【摘要】：正滲透(FO)作為一種新型的膜技術(shù),因其具有無(wú)需外加壓力,能耗低、對(duì)污染物截留率高、膜污染趨勢(shì)低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于污水處理/回用和海水淡化,對(duì)解決水資源短缺和能源危機(jī)起到重要作用。城市污水中含有豐富的能源物質(zhì),采用正滲透膜技術(shù)對(duì)城市污水進(jìn)行處理,可實(shí)現(xiàn)污水處理的資源化和能源化。而在污水處理過(guò)程中,正滲透膜與實(shí)際污水長(zhǎng)期接觸,膜污染仍是不可避免的。如何有效地控制膜污染是促進(jìn)正滲透膜技術(shù)在城市污水處理/回用中亟待解決的問題。本課題以實(shí)際的城市污水為原料液,模擬海水為汲取液,系統(tǒng)地研究了正滲透在處理過(guò)程中的膜污染特性以及膜污染動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,考察了采用膜表面曝氣和改性對(duì)膜污染的控制效能,并對(duì)相應(yīng)的膜污染控制機(jī)理進(jìn)行了探討。本研究首先考察了正滲透膜活性層(AL)朝向原料液(FS)(AL-FS模式)和支撐層(SL)朝向FS(SL-FS模式)兩種運(yùn)行模式下的的通量變化規(guī)律和膜污染行為。雖然SL-FS模式下的初始通量高于AL-FS模式,但AL-FS模式下通量下降比較穩(wěn)定,活性層表面形成的污染層可通過(guò)膜表面清洗去除,且通量得到恢復(fù),故AL-FS模式比SL-FS模式更適合于城市污水處理/回用中。其次在AL-FS模式下,通過(guò)對(duì)比了不同正滲透工藝(直接正滲透(Direct FO)和正滲透膜生物反應(yīng)器(OMBR))下的膜污染特性,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行條件下,Direct FO通量下降比OMBR嚴(yán)重,并且膜表面形成較厚的污染層。通過(guò)對(duì)膜表面污染物的識(shí)別,發(fā)現(xiàn)膜表面的主要有機(jī)物污染物為多糖和蛋白質(zhì),無(wú)機(jī)元素主要為為Ca、Mg、Fe和P,并且Direct FO污染膜表面的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OMBR。膜污染是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,為了更好地了解正滲透膜技術(shù)在處理實(shí)際城市污水時(shí)的膜污染特性并闡明膜污染機(jī)制,本文系統(tǒng)地研究了Direct FO和OMBR膜表面污染隨運(yùn)行時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。對(duì)Direct FO和OMBR兩種工藝在不同運(yùn)行周期(3天、8天、16天和30天)下的膜表面污染層中的有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)元素進(jìn)行分析,并采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)膜表面生物污染層進(jìn)行表征。同時(shí)采用平板計(jì)數(shù)法對(duì)膜表面細(xì)菌濃度進(jìn)行定量分析,并利用高通量測(cè)序?qū)δけ砻嫖廴緦拥奈⑸锞浣Y(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明,Direct FO膜表面污染層中的污染物和細(xì)菌濃度隨著運(yùn)行周期的增長(zhǎng)逐漸累積,膜表面形成較厚的污染層,進(jìn)而增加膜污染阻力,使水通量下降至1.16 L/(m~2·h)。而OMBR膜表面污染層中的污染物和細(xì)菌濃度在運(yùn)行第8天之后呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),運(yùn)行后期通量基本保持在3~3.7 L/(m~2·h)之間。利用高通量測(cè)序?qū)δけ砻嫖廴緦又形⑸锞浣Y(jié)構(gòu)隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行解析,發(fā)現(xiàn)OMBR膜表面污染層中存在Ferribacterium和PHOS-HE51_norank兩大優(yōu)勢(shì)種群,而Direct FO膜表面微生物的多樣性高于OMBR,但相對(duì)豐度都很低,且不存在明顯的優(yōu)勢(shì)種群�；谡凉B透處理城市污水時(shí)的膜污染特性,采用對(duì)膜表面曝氣的方法對(duì)浸沒式Direct FO工藝在城市污水處理過(guò)程中的膜污染進(jìn)行控制。初步考察不同的曝氣強(qiáng)度(1.5 m~3/(m~2·h)、3.0 m~3/(m~2·h)、4.5 m~3/(m~2·h)和6.0 m~3/(m~2·h))對(duì)通量變化的影響,選取3 m~3/(m~2·h)為最優(yōu)曝氣強(qiáng)度,來(lái)評(píng)價(jià)長(zhǎng)期運(yùn)行下曝氣對(duì)膜污染的控制效能。52天膜污染實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中,在曝氣條件下通量得到顯著提高。在沒有曝氣的條件下,膜表面形成了致密的污染層,含有大量的有機(jī)物、無(wú)機(jī)元素以及細(xì)菌。相反。在曝氣條件下,膜表面污染物大大減少且沒有形成明顯的污染層。結(jié)果表明曝氣可以減少污染物在膜表面的沉積,從而抑制污染層在膜表面的形成和發(fā)展。因此,對(duì)膜表面曝氣是一種簡(jiǎn)單有效的控制膜污染的措施。進(jìn)一步通過(guò)膜表面改性的方法提高正滲透膜在城市污水處理過(guò)程中的抗污染性能。首先采用聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亞胺(PEI)涂覆在膜表面,然后利用PDA的鄰苯二酚官能團(tuán)進(jìn)一步在膜表面形成納米銀顆粒,最終得到PDA/PEI-nAg改性膜。膜表面改性,不僅提高了膜的親水性,還使膜同時(shí)具有抗粘附性和抑菌性能,但對(duì)原膜的本身的傳質(zhì)性能和完整性并未造成顯著影響。相比于CTA原膜,PDA/PEI-nAg CTA改性膜對(duì)E.coli和S.aureus的抑菌率分別達(dá)到90%和85%左右。以實(shí)際城市污水為原料液的動(dòng)態(tài)膜污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PDA/PEI-nAg改性膜的通量下降程度明顯低于原膜。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡對(duì)膜表面污染層中組成和結(jié)構(gòu)表征,表明PDA/PEI-nAg改性膜污染后膜表面的活菌數(shù)量減少,且親水性的提高降低了膜表面附著的有機(jī)物量,從而有效地控制了膜污染。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

膜材料應(yīng)具有較低的膜污染趨勢(shì)和濃差極化效應(yīng)。透壓差低于理論值，從而降低水的回收率。膜污染也增加了運(yùn)行成本并且縮短了膜的使用壽命。此外強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。術(shù)的研究初期，人們采用商品化的 RO 膜對(duì) FO 工支撐層是由嵌入式致密多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，增化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的水通量較低[59相轉(zhuǎn)化法制備了醋酸纖維素膜（CA）應(yīng)用于 FO量和機(jī)械強(qiáng)度。1990 年，美國(guó)的 HTI 公司（Hydra制備了商品化的三醋酸纖維膜（CTA）專門用于 性層（Active Layer, AL）和嵌入式聚酯網(wǎng)面的支成，且厚度不到 50 μm[62]，如圖 1-2 所示為 CTA 。這種膜結(jié)構(gòu)與 RO 膜結(jié)構(gòu)不同，使膜的水通量得于 CTA 膜 FO 膜技術(shù)的研究，并被廣泛用于各種 膜易被生物降解，pH 和溫度的耐受范圍較低，且

第 1 章 緒 論形成有利于微生物的附著。其次，原料液中的細(xì)菌在范德華引力和氫鍵等相互的作用下，可逆地附著于膜表面。與此同時(shí)大分子的有機(jī)物在在膜表面沉積促進(jìn)細(xì)菌在膜表面的繁殖和生物膜的形成。隨后，細(xì)菌和污染物不斷地在膜表面沉積，從而在膜表面形成由細(xì)菌、蛋白質(zhì)、多糖等組成的生物膜[105]。然而，在實(shí)際的污水處理過(guò)程中，膜表面形成的污染層是由不同類型的污染和多種污染物共同組成，并不會(huì)單獨(dú)存在。污染物-膜和污染物-污染物之間的相互作用是影響膜污染形成以及污染層演變的重要因素。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2806709