臭氧—微滤工艺处理二级出水过程中的膜污染及控制机理

论文摘要

二级出水深度处理后回用是缓解水资源紧张形势的重要措施。臭氧-微滤工艺出水水质好且稳定,占地面积小,易于自动化控制,且预臭氧化单元可有效控制微滤单元的膜污染,在二级出水深度处理中有广阔应用前景,其技术关键是确定适宜的臭氧投加量。但目前尚缺乏二级出水微滤工艺中膜污染和预臭氧化控制膜污染的机理研究,难以确定合理的工艺设计与运行参数,阻碍了工艺效率的提高。因此,本文重点研究了二级出水微滤工艺中的膜污染机理,及预臭氧化对后续膜污染的控制机理。通过臭氧-微滤工艺处理二级出水的中试试验,以及对二级出水水质的深入分析,识别出造成膜污染的主要物质是溶解性有机物（EfOM）和悬浮颗粒物（SS）。应用自行设计与建立的臭氧-恒流微滤组合工艺装置,分别考察了二级出水、EfOM和SS在微滤工艺中的膜污染特性及影响因素,其预臭氧化反应特性,及其对后续微滤中膜污染的影响机理。结果表明,在EfOM的不同亲疏水性组分中,亲水性组分（HIS）约占54%,HIS的膜污染潜能最大。对于试验所采用的表面亲水改性PVDF膜而言,导致EfOM及HIS膜污染潜能更大的因素包括:更大的分子量,较强的极性和亲水性,以及更高的羧酸酸度。预臭氧化可以减轻EfOM在后续微滤中的膜污染,其原因主要是:使DOC下降约17%（2.52mgO3/mgDOC）,并使分子量变小。以控制微滤过程中颗粒物导致的膜污染为目标,预臭氧化单元存在最优臭氧投加量。在预臭氧化中,有利于减轻膜污染的模拟SS悬浊液特性的变化包括:SS含量降低; SS平均粒径变大,粒径分布（PSD）变窄。SS粒径变小、PSD分布范围增大,则不利于减轻膜污染。细菌悬液在预臭氧化后造成更严重的微滤膜污染,原因是细胞形态改变后导致滤饼层更致密,过滤阻力更高,以及轻微溶胞所带来的溶解性有机物浓度升高。建立了污染指标Ψ的预测模型及最佳臭氧投加量预测模型,可用于指导臭氧-微滤工艺处理二级出水的工艺参数选择和膜清洗周期预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 污水再生回用的必要性
• 1.1.2 再生水及深度处理技术
• 1.1.3 污水再生中的膜技术
• 1.2 二级生物处理出水的组成
• 1.2.1 二级生物处理工艺及其出水特性概述
• 1.2.2 二级出水中的溶解性有机物
• 1.2.3 二级出水中的颗粒物、微生物和其他物质
• 1.3 膜污染及其控制技术
• 1.3.1 膜污染概述及分类
• 1.3.2 膜有机物污染的机理
• 1.3.3 颗粒物及其他类型的膜污染机理
• 1.3.4 膜污染控制技术
• 1.4 二级出水的臭氧处理技术
• 1.4.1 臭氧在水处理中的应用
• 1.4.2 臭氧对二级出水和地表水过滤中膜污染的作用
• 1.5 膜污染模型的研究进展
• 1.5.1 Darcy 定律和污染阻力
• 1.5.2 Hermia 膜污染模型
• 1.5.3 污染模型研究的发展趋势及存在的问题
• 1.6 研究目的和研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 技术路线
• 第2章 臭氧-微滤工艺处理二级出水的试验研究
• 2.1 试验装置和方法
• 2.1.1 试验装置及运行方式
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 分析方法
• 2.2 组合工艺出水水质
• 2.3 膜孔径与膜污染的关系
• 2.3.1 不同孔径膜微滤试验中 TMP 随过滤时间的变化
• 2.3.2 稳定运行时间和总产水量
• 2.3.3 分析与讨论
• 2.4 膜清洗与膜污染物质
• 2.5 水质与预臭氧化对微滤过程膜污染的影响
• 2.5.1 水质对微滤过程膜污染的影响
• 2.5.2 预臭氧化对微滤过程膜污染的影响
• 2.5.3 分析与讨论
• 2.6 本章小结
• 第3章 二级出水的水质特征
• 3.1 试验装置和方法
• 3.1.1 试验用水
• 3.1.2 分析方法
• 3.2 溶解性有机物
• 3.2.1 紫外光谱特征
• 3.2.2 红外光谱特征
• 3.2.3 荧光激发-发射光谱特征
• 3.2.4 亲疏水性分级特征
• 3.2.5 荷电基团特征
• 3.2.6 有机物分子量分布特征
• 3.3 悬浮颗粒物
• 3.4 细菌含量
• 3.5 本章小结
• 第4章 二级出水直接微滤过程中有机物的膜污染特性
• 4.1 试验装置和方法
• 4.1.1 恒流过滤装置
• 4.1.2 指标和测定方法
• 4.1.3 试验设计
• 4.2 二级出水及 EfOM 的微滤特性
• 4.2.1 二级出水直接微滤特性
• 4.2.2 pH 对二级出水直接微滤的影响
• 4.2.3 EfOM 的直接微滤特性
• 4.2.4 小结
• 4.3 EfOM 不同亲疏水性组分的微滤特性
• 4.3.1 EfOM 亲疏水性组分的微滤特性比较
• 4.3.2 EfOM 组分的分子量分布
• 4.3.3 EfOM 组分凝胶层的接触角
• 4.3.4 EfOM 组分羧基含量对微滤的影响
• 4.3.5 EfOM不同组分的FEEM谱图分析
• 4.3.6 分析和小结
• 4.4 SMP 及其模型组分的微滤特性
• 4.4.1 模拟 SMP 及模型多糖、蛋白溶液的微滤特性
• 4.4.2 pH 和钙离子对模型多糖、蛋白溶液微滤特性的影响
• 4.4.3 小结
• 4.5 腐殖酸（NOM）溶液的微滤特性
• 4.6 不同种类有机物在膜表面的污染特性
• 4.6.1 红外谱图分析
• 4.6.2 XPS 结果分析
• 4.6.3 小结
• 4.7 SMP/NOM 混合溶液中 SMP 的含量与其微滤膜污染的关系
• 4.8 有机物在微滤过程中形成膜污染的机理
• 4.8.1 有机物微滤过程中凝胶层的形成
• 4.8.2 微观力谱的测定方法
• 4.8.3 力谱曲线的对比分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 二级出水臭氧-微滤过程中的有机物污染特性
• 5.1 试验装置和方法
• 5.1.1 臭氧反应装置及试验参数
• 5.1.2 恒流过滤装置及试验参数
• 5.1.3 试验设计
• 5.2 预臭氧化对有机物溶液微滤特性的影响
• 5.2.1 预臭氧化对EfOM溶液微滤特性的影响
• 5.2.2 预臭氧化对 HIS 和HOA 溶液微滤特性的影响
• 5.2.3 预臭氧化对有机物凝胶层接触角的影响
• 5.3 EfOM 及其组分的预臭氧化
• 5.3.1 预臭氧化对EfOM色度的影响
• 5.3.2 预臭氧化对 DOC 和UV254 的去除
• 5.3.3 预臭氧化反应中 EfOM 溶液pH 和酸度的变化
• 5.3.4 预臭氧化对EfOM三维荧光谱图的影响
• 5.3.5 预臭氧化对有机物分子量分布的影响
• 5.3.6 预臭氧化对EfOM亲疏水性组成的影响
• 5.3.7 分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 二级出水臭氧-微滤中的颗粒物污染特性
• 6.1 试验装置和方法
• 6.1.1 恒压过滤装置
• 6.1.2 二级出水微滤总阻力构成的评价方法
• 6.1.3 恒流过滤装置及试验参数
• 6.1.4 模拟 SS 溶液的配制
• 6.1.5 其他检测方法
• 6.1.6 试验设计
• 6.2 二级出水微滤中的颗粒物污染
• 6.2.1 二级出水微滤中颗粒物污染的比例
• 6.2.2 SS浓度对模拟颗粒悬浊液在微滤中形成的膜污染的影响
• 6.2.3 溶解性有机物对 SS 悬浊液微滤过程中膜污染的影响
• 6.2.4 颗粒粒径对 SS 悬浊液在微滤过程中膜污染的影响
• 6.2.5 小结
• 6.3 臭氧对颗粒物的作用及对其在微滤中形成的污染的影响
• 6.3.1 预臭氧化对恒压过滤中颗粒物污染的影响
• 6.3.2 预臭氧化对恒流过滤中颗粒物污染的影响
• 6.3.3 臭氧对 SS 总量的去除作用
• 6.3.4 臭氧对 SS 悬浊液PSD 的影响
• 6.3.5 分析与讨论
• 6.4 本章小结
• 第7章 臭氧-微滤工艺处理细菌悬液的研究
• 7.1 试验装置和方法
• 7.1.1 菌种及仪器设备
• 7.1.2 细菌培养及计数
• 7.1.3 模拟细菌悬液的配制
• 7.1.4 试验设计
• 7.2 大肠杆菌悬液的微滤特性
• 7.2.1 微滤污染特征
• 7.2.2 大肠杆菌悬液浓度对膜污染的影响
• 7.2.3 EfOM 对大肠杆菌悬浊液微滤过程中膜污染的影响
• 7.3 预臭氧化对大肠杆菌悬浊液微滤过程中膜污染的影响
• 7.4 臭氧对悬浊液中大肠杆菌的灭活效果
• 7.4.1 大肠杆菌浓度的影响
• 7.4.2 溶解性有机物对悬浊液中大肠杆菌灭活率的影响
• 7.5 臭氧对大肠杆菌的溶胞作用
• 7.6 臭氧化对细菌细胞表面特性的影响
• 7.7 分析与讨论
• 7.8 本章小结
• 第8章 处理二级出水的臭氧-微滤工艺参数预测模型研究
• 8.1 水质参数对污染指标Ψ的影响
• 8.1.1 统计方法简介
• 8.1.2 相关分析
• 8.1.3 多元线性回归模型
• 8.2 主要水质参数与臭氧投加量的关系
• 8.2.1 DOC 与臭氧投加量的关系
• 8.2.2 SS 与臭氧投加量的关系
• 8.2.3 PS 与臭氧投加量的关系
• 8.2.4 最佳臭氧投加量预测模型
• 8.3 本章小结
• 第9章 结论与建议
• 9.1 结论
• 9.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录A：有机物XAD 树脂分级操作步骤
• 附录B：有机物吸附胶体探针的制备
• 附录C：统计数据表
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文