發(fā)布時間：2020-05-21 04:05

【摘要】：膜生物反應(yīng)器(MBR)因裝置結(jié)構(gòu)緊湊、污泥停留時間與水力停留時間分離、出水水質(zhì)優(yōu)良以及自動化程度高等優(yōu)勢而在環(huán)境工程領(lǐng)域受到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是,運行過程中發(fā)生的嚴(yán)重膜污染現(xiàn)象目前已成為制約其進一步發(fā)展的最大障礙。為實現(xiàn)利用外部施加的及反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場對MBR膜污染進行有效控制,本論文以膜-陰極一體化膜組件作為基礎(chǔ),將MBR與電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)合,構(gòu)成了一系列需外加電場或可自身產(chǎn)電的電-膜生物反應(yīng)器(Electric-Membrane Bioreactor,E-MBR).論文基于以下幾方面開展了系統(tǒng)性的研究： (1)在MBR中,采用滌綸濾布作為過濾材料,利用均勻分布于平板膜組件內(nèi)部的細銅絲作為陰極,構(gòu)成膜-陰極一體化膜組件；以不銹鋼網(wǎng)作為惰性陽極,在外加電場的作用下將MBR轉(zhuǎn)換為E-MBR以控制其膜污染。通過短期快速過濾和長期過濾的對比研究發(fā)現(xiàn),向反應(yīng)器施加0.073V cm-1的電場,在總時長6小時、共計4個周期的快速過濾后,其最終膜通量仍為未施加電場對照組的1.8倍；經(jīng)過18天的長期過濾實驗,施加電場的實驗組僅需進行1次化學(xué)清洗,而對照組則需進行3次化學(xué)清洗。 (2)通過液相聚合的方式,采用聚吡咯對濾布進行改性并利用陰離子表面活性劑十烷基苯磺酸鈉(SDBS)對聚吡咯進行摻雜,在2mL L-1的吡咯單體溶液中聚合改性及1gL-1～2g L-1SDBS摻雜后,濾布電阻率由絕緣減少至1.84±0.98kQ cm-1～2.11±1.4kΩ Cm-1。導(dǎo)電濾布本身作為陰極,進一步簡化了一體化膜組件的結(jié)構(gòu)：SDBS摻雜過程與聚合過程同步,進一步增強了導(dǎo)電陰極的親水性和導(dǎo)電性。施加0.2V cm-1的電場后,快速過濾的膜通量衰減速率明顯降低；長期過濾實驗的膜阻力上升速度減緩,膜污染得到有效控制。由于液相聚合的聚吡咯結(jié)構(gòu)疏松、與濾布纖維間的結(jié)合強度較弱,因此后續(xù)采用氣相聚合的方式聚合聚吡咯以增強其穩(wěn)定性,通過對比同等條件下兩種改性膜材料的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)氣相聚合改性膜性能較好的原因在于聚合過程中聚吡咯在濾布纖維表面緊密、均勻且連續(xù)地分布,在提高改性膜性能的同時也可以減少毗咯單體的使用量、提高其利用效率。氧化劑濃度為20%FeCl3·6H2O(w/v)的氣相聚合改性膜性能最佳。在0.2V cm-1電場作用下,通過總時長為12小時、總計3個周期的快速過濾,氣相聚合改性膜的最終通量約為對照組的2倍。 (3)為進一步強化膜污染控制效率,以鐵板犧牲陽極替代不銹鋼惰性陽極、以氣相聚合聚吡咯改性濾布作為膜陰極,構(gòu)成耦合電絮凝的E-MBR。膜-陰極一體化膜組件避免了額外布置陰極,陽極釋放的絮凝劑可以改善活性污泥的過濾性能。施加1mA電流的E-MBR,其活性污泥過濾比阻降低約38%,污泥絮體EPS中的多糖減少40%,其平均運行周期達到16天,較開路運行的對照組增加了近1倍。由于代謝活性強化和絮凝劑的作用,耦合電絮凝的反應(yīng)器對TOC和總磷的去除率得到強化。 (4)為避免消耗額外的能量以控制MBR膜污染,以外電阻替換耦合電絮凝E-MBR中的外加電源,將反應(yīng)器轉(zhuǎn)換為原電池,構(gòu)成自身產(chǎn)電的E-MBR。鐵陽極在氧化產(chǎn)電的同時釋放Fe2+/Fe3+,從而使得活性污泥過濾比阻減少17.5%；膜陰極接受來自陽極的電子可以對膜污染物產(chǎn)生一定的排斥作用,從而使得膜面濾餅層減少了約37.3%。長期過濾對比實驗表明,耦合原電池的E-MBR在第一階段第一周期過濾時間相對于對照組延長了3天,第二周期運行時間則達到對照組的3倍；降低其污泥停留時間至30天后,膜組件運行時間可以延長到24天。反應(yīng)器可以持續(xù)輸出約0.2V的電壓。 (5)將MBR反應(yīng)器進行分隔,以不銹鋼網(wǎng)平板膜作為微生物燃料電池(MFC)的陰極及MBR的過濾材料,以活性炭顆粒作為厭氧陽極基底,構(gòu)成包含MFC的E-MBR。反應(yīng)器在100Ω外電阻的情況下輸出電壓約為0.2V。通過閉路及開路交替運行發(fā)現(xiàn),在閉路條件下膜組件過濾時間由開路條件下的13～15天提高至21～27天,因為MFC內(nèi)部電場對膜污染物產(chǎn)生了大小約為2.5×10-14N的靜電排斥力。模擬污水經(jīng)連續(xù)的厭氧陽極處理及好氧陰極處理后,出水濁度較低,COD及氨氮、總磷去除率高且無異味,彌補了MFC陽極出水需要進行二次處理的缺陷。 (6)通過對耦合MFC的E-MBR的陰極系統(tǒng)進行拆分,增加了反應(yīng)器總的輸出電流及電壓,反應(yīng)器庫倫效率及輸出能量得到提高。耦合反應(yīng)器通過連續(xù)厭氧-好氧處理,可以有效去除2,4,6-三溴苯酚,其礦化率達到50%～62%。批式實驗表明環(huán)境溫度是影響三溴苯酚在活性污泥中脫溴的主要因素。LC-MS分析表明,2,4,6-三溴苯酚主要中間產(chǎn)物包括一溴苯酚、1,5-二溴苯乙酸、溴苯乙酸、2,6-二溴-4-甲基苯酚、2-溴-4-甲基苯酚、1-溴-2-甲氧基-5-甲苯、乙酰苯及苯甲醛等。 上述研究結(jié)果表明,一系列E-MBR中,通過外部施加及耦合反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場,可以有效控制以濾布及不銹鋼網(wǎng)作為膜材料的膜污染。采用聚吡咯對濾布進行導(dǎo)電改性可以使其本身作為陰極材料使用,極大地簡化了電場控制膜污染的裝置結(jié)構(gòu)；耦合原電池和MFC的MBR可以利用自身產(chǎn)生的內(nèi)部電場控制膜污染,該過程無需消耗額外能量,具有明顯的環(huán)境經(jīng)濟效益：耦合反應(yīng)器的連續(xù)厭氧-好氧處理系統(tǒng)可以對難降解污染物進行有效去除,這種緊湊連續(xù)處理裝置具備一定的實際應(yīng)用潛力。
【圖文】：

膜出水側(cè)布置陰極，以利用電場的排斥作用將各類有機污染物推離膜表面，強化其反向擴散作用(圖1.1)。由于污染物本身帶電荷，因此理論上其在足夠強的電場中(達到或超過臨界電場強度，即電場強度對污染物的排斥作用力等于其因膜出水所受的吸力)將發(fā)生電泳現(xiàn)象，從而實現(xiàn)膜面及膜孔的零積累。但是，由于MBR中污染物本身所帶負電荷較少，臨界電場強度較高，而高電壓對微生物具有殺滅作用，結(jié)合能耗及安全運行等因素，，對MBR所施加的電場強度不宜過高。由于微生物本身具有繁殖代謝能力，且MBR中膜污染物種類繁多、形狀不規(guī)則、涉及復(fù)雜的有機物和無機物之間的作用及反應(yīng)，因此施加電場只能延緩膜污染、降低化學(xué)清洗頻率以節(jié)約運行成本，目前尚無法完全消除膜污染現(xiàn)象。1.2.2膜分離過程中施加外電場的形式及強度按膜材料形狀分

破壞微小膠體粒子的穩(wěn)定性，因此絮凝法多用于污水池度的去除或污泥脫水性的提高(圖1.2)。由于MBR的膜污染物質(zhì)多為微小而穩(wěn)定的膠體粒子，因此在MBR污泥體系楩合絮凝作用可以捕集或吸附SMP、EPS等膠體亞微粒子，增大其粒徑，提高污泥的可過濾性、降低污泥比阻，從而實現(xiàn)膜污染的延緩[57]。采用絮凝法控制MBR膜污染主要有兩種類型：1)在反應(yīng)器進水[581或污泥體系中投加無機或有機絮凝劑，構(gòu)成化學(xué)絮凝反應(yīng)；2；)壀合鐵或招陽極，在電場作用下釋放絮凝劑，構(gòu)成電絮凝MBR反應(yīng)器丨6"1。電荷中和壚 （失穩(wěn)）, 11 懰吸附 絡(luò)合_ 絮凝劑 ?膠體粒子圖1.2絮凝劑與膠體粒子作用機理(改編自[561)Fig.l .2 The reaction mechanism of flocculant with colloid particles (adapted from [、己]).1.3.1絮凝劑控制膜生物反應(yīng)器膜污染的基本原理及效果目前，在實際操作和實驗過程中使用的絮凝劑可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑。無機絮凝劑主要有十二水硫酸銘鉀(明帆)、氯化招、氯化鐵、硫酸鐵、聚合氯化招、聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵、聚氯娃酸紹、聚硫桂酸鐵等；有機絮凝劑主要有有機聚合物電解質(zhì)(聚二甲基二烯丙基氯化錢、間磺酸基偶氮氯膦、殼聚糖)以及一些有機無機混合絮凝齊IP6]。目前，從植物中提取天然絮凝劑也得到了較多的關(guān)注，如從菜籽中提取的亞微粒9
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703

【參考文獻】

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本文編號：2673707