PAC投加及更新率对MBR运行效能和膜污染的影响

摘要

全球范围的水和能源短缺、严格的废水排放标准以及环境保护强调可持续废水处理工艺的需求，MBR表现出独特的优势。MBR工艺具有占地面积小，污泥产量低，比常规活性污泥法更能有效去除污染物等优点。然而，膜污染仍然是MBR广泛应用的主要障碍。本论文通过对比研究的方法，研究粉末活性炭(PAC)的投加量及更新率对长期运行的MBR处理效果及膜污染的影响机制。
　　考察了不同粉末活性炭投加量对膜污染及MBR性能的影响。投加PAC使膜过滤阻力降低9.08％，膜污染速率减小18.3％以上，膜使用周期至少延长1.6倍。PAC的添加降低溶解性微生物产物(SMP)浓度，减缓膜污染，同时蛋白质/多糖比例降低。PAC减少了蛋白质和多糖在膜表面和孔内的吸附和沉积。可逆和不可逆污染阻力与PAC投加浓度有关。投加量为2g/L时，PAC更有利于膜污染的缓解。
　　研究了PAC更新率对PAC-MBR膜污染和微生物群落的影响。PAC更新对有机物和氮的去除没有影响，而随着PAC更新率的增加，SMP浓度下降，胞外聚合物(EPS)含量增加，SMP含量变化与TMP中污染速率变化一致，较低的EPS浓度能减缓污泥对膜的粘附作用。PAC的更新加剧了SMP中多糖含量的积累，而多糖积累量随着PAC更新率的增大而减少;PAC更新率为1.67％时，SMP中蛋白质含量降低13.4％。EPS中多糖和蛋白质的含量随着PAC更新率的不断增大而增多，并且PAC的更新加大了P/C值，增强了污泥絮凝。污染速率和阻力分析进一步证实了PAC更新能减缓MBR膜污染倾向。分子量分布分析揭示了PAC吸附/生物降解和膜截留对有机物去除的协同作用。FTIR及SEM-EDX分析表明PAC的更新减缓了滤饼层污染，降低了多糖类、蛋白质的浓度，以及缓解了钙磷化合物、硅酸盐和硫酸盐等在膜表面的吸附和沉淀。另外，污泥生长速率与PAC更新率呈正相关(P=0.98)。高通量测序表明由于新鲜PAC的加入使Proteobacteria，Bacteroidetes和Nitrospira的丰度增加，保证了污染物的去除，而由Planctomycetes和Betaproteobacteria引起的膜污染减少。PAC更新率为1.67％，实现了有效的膜污染缓解和优势细菌繁殖的加强。PAC更新能够强化MBR运行效能，是促进MBR应用的一种新型途径。

目录

声明

摘要

缩略语表

1．1 研究背景

1．2 国内外膜生物反应器的研究进展及应用

1．2．1 国外膜生物反应器的研究进展及应用

1．2．2 国内膜生物反应器的研究进展及应用

1．3 膜生物反应器组成和特点

1．3．1 膜生物反应器的组成分类

1．3．2 膜生物反应器的优缺点

1．4 膜污染概述

1．4．1 膜污染产生与分类

1．4．2 影响膜污染的因素

1．4．3 PAC改善膜污染的研究进展

1．5 研究目的与研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

2．1．1 MBR实验装置

2．1．2 超滤实验装置

2．1．3 仪器设备

2．1．4 粉末活性炭的性质及投加更新方式

2．2 实验用水水质及分析项目测定方法

2．2．1 实验用水水质

2．2．2 水质指标及测定方法

2．2．3 ORP、pH、DO及电导率的测定

2．2．4 活性污泥镜检

2．2．5 液体粘度

2．2．6 污泥粒径

2．2．7 污染物截留率

2．3 高通量测序

2．4 SMP、EPS的测定分析

2．4．1 SMP以及EPS的提取

2．4．2 UV254的测定

2．4．3 TOC的测定

2．4．4 多糖、蛋白质、DNA的测定

2．4．5 分子量分布

2．5 膜组件清洗及膜污染测定

2．5．1 膜组件的清洗

2．5．2 膜污染物的提取

2．5．3 扫描电镜和X射线能谱分析

2．5．4 红外光谱测定

2．6 膜污染潜力分析

2．6．1 膜污染阻力计算

2．6．2 污泥混合液阻力计算

第3章 PAC投加量对MBR处理效能及其膜污染影响

3．1 活性污泥的驯化

3．1．1 活性污泥的接种

3．1．2 SBR反应阶段污染物去除规律及有机污染物降解动力学分析

3．2 MBR和PAC-MBR运行效果比较

3．2．1 PAC的投加量对COD去除效果的影响

3．2．2 PAC的投加量对氨氮去除效果的影响

3．2．3 PAC的投加量对TN去除效果的影响

3．2．4 PAC的投加量对浊度去除效果的影响

3．3 PAC对MBR中活性污泥混合液性质的影响

3．3．1 污泥的表观特征比较

3．3．2 污泥特性的变化

3．3．3 污泥混合液中SMP的变化

3．4 投加PAC减缓膜污染的研究

3．4．1 PAC对跨膜压力的影响

3．4．2 第一个TMP变化周期膜阻力变化

3．4．3 膜通量恢复

3．4．4 FTIR

3．5 本章小结

第4章 PAC更新率对MBR运行效能的影响

4．1 驯化期各组分变化趋势

4．2 MBR运行阶段PAC更新率对水质的影响

4．2．1 COD

4．2．2 氨氮

4．2．3 TN

4．2．4 浊度

4．2．5 TOC以及UV254

4．3 有机组分浓度变化

4．3．1 SMP各组分浓度变化趋势

4．3．2 EPS各组分浓度变化趋势

4．3．3 SMP的分子量分布

4．3．4 有机组分在膜生物反应器中的分布

4．4 本章小结

第5章 PAC更新率对污泥过滤特，性及微生物种群的影响

5．1 不同PAC更新率对污泥特性的影响

5．1．1 生物质进化

5．1．2 污泥指数(SVI)

5．1．3 污泥粘度

5．1．4 污泥粒径

5．2 污泥微生物群落的变化

5．2．1 生物多样性分析

5．2．2 高通量测序结果分析

5．3 本章小结

第6章 MBR膜污染特征分析及膜清洗研究

6．1 MBR系统中TMP变化趋势

6．1．1 TMP以及膜通量变化趋势

6．1．2 总过滤阻力Rt随时间的变化情况

6．1．3 不同TMP条件下恒压过滤实验

6．2 膜污染物特征分析

6．2．1 SEM分析

6．2．2 EDX分析

6．2．3 FTIR分析

6．3 清洗后膜通量恢复及污染阻力分布

6．3．1 膜通量恢复情况

6．3．2 膜污染阻力分布

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢