电场条件下膜生物反应器的特性研究及膜污染的控制

论文摘要

膜生物反应器(MBR)作为最具潜力的污水处理技术之一，已经在部分发达国家有广泛的应用。膜生物反应器中的膜组件能够代替二沉池起到固液分离的作用，节省了投资与用地并提高了处理效果，但膜污染是阻碍其应用的最主要因素之一。本文研究以降低膜污染程度为目的，将电场引入膜生物反应器中，以控制带负电性的微生物在膜孔中的积聚，同时可利用电场的作用强化生物除磷。另外，由于膜生物反应器中污泥浓度大，微生物种群多，可以抵抗电场对微生物正常生理机能的干扰。研究表明：本实验的最佳电流密度为0009mA／cm~2，在此条件下，膜污染有所缓解，微生物的活性也未有明显降低。通过拟合比较认为，对数模型对于描述膜生物反应器膜通量在短期内的膜通量的下降较为合适。较长时间的运行发现，加电场条件的1#膜生物反应器的通量下降情况与未加电场的2#通量下降有明显区别，1#膜生物反应器通量的数学表达基本可以认定为三次函数形式，而2#则是明显的线性下降，说明加电场的膜生物反应器的膜通量在一段时间内有控制膜污染的优势，在本实验中前5天膜通量维持在较高的水平，为控制膜污染的最佳运行周期。在去除COD、氨氮方面，电场条件的优势并不明显，甚至还有负面影响，但仍有较好的短暂的运行工况，COD和氨氮的去除效果有一定的联系，而总磷的去除效果因为电场的强化得到了很高的水平，最高达到99％左右。通过对不同累积时间的平均膜通量的变化趋势的考察，初步确定了污泥混合液中对膜污染贡献物质分布与沉积顺序。初期膜通量的降低时由于浓差极化，即溶液中溶解性物质的存在导致溶质在浓水一侧的累积，产生了透水性比膜差的物质；而长期的膜通量降低才与污染物质的沉积膜面和堵塞膜孔有关。可以认为电场主要是抑制了浓差极化现象的发生。整个运行周期内1#膜生物反应器的污泥平均浓度为3556mg／L，2#膜生物反应器为3689mg／L，维持较高的污泥浓度难度比较大，其他污泥指数在整个实验阶段比较正常，只有最后的3天里，污泥发生腐坏，出水指标恶化。实验验证了静电对微生物具有促进其生长而后又加速其死亡的双重性作用。电场对微生物细胞的影响，直接反映在细胞物理、化学、电化学等特性变化上，同细胞的繁殖、生长、衰老、变异等有关，宏观上表现则是，良好的运行工况比较难于保持很长的时间。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 膜生物反应器的研究进展
• 1.1.1 膜生物反应器的特点
• 1.1.2 膜生物反应器在脱氮除磷方面的表现
• 1.2 膜污染的研究进展
• 1.2.1 膜污染的种类与成因
• 1.2.2 膜污染的数学表达
• 1.2.3 膜污染的防治
• 1.3 电场
• 1.3.1 电场动力学
• 1.3.2 电场的微生物效应
• 1.4 选题的目的和意义
• 1.5 主要研究内容和基本思路
• 1.6 本课题的创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验装置与仪器设备
• 2.1.1 实验装置
• 2.1.2 实验仪器设备
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 膜技术参数
• 2.2.2 其他
• 第三章 中空纤维膜组件性能测试
• 3.1 中空纤维膜组件清水通量测试
• 3.1.1 曝气对通量的影响
• 3.1.2 分析
• 3.2 中空纤维膜组件污泥混合液通量测试
• 3.2.1 15秒总阻力测试
• 3.2.2 膜清洗
• 3.2.3 分析
• 3.3 小结
• 第四章 膜污染的基础研究
• 4.1 电流密度对MBR系统的影响分析
• 4.2 膜污染受时间因素影响分析
• 4.2.1 平均通量的变化情况
• 4.2.2 平均通量的变化分析
• 4.2.3 平均通量的变化数学表达初探
• 4.2.4 时间累积对膜通量的影响
• 4.3 小结
• 第五章 加电场的膜生物反应器特性研究
• 5.1 污泥特性研究
• 5.1.1 污泥浓度对膜污染的影响研究
• 5.1.2 污泥沉降性能对膜污染的影响研究
• 5.2 有机物去除研究
• 5.2.1 去除COD的研究
• 5.2.2 去除氨氮的研究
• 5.2.3 去除TP的研究
• 5.3 小结
• 第六章 膜生物反应器及膜污染的动力学初探
• 6.1 微滤过程
• 6.2 微滤分离机理
• 6.3 微滤过程的数学描述
• 6.3.1 孔模型
• 6.3.2 扩展的浓差极化模型（扩展的扩散模型）
• 6.3.3 扩展的覆盖层模型
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢