【摘要】： 膜生物反應器(Membrane Bio-Reactors,MBRs)是污水處理和中水回用領域最有前途的工藝。它把膜分離過程與生物降解結(jié)合起來,取得高效的固液分離和出水效果。然而,膜組件昂貴的價格和其運行過程中難以控制的膜污染現(xiàn)象,導致MBR的投資和運行費用增加,最終限制了該技術的廣泛應用。因此研究制備廉價的高抗污染性能的過濾膜對MBR在我國的推廣應用具有重要的意義。近年,利用具有一定特性的顆粒物質(zhì)在廉價的大孔徑過濾介質(zhì)的表面和內(nèi)部形成動態(tài)膜的技術成為該研究的熱點。 本研究利用廉價易得的工業(yè)濾布作為膜基質(zhì),形成多種抗污染預涂動態(tài)膜,并對它們的制備、表征和性能進行了深入研究,同時利用氣泡與平板的作用模型對平板膜組件的外形結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。 首先,利用平均粒徑為22.8μm的粉末活性炭(Powder Activated Carbon,PAC)作為預涂劑,在工業(yè)濾布表面形成預涂PAC動態(tài)膜。通過清水過濾和標準濁度溶液的截留實驗,考察不同厚度PAC動態(tài)膜清水阻力和截留能力的變化,結(jié)果表明預涂PAC動態(tài)膜屬于濾餅過濾型動態(tài)膜,其最佳厚度為0.3±0.05 mm。但是,浸沒式膜生物反應器(Submerged Membrane Bio-Reactor,SMBR)中由下方曝氣產(chǎn)生的膜面剪切作用能夠在一定程度上破壞濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定運行,研究發(fā)現(xiàn)MLSS低于8000 mg·L~(-1)時的活性污泥混合液可以近似看作牛頓流體,試驗證明利用湍流邊界層理論計算濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定曝氣量的實用性,因此PAC動態(tài)膜在SMBR中的穩(wěn)定運行采用由供氧曝氣量逐漸調(diào)節(jié)到穩(wěn)定曝氣量的操作方式。 通過預涂PAC動態(tài)膜與自生生物動態(tài)膜(Self-Forming Dynamic Membrane,SFDM),以及中空纖維膜(Hollow Fiber Membrane,HFM)組成的SMBR系統(tǒng)在處理模擬生活污水的對比試驗,發(fā)現(xiàn)PAC動態(tài)膜具備較好的性能,其操作壓力在43天內(nèi)上升到42 kPa,出水效果和中空纖維膜相當,COD和氨氮的去除率分別為97.1%和76.1%。污染后的PAC動態(tài)膜只需進行干燥處理即可脫落,進行再生,無需消耗化學試劑,特別是PAC動態(tài)膜的造價不超過每平方米25元的價格優(yōu)勢,能保證其在實際應用中的潛力。另外,如果利用具有強負電性的陰離子表面活性劑或具有強親水性的SiO_2和TiO_2等物質(zhì)進一步吸附在預涂PAC動態(tài)膜表面和內(nèi)部,將會取得更優(yōu)質(zhì)的運行效果。 其次,本論文針對導致膜污染主要物質(zhì)溶解性有機物(Soluble Microbial Products,SMP)和胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)所具有的高疏水性和高電負性,制備一種新型的預涂劑——聚乙烯醇微球(Poly-Vinyl Alcohol Microsohere,PVA-MS)。通過PVA和戊二醛乳化交聯(lián)所制備的PVA-MS具有良好的分散性,平均粒徑為1.2±0.1μm。通過紅外光譜分析和Zeta-電位測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVA-MS表面富含羥基,具有很強的親水性和電負性,其Zeta-電位受PH值得影響明顯,在pH=11時最小為-87.25mV。 隨后,分別利用靜電自組裝和過濾預涂的方法在工業(yè)濾布表面和內(nèi)部制備對稱無濾餅標準型、不對稱標準過濾型、對稱完全堵塞型三種類型的PVA-MS動態(tài)膜。靜態(tài)親水接觸角的測量證明PVA-MS動態(tài)膜均具有較好的親水性,它們的清水過濾阻力分別為1.02×10~(10)m~(-1)、2.76×10~(10)m~(-1)、1.07×10~(11)m~(-1),三種PVA-MS動態(tài)膜在濃度0.01 mol·L~(-1)的KCl電解質(zhì)溶液中測量的相對流動電位分別為-26.2 mV、-35.3 mV、-65.1 mV。無濾餅標準型、標準過濾型以及完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜對上清液濁度為21.34NTU的截留率分別為78%、93.7%、98.9%,對上清液TOC為17.1 mg·L~(-1)的截留率分別為6.56%,37.16%,48.63%。 對工業(yè)濾布以及三種PVA-MS動態(tài)膜不可逆污染的再生性能研究表明,化學清洗法均能完全去除膜的不可逆污染,物理反沖洗的效果隨著PVA-MS預涂量的增加得到不斷改善。綜合對比,自組裝和完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜顯示出一定的競爭優(yōu)勢,前者利用化學清洗后能維持大部分PVA-MS的存在,可以經(jīng)歷多次運行清洗周期后再生,后者僅利用物理反沖洗即可去除不可逆膜污染,經(jīng)再次預涂后即可應用。 最后,對目前廣泛應用的平板膜豎直結(jié)構(gòu)提出改進,設計具有一定的傾斜角度θ的梯型平板膜結(jié)構(gòu),使其在保持膜面附近氣泡錯流速度的同時增加氣泡與膜面彈性碰撞的強度與次數(shù),提高曝氣減緩膜污染的效率。通過對Vries建立的氣泡與豎直平板相互碰撞的數(shù)學模型進行改進,利用計算機迭代運算技術得到不同曝氣條件下的最佳傾斜角度θ。結(jié)合SMBR的實際應用,對膜組件和曝氣的最佳設計方案如下:梯形膜組件間間隔為10～15mm,曝氣位置為組件間5～7 mm,梯型膜設計角度在1.7°～2.5°之間。 豎直結(jié)構(gòu)和梯型結(jié)構(gòu)的自組裝PVA-MS動態(tài)膜組件在同一SMBR反應器中,同一曝氣強度下的對比試驗證實,梯型膜能夠有效的控制膜表面的濾餅層污染,防止由于壓力升高引起的濾餅層壓縮和由于膜面缺氧而引起的阻力急速上升。但是活性污泥發(fā)生膨脹引起的沉降性變差和運動學粘度變化過大,將會使氣泡及其尾流與膜面作用的消弱,導致膜阻力的急速上升。梯型組裝PVA-MS動態(tài)膜組件保持通量在18.6 L·m~(-2)·h~(-1)下運行的120 d內(nèi)壓力僅上升到0.01 MPa,出水濁度約為1.34 NTU,COD,氨氮的去除率分別為90%和91.5%。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：X703
【圖文】：

根據(jù)膜組件與生物反應器的組合方式，可將MBR分為分置式(Re一circulated MembraneBio一Reactor， RMBR)和一體式(subm雌edM。刀 braneBio一Reactor， SMBR)，如圖1.1所示。RMBR是指膜組件與生物反應器分開設置，膜的壓力驅(qū)動依靠加壓泵;SMBR是將膜組件置入反應器內(nèi)，壓力驅(qū)動靠水頭壓差，或用真空泵抽吸，為減少膜面污染，延長運行周期，一般泵的抽吸是間歇運行的。進水污泥回流進水排泥(a)分置式膜生物反應器(a)Re一 eirculatedMembraneBio一Reactor反應器偽)一體式膜生物反應器 (b)SubmergedMembraneBio一Reactor圖1.1膜生物反應器類型簡圖 Fig.1.1Diagramofbiomasss印 arationmembranebioreactor在RMBR中，膜的操作壓力一般在 1~4bar，膜通量在50一 120Lm一2·h一，。其特點是運行穩(wěn)定可靠、操作管理簡便、膜組件易于清洗和更換。但為了減少污染物在膜面的沉積，由循環(huán)泵提供的料液流速很高，因此動力消耗較高。在SMBR中

出水~~~~」卜FiltrateOut螺絲O一形ng塑料殼PlastieConstftletion圖1.9波紋平板膜錯流過濾裝置示意圖1122]。.，。。，.，.。，，，，.「1221r19·l·，乙Cnem欲ICQlagfarn01CorrUg溉eQITleITIDranem0QUleUnll-目前對膜表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本措施都是對過濾過程中膜表面的流動狀態(tài)進行強化。scott等人【’22]受到散熱器中高傳質(zhì)波紋換熱板的啟發(fā)，把乳化液錯流過濾中的平板膜組件表面設計為波紋狀，如圖1.9所示，以提高膜面區(qū)域的擾動傳質(zhì)作用，通過平行試驗比較了波紋膜與平板膜的過濾性能，包括錯流速率，流動通道高度、跨膜壓力以及波動膜表面角度變化的影響。結(jié)果表明，波紋膜的使用能夠更有效的提高膜面區(qū)域的擾動性，能多次的混合邊界層，減緩濃差極化的反作用，提高膜通量。另外其角度的變化對通量的提高有很大的影響，波紋膜表面波動角為0o，45“，900的通量分別增加了30%，100%和160%，綜合數(shù)據(jù)分析表明45“和900的波動膜能夠有效地減少能耗80%和88%。

夠使工業(yè)濾布基膜受力均勻，為了避免長時間出水后抽吸力上升所造成的膜面局部凹陷，框架內(nèi)置有機柵條用于支撐，2塊工業(yè)濾布包裹圓形框架后形成試驗所用的基膜組件，有效面積為0.08耐，如圖2.2所示。薰薰鬃 鬃纂 纂 石石乙?guī)砰_東蔽.火不獲碗剎矛 矛 矛 矛 顴顴 顴 lll蘸蘸 薰薰翼 翼 iii馨馨馨馨翼翼蘸蘸罐罐 罐 lll鬢鬢翼翼瓢瓢撼撼圖2.2圓形工業(yè)濾布膜組件及其有機框架 Fig.2.2Theeircularindustialfilterelothmembranemoduleanditso堪 anieframe(2)預涂劑性能預涂劑采用山西太原江陽化工廠生產(chǎn)的粉末活性炭，出廠參數(shù)為:細度，200目的篩網(wǎng)，80%通過;碘值， 1030mg歲;充填密度:5009一，;真實密度，1.113gcm一3;亞甲基藍的吸附量， 190mg·g一

【引證文獻】

相關期刊論文 前3條

1 鄭歡;;新型膜分離技術及其工業(yè)中的應用[J];湖南環(huán)境生物職業(yè)技術學院學報;2012年01期

2 李龍;湛含輝;;動態(tài)膜技術及其在污水處理中的研究進展[J];膜科學與技術;2012年03期

3 孫立坤;柳麗芬;楊鳳林;;PVA/PVAm改性滌綸濾布復合膜的制備及其抗污染性能[J];膜科學與技術;2013年01期

相關碩士學位論文 前6條

1 徐曉靜;新型螺旋膜組件及其在水處理中的應用研究[D];大連理工大學;2010年

2 彭茜;自生動態(tài)膜生物反應器中膜形成與污染機理及調(diào)控策略[D];山東大學;2011年

3 孫立坤;PVA/PVAm改性滌綸濾布復合膜制備及其抗污染性能研究[D];大連理工大學;2012年

4 揭亮;膜生物反應器中螺旋膜的優(yōu)化設計及應用[D];大連理工大學;2012年

5 姚淑娣;微生物群落結(jié)構(gòu)對自生動態(tài)膜反應器運行效能及膜演化形成影響的研究[D];山東大學;2012年

6 曲洛娟;絲狀菌對活性污泥性質(zhì)及自生動態(tài)膜過濾性能的影響[D];山東大學;2013年

本文編號：2777863