工业滤布抗污染动态膜的制备、表征及性能研究

论文摘要

膜生物反应器（Membrane Bio-Reactors,MBRs）是污水处理和中水回用领域最有前途的工艺。它把膜分离过程与生物降解结合起来,取得高效的固液分离和出水效果。然而,膜组件昂贵的价格和其运行过程中难以控制的膜污染现象,导致MBR的投资和运行费用增加,最终限制了该技术的广泛应用。因此研究制备廉价的高抗污染性能的过滤膜对MBR在我国的推广应用具有重要的意义。近年,利用具有一定特性的颗粒物质在廉价的大孔径过滤介质的表面和内部形成动态膜的技术成为该研究的热点。本研究利用廉价易得的工业滤布作为膜基质,形成多种抗污染预涂动态膜,并对它们的制备、表征和性能进行了深入研究,同时利用气泡与平板的作用模型对平板膜组件的外形结构进行优化设计。首先,利用平均粒径为22.8μm的粉末活性炭（Powder Activated Carbon,PAC）作为预涂剂,在工业滤布表面形成预涂PAC动态膜。通过清水过滤和标准浊度溶液的截留实验,考察不同厚度PAC动态膜清水阻力和截留能力的变化,结果表明预涂PAC动态膜属于滤饼过滤型动态膜,其最佳厚度为0.3±0.05 mm。但是,浸没式膜生物反应器（Submerged Membrane Bio-Reactor,SMBR）中由下方曝气产生的膜面剪切作用能够在一定程度上破坏滤饼过滤型动态膜的稳定运行,研究发现MLSS低于8000 mg·L-1时的活性污泥混合液可以近似看作牛顿流体,试验证明利用湍流边界层理论计算滤饼过滤型动态膜的稳定曝气量的实用性,因此PAC动态膜在SMBR中的稳定运行采用由供氧曝气量逐渐调节到稳定曝气量的操作方式。通过预涂PAC动态膜与自生生物动态膜（Self-Forming Dynamic Membrane,SFDM）,以及中空纤维膜（Hollow Fiber Membrane,HFM）组成的SMBR系统在处理模拟生活污水的对比试验,发现PAC动态膜具备较好的性能,其操作压力在43天内上升到42 kPa,出水效果和中空纤维膜相当,COD和氨氮的去除率分别为97.1%和76.1%。污染后的PAC动态膜只需进行干燥处理即可脱落,进行再生,无需消耗化学试剂,特别是PAC动态膜的造价不超过每平方米25元的价格优势,能保证其在实际应用中的潜力。另外,如果利用具有强负电性的阴离子表面活性剂或具有强亲水性的SiO2和TiO2等物质进一步吸附在预涂PAC动态膜表面和内部,将会取得更优质的运行效果。其次,本论文针对导致膜污染主要物质溶解性有机物（Soluble Microbial Products,SMP）和胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）所具有的高疏水性和高电负性,制备一种新型的预涂剂——聚乙烯醇微球（Poly-Vinyl Alcohol Microsohere,PVA-MS）。通过PVA和戊二醛乳化交联所制备的PVA-MS具有良好的分散性,平均粒径为1.2±0.1μm。通过红外光谱分析和Zeta-电位测量结果发现PVA-MS表面富含羟基,具有很强的亲水性和电负性,其Zeta-电位受PH值得影响明显,在pH=11时最小为-87.25mV。随后,分别利用静电自组装和过滤预涂的方法在工业滤布表面和内部制备对称无滤饼标准型、不对称标准过滤型、对称完全堵塞型三种类型的PVA-MS动态膜。静态亲水接触角的测量证明PVA-MS动态膜均具有较好的亲水性,它们的清水过滤阻力分别为1.02×1010m-1、2.76×1010m-1、1.07×1011m-1,三种PVA-MS动态膜在浓度0.01 mol·L-1的KCl电解质溶液中测量的相对流动电位分别为-26.2 mV、-35.3 mV、-65.1 mV。无滤饼标准型、标准过滤型以及完全堵塞型PVA-MS动态膜对上清液浊度为21.34NTU的截留率分别为78%、93.7%、98.9%,对上清液TOC为17.1 mg·L-1的截留率分别为6.56%,37.16%,48.63%。对工业滤布以及三种PVA-MS动态膜不可逆污染的再生性能研究表明,化学清洗法均能完全去除膜的不可逆污染,物理反冲洗的效果随着PVA-MS预涂量的增加得到不断改善。综合对比,自组装和完全堵塞型PVA-MS动态膜显示出一定的竞争优势,前者利用化学清洗后能维持大部分PVA-MS的存在,可以经历多次运行清洗周期后再生,后者仅利用物理反冲洗即可去除不可逆膜污染,经再次预涂后即可应用。最后,对目前广泛应用的平板膜竖直结构提出改进,设计具有一定的倾斜角度θ的梯型平板膜结构,使其在保持膜面附近气泡错流速度的同时增加气泡与膜面弹性碰撞的强度与次数,提高曝气减缓膜污染的效率。通过对Vries建立的气泡与竖直平板相互碰撞的数学模型进行改进,利用计算机迭代运算技术得到不同曝气条件下的最佳倾斜角度θ。结合SMBR的实际应用,对膜组件和曝气的最佳设计方案如下:梯形膜组件间间隔为10～15mm,曝气位置为组件间5～7 mm,梯型膜设计角度在1.7°～2.5°之间。竖直结构和梯型结构的自组装PVA-MS动态膜组件在同一SMBR反应器中,同一曝气强度下的对比试验证实,梯型膜能够有效的控制膜表面的滤饼层污染,防止由于压力升高引起的滤饼层压缩和由于膜面缺氧而引起的阻力急速上升。但是活性污泥发生膨胀引起的沉降性变差和运动学粘度变化过大,将会使气泡及其尾流与膜面作用的消弱,导致膜阻力的急速上升。梯型组装PVA-MS动态膜组件保持通量在18.6 L·m-2·h-1下运行的120 d内压力仅上升到0.01 MPa,出水浊度约为1.34 NTU,COD,氨氮的去除率分别为90%和91.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 膜生物反应器和动态膜技术研究进展
• 1.1 MBR研究概况
• 1.1.1 MBR的组成与特点
• 1.1.2 MBR的研究概况及应用前景
• 1.2 减缓MBR膜污染的有效措施
• 1.2.1 膜材料的改性
• 1.2.2 操作方式的优化
• 1.2.3 活性污泥改性优化
• 1.3 动态膜技术及其在膜生物反应器中的应用
• 1.3.1 动态膜技术的出现与分类
• 1.3.2 SFDMR工艺的的研究与应用
• 1.3.3 PDMBR工艺的的研究与应用
• 1.4 膜组件结构优化技术
• 1.4.1 膜组件空间结构优化
• 1.4.2 膜表面结构的过滤性能优化
• 1.4.3 膜组件曝气方式优化
• 1.5 本课题的研究目的、意义和内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 PAC动态膜的制备及其生物反应器处理生活污水的研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料和分析表征方法
• 2.2.1 动态膜基本材料及性能
• 2.2.2 动态膜阻力分析方法
• 2.2.3 动态膜截留性能分析方法
• 2.2.4 PDMBR分析项目和方法
• 2.2.5 PAC动态膜形成机理和方法
• 2.2.6 不同厚度的PAC动态膜的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PAC动态膜厚度对过滤性能的影响
• 2.3.2 曝气量对PAC动态膜稳定性的影响
• 2.4 PAC动态膜生物反应器处理生活污水试验
• 2.4.1 试验装置与方法
• 2.4.2 反应器运行效果对比
• 2.4.3 PAC动态膜污染机理分析
• 2.4.4 PAC动态膜的应用优势分析
• 2.5 本章小结
• 3 新型抗污染预涂剂PVA-MS的制备及其动态膜性质的研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料和分析表征方法
• 3.2.1 PVA-MS制备的试验材料与设备
• 3.2.2 PVA-MS的分析项目与测试方法
• 3.2.3 PVA-MS动态膜的表征
• 3.3 PVA-MS的制备及其抗污染特性研究
• 3.3.1 乳化反应理论研究
• 3.3.2 PVA-MS的制备方法
• 3.3.3 PVA-MS的交联度及其亲水羟基的分析
• 3.3.4 PVA-MS的表观形貌和粒径分布
• 3.3.5 PVA-MS的表面带电性
• 3.3.6 PVA-MS对EPS的吸附性
• 3.4 PVA-MS动态膜的制备与性能研究
• 3.4.1 PVA-MS动态膜的制备方法
• 3.4.2 PVA-MS动态膜的表观形貌及类型分析
• 3.4.3 PVA-MS动态膜的亲水性
• 3.4.4 PVA-MS动态膜的清水阻力
• 3.4.5 PVA-MS动态膜的流动电位
• 3.4.6 PVA-MS动态膜的截留性能
• 3.4.7 PVA-MS动态膜的再生性能
• 3.4.8 PVA动态膜的应用优势分析
• 3.5 本章小结
• 4 SMBR中梯型平板膜组件增强曝气作用的理论与应用研究
• 4.1 前言
• 4.2 梯型平板膜组件形式的提出
• 4.3 上升气泡与梯型平板膜相互作用模型
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 静止液体中气泡的上升运动
• 4.3.3 气泡在平板附近的上升运动
• 4.3.4 气泡与竖直平板相互作用模型
• 4.4 模型的计算结果与讨论
• 4.4.1 梯型膜角度的计算机运行方法
• 4.4.2 计算程序的初始条件
• 4.4.3 计算程序运行结果分析
• 4.4.4 梯型平板膜设计角度总结
• 4.5 梯型与竖直平板PVA-MS动态膜对比试验研究
• 4.5.1 试验装置与运行条件
• 4.5.2 PVA微球DMBR污染物去除效果
• 4.5.3 PVA微球DMBR运行周期
• 4.5.4 PVA-MS动态膜污染机制分析
• 4.5.5 PVA微球DMBR中污泥性质变化
• 4.5.6 SMBR中高抗污染性能膜组件讨论
• 4.6 本章小结
• 5 结论、创新点与建议
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 5.3 建议
• 参考文献
• 附录A 本论文第四章计算机运行C语言程序
• 附录B 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历