焦化废水中含有酚类、多环芳烃类、杂环类等多种复杂有机物和高浓度的无机盐,具有显著的生物毒性,出水色度深,刺激性气味大,始终是废水处理领域的难点。膜蒸馏作为一种新型高效的膜分离工艺,具有截留效率高、膜污染轻、对废水的适应性强等多种优点,在废水的脱盐纯化方面表现出卓越的性能。近年来随着膜蒸馏耦合技术的发展和新型膜材料的开发,膜蒸馏技术的应用领域不断拓展,已成功应用于印染废水、制药废水、含油废水等多种工业废水的深度处理领域,而且工业余热的利用也增强了膜蒸馏在运行成本方面的优势,但目前仍然缺乏针对膜蒸馏处理焦化废水效果及过程机制的系统性研究。因此,本文研究了焦化废水中多种复杂污染物在膜蒸馏过程中的吸附扩散行为及迁移机制,并通过优选膜蒸馏进水温度,采用生物降解、混凝作为预处理手段,构造亲水-疏水复合膜结构等途径强化膜蒸馏对焦化废水的处理效果,提升膜蒸馏过程的抗污染和抗润湿性能,以满足焦化废水高效处理及回用的目的。主要从以下几个方面开展研究并得出结论:(1)初步考察了膜蒸馏直接处理焦化废水的可行性,探究了焦化废水进水温度对膜蒸馏效果的影响,并采用三维荧光光谱(EEM)分析了废水中污染物在膜蒸馏过程中的迁移扩散,通过扫描电镜和X射线能谱仪(SEM-EDS)分析了污染物与膜表面的相互作用机制。研究发现,膜蒸馏能有效截留焦化废水中的腐殖酸、富里酸类大分子有机物,对废水中TOC的去除率可达到85%以上,且脱色作用显著。然而部分酚类、芳香蛋白类小分子污染物则会通过渗透扩散进入产水侧,成为影响膜蒸馏产水水质的主要因素。同时焦化废水的进水温度也会对膜蒸馏过程中污染物的吸附扩散产生明显的影响,当进水温度为30-40°C时,污染物在膜表面的吸附程度较轻且以无机污染为主,但产水通量较低;50°C产水通量明显提升,且产水水质较好,各项污染物截留率均在90%以上;进水温度升高至60°C后酚类污染物的扩散加剧,产水水质明显下降。综合比较,优选50°C为适宜的膜蒸馏进水温度。(2)由于影响膜蒸馏处理效果的主要是具有一定挥发性的小分子有机物,这些有机物通常可生化性较强,因而构建生物降解-膜蒸馏系统强化处理焦化废水。将焦化废水依次经过微生物厌氧和好氧降解,将厌氧和好氧反应池的出水分别作为膜蒸馏的进水,并通过Illumina MiSeq高通量测序分析微生物种群结构与特征污染物去除的相关性,进而探究不同生化过程对膜蒸馏效果的影响。结果显示,生物降解能有效降低废水中的污染物浓度,与膜蒸馏耦合后有利于减缓膜污染并提高产水通量,但不同生物降解过程对膜蒸馏的强化机制存在差异。厌氧阶段Thauera、Hyphomicrobium、Comamonas菌属丰度较高,对多环芳烃类污染物具有较好的去除效果,但会导致厌氧出水中酚类物质的相对比例增加,在膜蒸馏过程中污染物的扩散相对增强,一定程度上加剧了膜润湿的发生。而厌氧-好氧过程与膜蒸馏系统耦合后出水水质显著提升,膜润湿程度减轻,这主要归因于好氧阶段Thiobacillus和Pseudomonas等优势菌属对废水中酚类、氨氮等挥发性污染物的有效去除。(3)为了进一步提升膜蒸馏产水水质,同时探究有机物扩散与膜润湿效应之间的相关性,将聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铝/聚丙烯酰胺(PAC/PAM)预混凝作为膜蒸馏过程中膜润湿及膜污染的控制手段,并采用EEM荧光光谱和气相色谱-质谱联用(GC-MS)的手段追踪多种污染物在连续72 h膜蒸馏过程中的扩散情况,探究不同组分的焦化废水样品在长时间膜蒸馏过程中污染物的迁移行为。研究发现,焦化废水中酚类和小分子芳香蛋白类有机物会优先通过渗透扩散进入产水侧,而腐殖酸、富里酸类污染物的扩散相对较慢。膜润湿的发生与酚类、杂环类等两亲性有机物的渗透扩散表现出较强的相关性,而且润湿速率及润湿时间受废水中污染物组成和膜表面污染特性的共同影响。PAC预混凝有利于提高初始膜通量,缩短润湿时间;而PAC/PAM预混凝不仅有利于降低废水中污染物浓度,减缓通量衰减,残留的PAM及其络合产物在膜表面的沉积还会形成类凝胶的亲水层,与原膜形成亲水-疏水复合结构,有效抑制了表面活性有机物在膜表面的吸附及渗透,为焦化废水膜蒸馏过程中膜润湿的控制提供了新的思路。(4)基于前期发现亲水-疏水复合膜结构有利于增强膜表面的抗污染和抗润湿性能,将亲水性的氧化石墨烯(GO)结合在聚四氟乙烯(PTFE)疏水膜表面,构建亲水-疏水双层复合膜结构,进一步提升膜蒸馏处理焦化废水的产水通量及产水水质。采用Hummers法制备出具有二维片层结构的GO纳米颗粒,并通过XRD的衍射峰位置计算所得GO的片层间距为0.76 nm。以聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂将GO均匀涂覆在疏水膜表面,并通过原子力显微镜(AFM)、SEM-EDS、接触角、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等多种手段分析复合膜的形貌结构及表面特性的变化,发现GO改性可在复合膜表面引入丰富的羟基、羧基、环氧基等含氧官能团,致使复合膜表层亲水性明显增强,表现出空气中亲水、水下超疏油的特性,能有效抑制焦化废水中疏水性有机物在膜表面的吸附扩散及其引发的膜污染现象。此外,由于GO内部特有的亲水性纳米孔道能降低水分子在膜蒸馏过程中的传质阻力,同时对废水中污染物具有一定的筛分截留效应,而且GO良好的导热特性也有利于削减膜蒸馏过程中由于温差极化导致的通量衰减,从而保证了GO/PTFE复合膜用于焦化废水生化出水的膜蒸馏过程能表现出高通量、低污染的优异性能。