PF-MBR处理城市生活污水及其膜污染控制

摘要

膜生物反应器是将生物处理工艺与膜分离技术相结合而成的一种新型、高效污水处理技术，是中水回用的热点处理工艺。该工艺具有出水水质好、耐冲击负荷、剩余污泥少及占地面积小等优点。在污水排放标准越来越严格和水资源短缺问题日益突出的背景下，膜生物反应器将成为污水处理与资源化的重要技术途径之一。但膜生物反应器技术目前还存在膜污染、能耗大、费用高等问题。已有的研究多通过优化运行参数、添加PAC填料、采用组合工艺等措施提高污染物去除率，有些措施还能有效减缓膜污染。但向膜生物反应器中添加廉价的铁氧体粉末及采用低温等离子体技术对膜进行改性，以提高污水中污染物去除率及改善膜污染的系统研究尚不多见。 在上述背景下，设计制作铁氧体粉末膜生物反应器(PF-MBR)，组建实验系统；并对城市生活污水进行处理，研究各主要运行参数对污染物去除效果及膜污染的影响规律；考察铁氧体粉末添加对污水中污染物去除效果及膜污染的影响，并进行了PF-MBR处理城市生活污水的动力学分析；在此基础上采用低温等离子体对聚偏氟乙烯膜进行改性，研究低温等离子体改性对污染物去除率及膜耐污性能的影响。 实验结果表明，采用自制的PF-MBR处理生活污水时，反应器中DO、HRT、MLSS、进水pH及温度等对污水中COD、NH-4-N、TN及TP的去除均有一定的影响；膜生物反应器中添加铁氧体粉末能明显提高生物反应器对COD及NH+4-N的去除率，但对TN和TP的去除效果影响不大；添加铁氧体粉末能在一定程度上延缓膜污染。一定条件下，膜生物反应器运行到第30天时，不加铁氧体粉末的MBRB膜过滤压差达到22.9kPa，而添加铁氧体粉末的MBRA膜过滤压差只有17.2kPa；MBRA的膜过滤阻力比MBRB小1.65×1012m-1，其中，MBRA由膜孔堵塞与吸附产生的阻力显著小于MBRB；尽管MBRA和MBRB的临界通量均介于17～20L/(m2·h)之间，但当膜生物反应器以20L/(m2·h)的膜通量运行时，MBRB膜过滤压差的增长速率为0.06kPa/min，明显大于MBRA。通过正交实验得到因素铁氧体粉末投加量A、铁氧体粉末比饱和磁化强度B、膜通量C和曝气量D对COD去除率、NH+4-N去除率及膜过滤阻力上升速率影响的重要性顺序。PF—MBR运行的较优水平是A3B3C1D2。 机理分析表明，膜生物反应器中加入铁氧体粉末后，在微生物降解、磁场能、铁氧体粉末吸附等共同作用下，实现了污水中污染物去除率的提高；同时，铁氧体粉末的加入改变了活性污泥絮体的结构和性质，降低了膜生物反应器运行过程中膜表面泥饼层产生的阻力及膜孔堵塞与吸附产生的阻力，从而有效缓解膜污染。 动力学分析结果显示，PF—MBR处理城市生活污水时，有机底物降解动力学常数K的平均值为0.0023 L/(mg·d)，大于不加铁氧体粉末膜生物反应器的有机底物降解动力学常数；PF—MBR处理城市生活污水时，污泥增殖的动力学模式为：ΔX/VXv=0.2502(So—Se)Q/VXv—0.0371，产率系数Y为0.2502，衰减系数Kd为0.0371。 低温等离子体改性对PF—MBR去除污染物效果的影响不大，但能增强膜的耐污染性能。在稳定运行过程中，改性膜过滤压差增加的速率明显小于非改性膜；改性膜的过滤总阻力、膜本身的固有阻力、膜表面泥饼层所产生的阻力及膜孔堵塞与吸附所产生的阻力均小于非改性膜；在相同操作条件下，改性膜的临界通量为20～23L/(m2·h)，高于非改性膜。机理分析表明，膜的低温等离子体改性可以在膜表面引入大量羟基、羰基等亲水性极性基团，使膜表面受到刻蚀，粗糙度增加，从而使膜表面的亲水性增强，耐污性能得到提高。 研究中采用低温等离子体进行膜改性，能明显增强膜的耐污染性能，同时具有高效、低成本、环保等优点。所采用的磁性铁氧体粉末可以从重金属废水中在一定条件下直接获得。该填料的加入在提高污染物去除率及改善膜污染的同时，还可实现废物的综合利用，体现了资源化的技术政策。因此，该研究具有重要的意义及较大的推广应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1水资源现状

1.1.2城市生活污水的水质特征及排放概况

1.1.3城市生活污水生物处理技术现状

1.2膜生物反应器简介

1.2.1膜及膜分离

1.2.2膜组件

1.2.3膜生物反应器及其特点

1.3膜生物反应器在污水处理中的研究进展

1.3.1制膜新材料的研究

1.3.2对现有膜材料进行表面改性与复合

1.3.3膜生物反应器运行参数及新工艺研究

1.3.4膜污染及控制研究

1.3.5膜生物反应器在应用中存在的问题及发展趋势

1.4论文的研究目的、意义和内容

1.4.1论文的研究目的和意义

1.4.2论文的研究内容

参考文献

第二章研究方案、实验材料与方法

2.1研究方案

2.2实验装置

2.3实验用水

2.4实验方法

2.5污泥培养与驯化

2.6铁氧体粉末的制备

2.6.1铁氧体简介

2.6.2铁氧体粉末的制备

2.6.3SEM表征

参考文献

第三章PF-MBR运行参数对污染物去除效果的影响

3.1DO对污染物去除效果的影响

3.1.1DO对COD去除效果的影响

3.1.2DO对氨氮去除效果的影响

3.1.3DO对TN去除效果的影响

3.1.4DO对TP去除效果的影响

3.1.5DO对SS去除效果的影响

3.2HRRT对污染物去除效果的影响

3.2.1HRT对COD去除效果的影响

3.2.2HRT对氨氮去除效果的影响

3.2.3HRT对FN去除效果的影响

3.2.4HRT对TP去除效果的影响

3.3MLSS对污染物去除效果的影响

3.3.1MLSS对COD去除效果的影响

3.3.2MLSS对氨氮去除效果的影响

3.3.3MLSS对TN去除效果的影响

3.3.4MLSS对TP去除效果的影响

3.4pH对污染物去除效果的影响

3.4.1pH对COD去除效果的影响

3.4.2pH对氨氮去除效果的影响

3.4.3pH对TN去除效果的影响

3.4.4pH对TP去除效果的影响

3.5温度对污染物去除效果的影响

3.5.1温度对COD去除效果的影响

3.5.2温度对氨氮去除效果的影响

3.5.3温度对TN去除效果的影响

3.5.4温度对TP去除效果的影响

小结

参考文献

第四章铁氧体粉末对MBR运行特性的影响

4.1实验装置

4.2实验结果及分析

4.2.1添加铁氧体粉末对膜生物反应器处理效果的影响

4.2.2添加铁氧体粉末对膜过滤压差的影响

4.2.3添加铁氧体粉末对膜过滤阻力分布的影响

4.2.4添加铁氧体粉末对临界通量的影响

4.2.5正交实验

4.3铁氧体粉末作用机理分析

小结

参考文献

第五章PF-MBR动力学分析

5.1有机底物降解动力学

5.1.1有机底物降解动力学模型建立

5.1.2动力学常数K值的确定及分析

5.2污泥增殖动力学

5.2.1污泥增殖动力学模型建立

5.2.2产率系数及衰减系数的确定

小 结

参考文献

第六章膜的低温等离子体改性及其控制膜污染

6.1实验装置

6.2实验结果及分析

6.2.1操作参数对膜污染的影响

6.2.2膜的低温等离子体改性

小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1结论

7.2论文的创新点

7.3展望

致 谢

攻读博士学位期间发表的学术论文