浸没式膜生物反应器组合工艺净化受污染水源水的研究

摘要

我国的饮用水源普遍受到污染，以有机物和氨氮为主要污染物。另一方面，生活饮用水水质标准不断提高，使得常规处理工艺的局限性越来越明显。为此，水处理工作者不断探索、研发新型高效的水处理技术。其中，膜滤技术表现出诸多的优点，被认为21世纪的水处理技术。而浸没式膜生物反应器（SMBR）将外压膜滤与活性污泥有机组合，已经在污水处理领域得到广泛研究与应用。但是，就其在饮用水处理中的应用而言，由于原水性质显著不同，仍有一些关键问题需要解决。
　　本课题首先就SMBR用于处理受污染水源水的自然启动特性进行研究，结果表明就氨氮的去除而言SMBR的自然启动可在35天左右完成。在长期的稳定运行条件下，SMBR通过生物降解作用始终表现出优良的氨氮去除效能，并且能有效应对饮用水源的氨氮突发污染事件。而SMBR对有机污染物的去除能力较低，主要是因为饮用水源中的有机物可生化性较低的缘故。
　　另一方面，生物活性炭（BAC）是一项成熟的饮用水深度处理技术。现场试验研究表明，进水有机物含量以及滤料粒径对BAC除污染效能影响较大，而滤速、预曝气和反冲洗等因素影响较小。并且，进水中的机物和氨氮等优先通过上部滤料得到去除。研究中在相同的试验条件下对比了BAC和SMBR用于饮用水处理的除污染效能。结果表明，SMBR主要通过生物降解作用去除进水溶解性有机物（DOM），效率较低；BAC通过颗粒炭吸附和生物降解的协同作用，对DOM的去除效率较高，但其出水中仍含有一定量的颗粒性有机物，并且对氨氮的去除能力低于SMBR。
　　为充分发挥BAC去除有机物的能力和SMBR去除氨氮的能力，研究中将两者联用。结果表明，进水首先经BAC处理，水中污染物被部分去除，可以减轻后续SMBR的负荷并延缓膜污染；而其后的SMBR则可进一步强化对BAC出水中有机物和氨氮的去除，并以膜作为最后屏障深度截留颗粒物。但是，将BAC与SMBR联用存在水力停留时间长，占地面积大的缺陷。因此，以粉末活性炭（PAC）代替BAC，将PAC直接投加于SMBR反应器内，构建膜-粉末炭吸附生物反应器（MABR）。在MABR中，膜的物理截留作用、生物降解作用以及PAC的吸附作用协同完成对有机污染物的去除，效率较高，并且显著缩短了水力停留时间。同时，反应器中的PAC还能为微生物生长提供载体，提高对冲击负荷的应对能力。MABR是一项具有广阔应用前景的技术。
　　接下来，研究中尝试在SMBR中直接投加混凝剂，构建膜混凝生物反应器（MCBR）。较之传统SMBR，MCBR不但对有机物的去除率明显提高，还能有效去除溶解性磷酸盐，提高出水生物稳定性。同时，MCBR对氨氮的去除率也达到96％，表明在生物反应器中直接混凝不会对微生物群落造成负面影响。因此，试验中在SMBR中同时投加混凝剂和吸附剂，构建一体化膜混凝吸附生物反应器（MCABR），以期取代现有水处理工艺。在MCABR中，通过膜截留、生物降解、混凝和吸附的作用共同完成对有机物的去除，去除率达70%左右。扫描电镜（SEM）观察表明MCABR中UF膜表面存在一层污泥层，能谱分析表明该污泥层中含有10.4%的Al元素；共聚焦激光显微镜（CLSM）观察发现MCABR中膜表面分布着大量的多糖。推断多糖和Al水解产物在膜表面共同形成网状结构，强化对混合液中有机物的截留，尤其是分子量在300~3000Da的有机物，同时膜表面富集的PAC层也能强化对有机物的截留。
　　对SMBR组合工艺中的核心单元，即浸没式膜组件处理受污染水源水的运行特性进行了中试研究。结果表明，浸没式中空纤维超滤膜具有优异的除浊效能，但对有机污染物，特别是溶解性有机物去除效果不好。由于膜通量大时膜滤池内污染物的累积程度也增大，通量对膜污染的影响很大。曝气可去除膜表面沉积的泥饼层，因此可在一定程度上延缓膜污染。相同曝气量下连续曝气比间歇曝气更有利于延缓膜污染。曝气量越大，跨膜压增长速度就越低，但需综合考虑对膜污染的延缓作用和能耗，以确定最佳曝气量。对于传统构型的浸没式UF膜而言，气泡尺寸越小越有利于延缓膜污染。而反冲洗则可同时去除膜的孔内污染和表面污染，从而表现出更高的效率。工程应用中需对曝气和反冲洗进行优化组合。另一方面，当膜长期运行时，膜的不可逆污染必然发生。因此，论文中还对NaOH和乙醇联合清洗受污染的中空纤维PVC膜的效能和机理进行了探讨。扫描电镜和原子力显微镜（AFM）分析表明NaOH和乙醇能有效地协同去除中空纤维PVC膜表面和孔内的污染物质，表现出优异的清洗效率。

目录

浸没式膜生物反应器组合工艺净化受污染水源水的研究

STUDY ON THE HYBRID PROCESS OFSUBMERGED MEMBRANE BIOREACTOR FORTREATING POLLUTED SOURCE WATER

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 我国的水污染现状

1.2 饮用水源污染的危害

1.3 生活饮用水水质标准的提高

1.4 饮用水处理工艺的发展

1.5 单元饮用水处理技术

1.6 低压膜滤技术在饮用水处理中的研究与应用

1.7 膜生物反应器技术

1.8 本论文的研究内容和技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 检测方法

第3章 SMBR净化受污染水源水的除污染特性

3.1 试验装置与运行条件

3.2 SMBR处理受污染水源水的启动特性

3.3 SMBR处理受污染水源水的除污染效能

3.4 SMBR应对氨氮冲击负荷的能力

3.5 本章小结

第4章 BAC除污染的特性及其与SMBR除污染效能的比较

4.1 试验装置与运行条件

4.2 BAC除污染的特性研究

4.3 BAC与SMBR除污染效能的比较

4.4 本章小结

第5章 活性炭强化SMBR净化受污染水源水

5.1 试验装置与运行条件

5.2 BAC与SMBR的组合工艺净化受污染水源水的效能

5.3 污泥停留时间对SMBR除污染效能的影响

5.4 膜-粉末炭吸附生物反应器（MABR）净化受污染水源水

5.5 本章小结

第6章 一体化膜混凝吸附生物反应器深度净化受污染水源水

6.1 试验装置与运行条件

6.2 膜混凝生物反应器（MCBR）除污染的效能与机理

6.3 一体化膜混凝吸附生物反应器（MCABR）净化受污染源水

6.4 MCABR处理受污染水源水的影响因素

6.5 本章小结

第7章 浸没式超滤膜处理受污染水源水的中试研究及膜污染的曝气和化学清洗控制

7.1 试验装置与运行条件

7.2 浸没式超滤膜系统处理受污染水源水的运行特性

7.3 曝气延缓膜污染

7.4 NaOH+乙醇对污染膜的化学清洗

7.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历