【摘要】： 膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactors,MBRs)是污水處理和中水回用領(lǐng)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(jià)格和其運(yùn)行過程中難以控制的膜污染現(xiàn)象,導(dǎo)致MBR的投資和運(yùn)行費(fèi)用增加,最終限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此研究制備廉價(jià)的高抗污染性能的過濾膜對(duì)MBR在我國的推廣應(yīng)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(jià)的大孔徑過濾介質(zhì)的表面和內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)膜的技術(shù)成為該研究的熱點(diǎn)。 本研究利用廉價(jià)易得的工業(yè)濾布作為膜基質(zhì),形成多種抗污染預(yù)涂動(dòng)態(tài)膜,并對(duì)它們的制備、表征和性能進(jìn)行了深入研究,同時(shí)利用氣泡與平板的作用模型對(duì)平板膜組件的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 首先,利用平均粒徑為22.8μm的粉末活性炭(Powder Activated Carbon,PAC)作為預(yù)涂劑,在工業(yè)濾布表面形成預(yù)涂PAC動(dòng)態(tài)膜。通過清水過濾和標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液的截留實(shí)驗(yàn),考察不同厚度PAC動(dòng)態(tài)膜清水阻力和截留能力的變化,結(jié)果表明預(yù)涂PAC動(dòng)態(tài)膜屬于濾餅過濾型動(dòng)態(tài)膜,其最佳厚度為0.3±0.05 mm。但是,浸沒式膜生物反應(yīng)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(dòng)態(tài)膜的穩(wěn)定運(yùn)行,研究發(fā)現(xiàn)MLSS低于8000 mg·L~(-1)時(shí)的活性污泥混合液可以近似看作牛頓流體,試驗(yàn)證明利用湍流邊界層理論計(jì)算濾餅過濾型動(dòng)態(tài)膜的穩(wěn)定曝氣量的實(shí)用性,因此PAC動(dòng)態(tài)膜在SMBR中的穩(wěn)定運(yùn)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(yù)涂PAC動(dòng)態(tài)膜與自生生物動(dòng)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(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PAC動(dòng)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(dāng),COD和氨氮的去除率分別為97.1%和76.1%。污染后的PAC動(dòng)態(tài)膜只需進(jìn)行干燥處理即可脫落,進(jìn)行再生,無需消耗化學(xué)試劑,特別是PAC動(dòng)態(tài)膜的造價(jià)不超過每平方米25元的價(jià)格優(yōu)勢(shì),能保證其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。另外,如果利用具有強(qiáng)負(fù)電性的陰離子表面活性劑或具有強(qiáng)親水性的SiO_2和TiO_2等物質(zhì)進(jìn)一步吸附在預(yù)涂PAC動(dòng)態(tài)膜表面和內(nèi)部,將會(huì)取得更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行效果。 其次,本論文針對(duì)導(dǎo)致膜污染主要物質(zhì)溶解性有機(jī)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(fù)性,制備一種新型的預(yù)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(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVA-MS表面富含羥基,具有很強(qiáng)的親水性和電負(fù)性,其Zeta-電位受PH值得影響明顯,在pH=11時(shí)最小為-87.25mV。 隨后,分別利用靜電自組裝和過濾預(yù)涂的方法在工業(yè)濾布表面和內(nèi)部制備對(duì)稱無濾餅標(biāo)準(zhǔn)型、不對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)過濾型、對(duì)稱完全堵塞型三種類型的PVA-MS動(dòng)態(tài)膜。靜態(tài)親水接觸角的測(cè)量證明PVA-MS動(dòng)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(dòng)態(tài)膜在濃度0.01 mol·L~(-1)的KCl電解質(zhì)溶液中測(cè)量的相對(duì)流動(dòng)電位分別為-26.2 mV、-35.3 mV、-65.1 mV。無濾餅標(biāo)準(zhǔn)型、標(biāo)準(zhǔn)過濾型以及完全堵塞型PVA-MS動(dòng)態(tài)膜對(duì)上清液濁度為21.34NTU的截留率分別為78%、93.7%、98.9%,對(duì)上清液TOC為17.1 mg·L~(-1)的截留率分別為6.56%,37.16%,48.63%。 對(duì)工業(yè)濾布以及三種PVA-MS動(dòng)態(tài)膜不可逆污染的再生性能研究表明,化學(xué)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(yù)涂量的增加得到不斷改善。綜合對(duì)比,自組裝和完全堵塞型PVA-MS動(dòng)態(tài)膜顯示出一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),前者利用化學(xué)清洗后能維持大部分PVA-MS的存在,可以經(jīng)歷多次運(yùn)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(yù)涂后即可應(yīng)用。 最后,對(duì)目前廣泛應(yīng)用的平板膜豎直結(jié)構(gòu)提出改進(jìn),設(shè)計(jì)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(cuò)流速度的同時(shí)增加氣泡與膜面彈性碰撞的強(qiáng)度與次數(shù),提高曝氣減緩膜污染的效率。通過對(duì)Vries建立的氣泡與豎直平板相互碰撞的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn),利用計(jì)算機(jī)迭代運(yùn)算技術(shù)得到不同曝氣條件下的最佳傾斜角度θ。結(jié)合SMBR的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)膜組件和曝氣的最佳設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)膜組件在同一SMBR反應(yīng)器中,同一曝氣強(qiáng)度下的對(duì)比試驗(yàn)證實(shí),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(yùn)動(dòng)學(xué)粘度變化過大,將會(huì)使氣泡及其尾流與膜面作用的消弱,導(dǎo)致膜阻力的急速上升。梯型組裝PVA-MS動(dòng)態(tài)膜組件保持通量在18.6 L·m~(-2)·h~(-1)下運(yùn)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(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)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(yīng)器分開設(shè)置，膜的壓力驅(qū)動(dòng)依靠加壓泵;SMBR是將膜組件置入反應(yīng)器內(nèi)，壓力驅(qū)動(dòng)靠水頭壓差，或用真空泵抽吸，為減少膜面污染，延長運(yùn)行周期，一般泵的抽吸是間歇運(yùn)行的。進(jìn)水污泥回流進(jìn)水排泥(a)分置式膜生物反應(yīng)器(a)Re一 eirculatedMembraneBio一Reactor反應(yīng)器偽)一體式膜生物反應(yīng)器 (b)SubmergedMembraneBio一Reactor圖1.1膜生物反應(yīng)器類型簡(jiǎn)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(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作管理簡(jiǎn)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(dòng)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(cuò)流過濾裝置示意圖1122]。.，。。，.，.。，，，，.「1221r19·l·，乙Cnem欲ICQlagfarn01CorrUg溉eQITleITIDranem0QUleUnll-目前對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本措施都是對(duì)過濾過程中膜表面的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)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(cuò)流過濾中的平板膜組件表面設(shè)計(jì)為波紋狀，如圖1.9所示，以提高膜面區(qū)域的擾動(dòng)傳質(zhì)作用，通過平行試驗(yàn)比較了波紋膜與平板膜的過濾性能，包括錯(cuò)流速率，流動(dòng)通道高度、跨膜壓力以及波動(dòng)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(dòng)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(duì)通量的提高有很大的影響，波紋膜表面波動(dòng)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(dòng)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(shí)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(jī)柵條用于支撐，2塊工業(yè)濾布包裹圓形框架后形成試驗(yàn)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(jī)框架 Fig.2.2Theeircularindustialfilterelothmembranemoduleanditso堪 anieframe(2)預(yù)涂劑性能預(yù)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(xì)度，200目的篩網(wǎng)，80%通過;碘值， 1030mg歲;充填密度:5009一，;真實(shí)密度，1.113gcm一3;亞甲基藍(lán)的吸附量， 190mg·g一

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2777863