基于阈通量理论的膜生物反应器处理含氨氮地表水研究

摘要

随着人们对饮用水水质的要求日益提高,将超滤膜技术用于饮用水传统净化工艺升级与改造具有广泛的发展前景,因而广受关注。与此同时,膜分离科学与膜材料的发展以及超滤膜及以超滤为核心组合工艺处理地表水的相关科研成果也促进了超滤技术在大规模净水厂中的工程化应用。然而,超滤膜污染会严重限制其推广应用,因而如何控制膜污染是亟待解决的关键技术问题。超滤膜通量会显著的影响膜污染累积的速度,所以设计超滤水厂需要合理选择设计膜通量。
　　本文从时间规模(短期和长期)、实验规模(小试、中试和水厂运行)、膜特性、水质和预处理的角度,开展了超滤处理地表水的阈通量研究,引进了超滤膜阈通量的理念,并建立了系统超滤阈通量的测定方法。首先,通过通量循环法和改进通量阶梯法两种短期实验方法来求得阈通量候选值;然后,通过长期小试实验,进一步缩小阈通量的选值范围;最后通过长期中试实验模拟水厂的实际运行情况,综合考虑产水率和膜阻力分析两个关键因素,筛选出适宜的阈通量。本文结合山东东营南郊水库水源水,进行超滤膜阈通量的测定研究,确定了超滤膜处理砂滤出水时最佳阈通量为30L/m2·h。东营南郊净水厂在30L/m2·h的阈通量下连续运行两年多,仍无需化学清洗,直接验证了超滤阈通量系统研究方法的正确性,及其在实际超滤水厂中应用的可行性。本文还对通过改进通量阶梯法和通量循环法进行了比较分析,认为改进通量阶梯法优于通量循环法。采用了PVC膜和PVDF膜过滤原水以及沉后水,得出以下结论:PVC膜过滤原水的第一不可逆阈通量在8.63-10.12L/m2·h;过滤沉后水的第一不可逆阈通量为≤48L/m2·h。PVDF膜过滤原水的第一不可逆阈通量>30L/m2·h;沉后水的第一不可逆阈通量为54.19-58.83L/m2·h。此外,本文还交叉分析了膜特性、水质和预处理对阈通量的影响,综合比较发现PVDF膜的抗污染性强于PVC膜,但是PVC膜能够实现污染细化即形成多个阈通量,而曝气和反洗能够显著提高阈通量。
　　低温去除氨氮一直是一个困扰学术界的难题,尤其是在地表水贫营养化的情况下。膜生物反应器是一个很好去除水中氨氮的技术,但膜污染限制了该工艺的推广应用。基于超滤处理地表水的阈通量的研究基础,作者设计了一个重力流膜生物反应器(MBR)用于含氨氮地表水处理,运行通量(≤9.17L/m2·h)低于原水的不可逆阈通量,开展了运行参数和温度对长期运行处理含氨氮地表水的影响研究。
　　回流,污泥停留时间(SRT),曝气间歇,水力停留时间(HRT)、粉末活性炭(PAC)投加量和氨氮冲击负荷是影响重力流MBR的关键运行参数。运行参数优化研究表明:回流为1m3/h;间歇曝气(每隔12h曝气10mins);曝气量为0.83m3/m2;膜反洗通量为20L/m2·h,反洗与曝气同步进行即(每隔12h反洗10mins)。另外,本文通过回流取代了搅拌实现了重力流MBR系统的均匀混合。并且得出以下结论:重力流MBR系统在不可逆阈通量下运行,曝气频率和污泥停留时间是影响膜污染的主要因素;期间产生的污染都是可逆污染,可以通过曝气排泥去除;延长曝气间歇会导致溶解氧降低从而使氨氮去除率降低到50％;PAC投加量从5mg/L增加到20mg/L时,氨氮去除率由51%增加到了99%。
　　在运行参数优化的基础上,开展了温度对重力流MBR长期运行处理含氨氮地表水的影响研究。实验结果表明:低温条件下通量的恢复可能是低温降低了生物活性,从而导致生物膜脱落,降低了膜污染;恒压下通量的下降模式类似与恒通量下跨膜压差的跳跃式增长。此外,本文还详细研究了温度对氨氮去除以及生物稳定性的影响,得出以下结论:10℃是微生物活性的转折点;在温度开始低于10℃时,微生物的活性受到了较大的抑制,重力流MBR对氨氮、有机物和消毒副产物的去除效能明显降低。较高的粉末活性炭浓度为MBR系统中的有机质和微生物提供了载体,可使微生物的活性在受到抑制后能够很快恢复,迅速适应低温环境(1-10℃)。水力停留时间的增加也具有重要的作用。本文通过质量守恒即化学反应方程式比较了MBR系统中计算的硝态氮和出水的硝态氮浓度,探讨了低温氨氮的去除机理,结果表明该MBR系统中除了硝化作用可能存在厌氧氨氧化脱氮作用。
　　本论文提出阈通量系统研究方法并通过实验验证了其正确性,还将不可逆阈通量应用于重力流MBR系统,实现了在低温(1-10℃)条件下对地表水中氨氮的去除,出水生物稳定性高。本论文的研究成果可以为超滤在净水厂的推广以及MBR在低温含氮地表水处理中的应用提供技术依据。

目录

封面

中文摘要

目录

第1章 绪论

1.1超滤在城市自来水厂的应用现状

1.2临界通量理论体系的发展

1.3临界通量的检测方法

1.4超滤阈通量研究的必要性

1.5膜生物反应器脱氮工艺

1.6研究内容和技术路线

第2章 材料和方法

2.1超滤处理地表水的阈通量研究

2.2重力流膜生物反应器处理含氨氮地表水研究

第3章 超滤处理地表水的阈通量研究

3.1引言Equation Chapter (Next) Section 1

3.2超滤阈通量系统研究方法的建立和验证

3.3膜特性、水质和预处理对超滤阈通量的影响研究

3.4本章小结

第4章 不可逆阈通量下运行的MBR处理含氨氮地表水优化研究

4.1引言Equation Chapter (Next) Section 1

4.2重力流MBR系统运行参数的优化研究

4.3重力流MBR系统的稳定运行研究

4.4本章小结

第5章 温度对不可逆阈通量下长期运行的MBR处理效能研究

5.1引言

5.2温度对膜运行的影响

5.3温度对氨氮去除及其机理的影响

5.4温度对生物稳定性的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢

个人简历