EPS的代谢产物，它是一种由多种有机高分子聚合物组成的混合物，紧密附着在细胞壁上形成保护层，一旦游离于水中后就会造成膜过滤过程中的有机污染. 这些高聚物主要由多糖、蛋白质、腐殖酸和核酸组成[1]. 研究发现可溶性有机物和多糖比胶体有机物和蛋白质更易产生膜污染[2]，一些研究者利用纯多糖[3,4]、纯蛋白质溶液[5]或其混合液[6,7]模拟EPS来研究膜污染，但在利用膜技术处理某些工业废水的应用中，EPS似乎不是主要引起膜污染的物质，而工业废水中难生物降解若与水中的有机物或无机化合物也严重影响膜通量[8,9]，游离的生物高聚物共存，在膜过滤过程中将会产生协同效应，导致更严重的膜污染[10].

聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)是广泛应用于纺织工业中的上浆剂，是典型的难降解可溶性有机物之一. 退浆工艺中产生包含上浆剂的退浆废水，成为最难处理的纺织废水[11,12]. 由于PVA生物降解很慢，一些原始高聚物和废渣存在于纺织废水处理厂的二级出水中[13,14]，当二级出水用膜分离技术处理时，这些高聚物和废渣将使膜产生严重的污染. 虽然通过膜分离技术从染整废水回收PVA已有报道[15,16]，但对PVA对EPS膜污染的影响机理还未见报道.

本实验拟采用多糖、蛋白质、腐殖酸模拟EPS溶

液，考察EPS模拟溶液引起膜污染的现象，通过对比含和不含PVA的模拟EPS溶液的过滤实验，分析PVA对EPS膜污染的影响，并探讨溶液中PVA与EPS对膜污染的协同效应，验证膜分离技术在纺织废水处理中的可行性.

2 实 验

2.1 材料与试剂

超滤膜：聚醚砜(PES)膜(Synder, US)，截留分子量分别为1K, 10K, 100K的3种膜.

模拟EPS溶液：海藻酸钠(PS)、腐植酸(HA)和牛白蛋白(BSA)按一定比例配制.

混合溶液(添加PVA的模拟EPS溶液)：海藻酸钠(PS)、腐植酸(HA)、牛白蛋白(BSA)和聚乙烯醇(PVA)按一定比例配制. 2.2 实验装置与分析仪器

实验装置如图1所示，整个系统主要由平板膜装置、水箱、抽水泵、流量计及压力表构成，水箱容积6 L

1 2 6 3 4 7 8 10 5 9 1. Feed water tank 2. Pump 3, 4, 5. Control valve 6. Flow meter 7. Flat membrane module 8. Pressure gauge 9. Effluent beaker 10. Electronic balance

图1 错流超滤装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of cross-flow ultrafiltration system

收稿日期：2012−01−18，修回日期：2012−04−16

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(编号：20906011)

作者简介：王歌(19−)，女，河南省驻马店市人，硕士研究生，主要从事膜过滤研究；李方，通讯联系人，E-mail: lifang@dhu.edu.cn.

410 过 程 工 程 学 报 第12卷

以满足每次实验需要水量；为了方便调节流量及压力，在管道中添加了调节阀门. 实验所用超滤膜材质是PES. 采用错流超滤平板膜装置分别在不同条件下进行过滤实验并对比研究，分析不同条件下PVA对膜通量衰减的影响，并通过Hermia修正模型模拟确定膜污染模型.

从图2和表1可看出，添加PVA后模拟EPS溶液的胶粒粒径明显增大，说明PVA有显著的微絮凝效应，线性PVA分子在絮凝过程中产生桥架和交联作用，将生物高聚物凝聚成粒径更大的颗粒. 另外可看到，混合溶液中颗粒的Zeta电位绝对值明显大于单独仪器：纳米粒度和Zeta电位分析仪(Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments, UK)测定溶液的Zeta电位和分子粒径；E7-2 II秒表(上海手表五厂)和MP51001电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)分别每隔10 min记录时间和出水质量；SL200C接触角仪[上海梭伦信息科技有限公司]、DP05隔膜泵(上海中成泵业制造有限公司)、NO.070575压力表(上海申北仪表电器厂)、LZS塑料管转子流量计(16∼160 L/h，浙江余姚工业自动化仪表厂)分别提供进水、调节压力和流量. 采用8400超滤杯[艾美康恩中国有限公司]以死端过滤方式测得滤饼比阻，压力0.1 MPa[17]. 2.3 实验方法 2.3.1 料液的配制

EPS由多糖、蛋白质、核酸和腐殖酸等组成，本实验用海藻酸钠、蛋白质和腐殖酸3种物质按一定比例配制模拟EPS溶液，浓度分别为50, 25和25 mg/L，接近真实的EPS组分[2]. 本实验所用聚乙烯醇(PVA)聚合度为1750±50，醇解度99%，溶于水. 混合溶液中海藻酸钠、蛋白质、腐殖酸和PVA的浓度分别为40, 20, 20和20 mg/L.

用纳米粒度和Zeta电位分析仪测定模拟EPS和混合溶液的分子粒径和电位，粒径测量范围0.6∼6000 nm. 所有的样品用Milli-Q纯水配制，并用0.4 µm的滤纸过滤，配制完毕3 h后进行粒径和电位测试. 模拟EPS, PVA和添加PVA的模拟EPS混合液(MIX)的粒径分布如图2所示.

10 PVA

EPS8 MIX

) %( e6 mulo4 V 2 0

20

55

148

403

109729818103

d (nm)

图2 模拟EPS, PVA溶液和混合溶液中粒子的水力学直径分布 Fig.2 Hydrodynamic diameter distributions of particles in EPS,

PVA and MIX solutions

的EPS溶液和PVA溶液，这也说明絮凝现象已产生.

表1 溶液胶粒特征

Table 1 Characteristics of the particles in solutions

Solution Zeta potential (mV) Diameter (nm) MW (Da) EPS 0.53 438.1±85 9.83×105 PVA 0.34 184.3±84 1.37×105 MIX −3.80 2723.5±327 3.55×107

2.3.2 Hermia修正模型

Hermia[18]将过滤过程进行假设并提出了经典模型，见式(1)，当n=2, 1, 3/2, 0时，分别为完全堵塞模型、中间堵塞模型、标准堵塞模型和滤饼堵塞模型. 经典模型一般只适用于描述膜污染的特定阶段，它主要描述了死端过滤过程中的4种污染机理，并不能对整个过滤过程进行描述. Field将该理论拓展到错流过滤操作中，得到了修正方程[式(2)][19]，通过n的取值和不同的参数，形成4种不同的过滤模型，具体见表2.

d2tn

dv2=K⎛⎜dv⎞

⎝dt⎟⎠, (1) −dJp2−ndt

=KCF(Jp−Jps)Jp, (2)

式中，t为时间，v为滤液体积，K为常数，n为指数，Jp为恒压瞬时通量，KCF为错流系统常数，Jps为恒压稳定通量.

表2 Hermia堵塞过滤修正模型

Table 2 Expressions and relationships of modified

Hermia models

Model n Equation Complete blocking 2.0J−kcJp=Jps+(J0+Jps)e0t Standard blocking 3/2JJ0p=(J2k2 0+J1/0st)Intermediate Jpstblocking 1.0JJkipsep=J0JkJpstps+J0(ei−1) Cake filtration 0 t=1⎡⎛JpJ0−Jps⎞k2ln⎢⎜glJp⎢⎣⎜⎟⎝J0Jp−Jps⎟−J⎛11⎞⎤⎠ps⎜⎜⎝J−⎟⎥pJ0⎟⎠⎥⎦Note: J0 is the initial permeate flux, kc, the constant of the complete blocking model, ks, the constant of the standard blocking, ki,

the constant of the intermediate blocking and kgl, the constant of the cake filtration.

2.3.3 膜阻力测定

为了得到PVA对膜阻力对过滤过程的影响，测试了新膜阻力Rm、吸附阻力Rad和堵塞阻力Rbl，清洁膜用清水和待过滤溶液(EPS溶液和混合溶液)浸泡12 h，

第3期 王歌等：聚乙烯醇(PVA)对模拟胞外聚合物(EPS)在错流超滤中膜污染的影响 411

在0.1 MPa和0.1 m/s工况下进行清水过滤，分别确定超滤膜本身的阻力(Rm)和污染吸附总阻力R1；在对溶液进行过滤实验后，用清水冲洗膜表面后在相同工况下测定膜通量，确定膜总堵塞阻力R2. 实际膜吸附阻力(Rad)和堵塞阻力(Rbl)可由式(3)和(4)计算：

Rad=R1−Rm, (3) Rbl=R2−Rm. (4)

用3种截留分子量的超滤膜分别在操作压力0.1, 0.2 MPa和膜面流速0.1, 0.3 m/s条件下对模拟EPS和混合溶液进行过滤实验，记录通量随时间的变化，对实验数据用Hermia修正模型进行模拟，得到回归系数R2值如表3所示. 由表可明确看出，在各种条件下，膜污染都较符合滤饼模型.

由表1可知，EPS和混合溶液的平均分子量分别为9.83×105和3.55×107 Da，比膜孔径大很多，根据堵塞理论，当分子粒径比膜孔径大很多时为滤饼过滤. 比较表无论是否添加PVA，滤饼过滤是主3中各R2值可看出，

要的污染机理，可较合理地说明超滤过滤通量的衰减.

3 结果与讨论

3.1 膜污染机理分析 3.1.1 模型拟合

表3 Hermia修正模型拟合所得的相关系数R2值

Table 3 The values of R2 fitting to the experimental data obtained for blocking models

Molecular weight cut-off (MWCO)

0.1 MPa

Model

0.2 MPa

0.1 m/s 0.3 m/s 0.1 m/s 0.3 m/s

EPS MIX EPS MIX EPS MIX EPS MIX

Complete 0.795 0.869 0.711 0.866 0.860 0.854 0.771 0.826 Standard 0.809 0.873 0.808 0.877 0.862 0.858 0.782 0.847 Intermediate 0.823 0.876 0.904 0.885 0.8 0.862 0.792 0.8 Cake 0.950 0.993 0.981 0.993 0.958 0.943 0.914 0.996 Complete 0.838 0.823 0.774 0.807 0.826 0.793 0.749 0.813 Standard 0.857 0.849 0.886 0.857 0.866 0.867 0.866 0.849 Intermediate 0.871 0.868 0.920 0.906 0.904 0.867 0.779 0.862 Cake 0.986 0.977 0.993 0.990 0.961 0.904 0.905 0.984 Complete 0.727 0.719 0.786 0.766 0.727 0.710 0.721 0.791 Standard 0.844 0.858 0.8 0.902 0.850 0.848 0.842 0.725 Intermediate 0.9 0.980 0.990 0.934 0.968 0.977 0.958 0.800 Cake 0.984 0.993 0.992 0.979 0.991 0.967 0.907 0.2

1K

10K

100K

根据微粒与膜孔径的相对大小将超滤堵塞模型分为4类：完全堵塞过滤模型、标准堵塞过滤模型、中间堵塞过滤模型、滤饼层过滤模型. 滤饼层过滤在过滤微粒粒径大于膜孔孔径时形成，被截留的大分子物质在膜表面形成滤饼层. 中间堵塞过滤的微粒半径小于膜孔径1∼2个数量级，在膜孔内有一定的堵塞，属过渡型堵塞模型，是从标准堵塞向完全堵塞过渡的过程.

从表3看，截留分子量越小的膜其过滤机理越符合滤饼过滤模型，说明溶液颗粒与膜平均孔径相差越大，颗粒越易在膜表面沉积成滤饼层；随截留分子量增加，膜过滤模型向中间堵塞模型接近. 3.1.2 膜阻力

表4是3种膜过滤模拟EPS溶液和EPS−PVA混合液时膜本身阻力Rm、膜吸附阻力Rad和堵塞阻力Rbl的比较. Rm随超滤膜截留分子量减小而变大，这是因为较小的孔径导致流体水力阻力较大. 在相同条件下，过滤尤其是Rad，混合溶液时比过滤EPS溶液时Rad和Rbl大，

说明PVA比EPS更具亲水性，更易被吸附在亲水的PES膜表面. 另外，小部分分子量较小的高聚物PVA可进入膜孔或被吸附在孔壁上，当膜截留分子量为1K时，所

说明短链的PVA分子导致了更严重的膜孔得Rad最高，堵塞.

表4 不同膜过滤模拟EPS和混合液的Rm,Rad和Rbl值

Table 4 The values of Rm, Rad and Rbl for EPS solution and

the mixture solution with different membranes

MWCO

Rm (m−1)

1K 1.67×101310K 1.60×1013100K 8.48×1012

EPS MIX

−1−1Rbl (m) Rad (m) Rbl (m−1)Rad (m)

5.18×1012 1.49×1013 7.46×10122.12×10134.46×1012 9.52×1012 5.×10121.90×10133.41×1012 8.42×1012 4.63×10121.56×1013

−13.1.3 滤饼比阻

滤饼过滤模型如下：

t/V=µCVα/(2pA2)+µRm/(pA), (5)

其中，V为透过液体积，µ为透过液粘度系数，C为溶

α为滤饼阻力，p为操作压力，A为过滤膜面积. 液浓度，

在0.1 MPa操作压力下，分别对2种溶液用超滤杯进行死端过滤，对2组数据用式(5)计算α值. 所得模拟EPS和混合液的滤饼阻力分别为2.29×1014和9.57×1014 m−1，混合液的滤饼阻力明显高于模拟EPS，但根据Carman-Kozeny公式[式(6)]滤饼阻力应与分子直径成反比：

412 过 程 工 程 学 报 第12卷

表5 三种不同截留分子量膜的接触角

α=180(1−ε)/(ρdp2ε2), (6) Table 5 The contact angle of three membranes

其中，ε为滤饼的孔隙率，ρ为湿滤饼密度，dp为分子水力学直径.

这是因为在滤饼中较小的PVA分子将填充模拟EPS分子间的空隙中. 与模拟EPS分子相比，PVA分子更易变形，导致滤饼层堆积密度更大. 在较高压力下，添加PVA的混合液可减小滤饼孔隙率，提高压缩系数. 3.1.4 接触角

一般来说，在许多高亲水性的表面上，水滴的接触角为0o∼30o，若固体表面为疏水，则接触角大于90o.

表5列出了3种不同截留分子量的新膜、EPS溶液和混合溶液污染后膜的接触角(θ). 从表可看出，新膜接触角随膜截留分子量增大而减小，这与膜表面的粗糙度有关. 膜过滤了模拟EPS后接触角变小，这是因为EPS溶液中的多糖具有亲水性，且在污染物组分中所占比例较高，亲水性物质被粘附在膜上，增大了污染膜的亲水性；另外，膜过滤混合溶液后接触角比过滤模拟EPS后更小，因为混合溶液中含亲水性更强的线性PVA，且膜的截留分子量越高，表面膜孔堵塞的污染物越多，因此，膜表面的接触角越小，亲水性也就越强.

Permeate flux, J [L/(m·h)]

MWCO θ (o) θEPS (o) θmix (o)

1K 68.3 65.4 45.7 10K 58.1 56.1 35.1 100K 46.9 43.2 28.5

3.2 操作条件对膜污染的影响

用3种截留分子量的超滤膜分别在操作压力0.1, 0.2 MPa和膜面流速0.1, 0.3 m/s条件下对模拟EPS和混合溶液进行过滤实验，分别对不同压力、不同流速和不同截留分子量的膜对2种溶液的通量进行比较. 3.2.1 操作压力下的影响

由图3可看出，在0.1 MPa条件下，EPS溶液的初始通量为72.9 L/(m2⋅h)，经过10 h的过滤，达到稳定通量，为34.8 L/(m2⋅h)，通量的下降速度在慢慢减小，直到达到稳定状态；在0.2 MPa下，EPS溶液的初始通量为80.4 L/(m2⋅h)，平衡通量为34.4 L/(m2⋅h)，比0.1 MPa下稍大，但没有呈现理论上应该出现的2倍关系，原因有2个：一是较大压力下，滤饼的比阻也较高，在高压状态下，滤饼中的间隙被挤压得更严重，使滤饼的透水性能更差；二是在较高压力下形成较高通量，滤液体积较多，形成的滤饼更厚.

56

(b) Mixture solution

Permeate flux, J [L/(m·h)]

8072584032

0

100

200

300

400

2(a) EPS solution

48403224168

0

100

200

300

400

500

600

Fit. Exp. Pressure (MPa)

0.1

0.2

Fit. Exp. Pressure (MPa)

0.1 0.2

500600

2Time (min)Time (min)

图3 模拟EPS和混合溶液在超滤膜截留分子量10K、膜面流速0.3 m/s时膜通量随时间的变化及滤饼堵塞模型模拟曲线

Fig.3 Permeate flux as a function of time for EPS and mixture solutions with 10K UF membrane under the membrane surface

velocity of 0.3 m/s fitting by cake blocking model

在0.1和0.2 MPa操作压力下，混合溶液的初始通量分别为35.14和53.1 L/(m2⋅h)，稳定通量分别是11.3与EPS溶液对比可看出，添加PVA后和15.3 L/(m2⋅h)，

混合溶液的通量降低很多. 另外，添加PVA后通量对压力的敏感度明显提高，这是因为添加PVA后形成的滤饼的可压缩性更高. PVA是线性结构，与模拟EPS的高聚物在交联作用时形成较松散的絮凝颗粒，颗粒的空隙率对压力也更敏感，在压力增加的情况下，颗粒中的水分子更易被挤出. 3.2.2 膜面流速的影响

图4为膜截留分子量1K、操作压力0.1 MPa时0.1和0.3 m/s膜面流速条件下的膜通量及其模拟结果. 从图可看出，在0.1 m/s膜面流速下，模拟EPS溶液和混平衡通量合溶液的初始通量分别为26.8和24 L/(m2⋅h)，为22.2和15.1 L/(m2⋅h)；在0.3 m/s流速下，EPS溶液平衡和混合溶液的初始通量分别为36和33.7 L/(m2⋅h)，在同一条件下，通量为31.2和19.9 L/(m2⋅h). 结果表明，

流速提高时膜通量普遍提高，这是因为提高膜面流速可增加水流在膜面的剪切力，从而使滤饼难以在膜表面形成，或滤饼厚度难以增加.

第3期 王歌等：聚乙烯醇(PVA)对模拟胞外聚合物(EPS)在错流超滤中膜污染的影响 413

另外，提高流速时EPS溶液的膜通量变化不明显，但添加PVA后，流速提高通量衰减速度有所提高，即PVA明显减缓了流速对通量的影响. 这是因为PVA具有很强的亲水性，PES膜的接触角小于90o，是亲水性的，导致PVA更易更牢固地吸附在膜表面；另外，模

Permeate flux, J [L/(m·h)]拟EPS中，海藻酸钠是亲水性物质，而蛋白质和腐植酸中少部分是亲水性结构，大部分是疏水性成分，添加亲水性的线性PVA后，分子间的交联作用更强烈，滤饼表面的颗粒难以被水流带走.

Permeate flux, J [L/(m·h)]

36

236

(a) EPS solution

(b) Mixture solution

323028262422

0

100

200

300

400

500

600

Time (min)

Membrane surface velocity (m/s) Fit. Exp.

0.1 0.3

234

322824201612

0

100

Membrane surface

Fit. Exp. velocity (m/s)

0.1 0.3

200300400500600

Time (min)

图4 模拟EPS和混合溶液在超滤膜截留分子量1K、操作压力0.1 MPa时膜通量随时间的变化及滤饼堵塞模型模拟曲线

Fig.4 Permeate flux as a function of time for EPS and mixture solutions with 1K UF membrane under the pressure of 0.1 MPa

fitting by cake filtration model

Permeate flux, J [L/(m·h)]

72

(a) EPS solution

Permeate flux, J [L/(m·h)]60555045403530252015

(b) Mixture solution

58403224

0

100

200

300

400

500

600

Fit. Exp. MWCO

1K

100K

22Fit. Exp. MWCO

1K 100K

0100200300400500600

Time (min)Time (min)

图5 模拟EPS和混合溶液在超滤膜面流速0.1 m/s、操作压力0.2 MPa时膜通量随时间的变化及滤饼堵塞模型模拟曲线

Fig.5 Permeate flux as a function of time for EPS and mixture solutions with 0.1 m/s membrane surface velocity under the

pressure of 0.2 MPa fitting by cake filtration model

3.2.3 膜截留分子量的影响

理论上讲，膜截留分子量越高，膜通量越大，但很多研究表明并非如此，膜孔孔径越大，在实际过滤过程中往往越易被堵塞，造成膜通量快速下降. 图5是当膜面流速为0.1 m/s，操作压力为0.2 MPa时，膜截留分子量为1K和100K时的膜通量及其模拟结果. 从图可看出，当膜截留分子量为1K时，EPS溶液和混合溶液的初始通量分别为25.7和22.8 L/(m2⋅h)，平衡通量为23.3和17.9 L/(m2⋅h)；当膜截留分子量为100K时，EPS溶平液和混合溶液的初始通量分别为70.2和60 L/(m2⋅h)，衡通量为33和17.7 L/(m2⋅h).

在过滤过程中，截留分子量为100K的膜过滤模拟EPS溶液的膜通量明显高于截留分子量为1K的膜. 但

添加PVA后两者的稳定通量几乎相等，说明加入PVA造成大孔径膜严重污染，膜截留分子量为100K的膜通量衰减曲线非常明显，主要是由于大量的PVA与EPS形成的絮团进入膜孔造成膜污染.

4 结 论

通过研究模拟EPS溶液中添加PVA后对超滤膜污染的影响，得到如下结论：

(1)从通量与时间的关系可看出，通量随时间延长逐渐变小直至稳定，说明膜表面及膜孔内污染逐渐严重，导致膜通量衰减；模拟EPS中添加PVA后膜通量普遍比模拟EPS低，说明添加PVA后使膜产生较严重的污染，主要是添加PVA后更易造成膜孔堵塞和形成比阻

414 过 程 工 程 学 报 第12卷

更大的滤饼.

(2)添加PVA后通过改变分子粒径和溶液Zeta电位影响模拟EPS溶液的膜过滤性能。由于絮凝、交叉联合作用，使颗粒水力学直径增大，且PVA具有亲水性和可变形的性质，导致含PVA的滤饼比阻高约4倍，加与不加PVA的比阻分别为2.29×1014和9.57×1014 m−1，使混合溶液的膜通量在相同条件下比模拟EPS膜通量小.

(3)滤饼堵塞模型与实验数据最符合，拟合度为0.1∼0.994. 模拟EPS和添加PVA的混合溶液的堵塞模型没有显著差异.

(4)添加PVA后通量对操作压力的敏感度增加，对膜面流速的敏感度降低，与PVA的理化特征有关.

参考文献：

[1] 焦娜，张永刚. 胞外聚合物及其对膜污染影响的研究进展 [J]. 天

津工业大学学报, 2010, 29(3): 24−28.

[2] Wu J L, Huang X. Effect of Mixed Liquor Properties on Fouling

Propensity in Membrane Bioreactors [J]. J. Membr. Sci., 2009, 342(1/2): 88−96.

[3] Ye Y, Clech P L, Chen V, et al. Fouling Mechanisms of Alginate

Solutions as Model Extracellular Polymeric Substances [J]. Desalination, 2005, 175(1): 7−20.

[4] Frank B P, Belfort G. Polysaccharides and Sticky Membrane Surfaces:

Critical Ionic Effects [J]. J. Membr. Sci., 2003, 212(1/2): 205−212. [5] Metstamuronen S, Nystrom M. Critical Flux in Cross-flow

Ultrafiltration of Protein Solutions [J]. Desalination, 2005, 175(1): 37−47.

[6] Priyananda P, Chen V. Flux Decline during Ultrafiltration of

Protein−Fatty Acid Mixtures [J]. J. Membr. Sci., 2006, 273(1/2): 58−67.

[7] Katsoufidou K, Yiantsios S G, Karabelas A J. An Experimental Study

of UF Membrane Fouling by Humic Acid and Sodium Alginate Solutions: The Effect of Backwashing on Flux Recovery [J]. Desalination, 2008, 220(1/3): 214−227.

[8] Marrot B, Barrios-Martinez A, Moulin P, et al. Industrial Wastewater

Treatment in a Membrane Bioreactor: A Review [J]. Environ. Prog., 2004, 23(1): 59−68.

[9] Ahn W Y, Kang M S, Yim S K, et al. Advanced Landfill Leachate

Treatment Using an Integrated Membrane Process [J]. Desalination, 2002, 149(1/3): 109−114.

[10] Chudoba J. Inhibitory Effect of Refractory Organic Compounds

Produced by Activated Sludge Micro-organisms on Microbial Activity and Flocculation [J]. Water Res., 1985, 19(2): 197−200. [11] 徐金兰，黄廷林，王志盈. 聚乙烯醇(PVA)厌氧生物降解特性实

验研究 [J]. 环境污染治理技术与设备, 2004, 5(10): 30−34. [12] 张颖，堵国成，范雪荣，等. 聚乙烯醇生物降解研究进展 [J]. 生

物技术通报, 2007, (6): 51−55.

[13] 徐竞成，魏巧玲，郑涛，等. 印染退浆废水PVA处理技术 [J].

印染, 2009, (8): 50−52.

[14] 刘浩，王军，奚旦立. 水解酸化/SMBR处理含PVA退浆废水的

研究 [J]. 中国给水排水, 2007, 23(21): 98−101.

[15] Bassetti F J, Peres L, Petrus J C C. Recuperation of Polyvinyl

Alcohol (PVA) through Microporous Membranes [J]. Latin American Applied Research, 2001, 31(5): 547−550.

[16] Porter J J. Recovery of Polyvinyl Alcohol and Hot Water from the

Textile Wastewater Using Thermally Stable Membranes [J]. J. Membr. Sci., 1998, 151(1): 45−53.

[17] 张秀瑾，应再正，谢佑国. 实验获取滤饼比阻时的影响因素分

析 [J]. 实验室研究与探索, 2009, 28(10): 45−47.

[18] Hermia J. Constant Pressure Blocking Filtration Laws⎯Application

to Power-law Non-newtonian Fluids [J]. Trans. Inst. Chem. Eng., 1982, 60(3): 183−187.

[19] Lim A L, Bai R. Membrane Fouling and Cleaning in Microfiltration

of Activated Sludge Wastewater [J]. J. Membr. Sci., 2003, 216(1/2): 279−290.

Effect of Membrane Fouling by PVA Addition in Simulated EPS Solution on Cross-flow Filtration

WANG Ge, LI Fang, WU Liang, FU Le-le

(College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract: The effect of polyvinyl alcohol (PVA) addition on the performance of cross-flow membrane filtration of model extracellular polymeric substances (EPS) solution was studied. Filtrations of model EPS solution with and without PVA were conducted in a cross-flow filtration cell through ultrafiltration (UF) membranes respectively. Hermia modified model was used to check the fouling mechanism by fitting of the experimental data. The results show that the cake filtration model fits to the experimental data the best in UF experiments regardless of addition of PVA, the degree of fitting ranges from 0.1 to 0.994, the adsorption resistance and membrane pollution resistance of the model EPS solution with addition of PVA is higher by half than that of model EPS solution, the specific cake resistance is four times higher, 2.29×1014 and 9.57×1014 m−1 respectively, the sensitivity of flux to the operating pressure is increased with addition of PVA, but the sensitivity to the velocity of the membrane surface reduced.

Key words: polyvinyl alcohol; model extracellular polymeric substances; Hermia modified model; cake blocking model