预涂动态膜在错流过滤中的机理研究及其在膜生物反应器中应用

摘要

高能耗和膜污染是膜技术在污水处理推广方面的两个主要障碍，动态膜技术由于其优良的抗污染和清洗简单等优点越来越备受膜技术研究领域的关注。本文以预涂动态膜技术的应用研究为背景，利用动态膜对错流过滤工艺进行优化：减少膜污染、提高膜通量和简化膜清洗。同时首次提出动态膜技术与当前污水处理热点工艺一膜生物反应器结合，进一步优化错流式膜生物反应器的性能。实验结合错流式膜生物反应器(CMBR)和A/O工艺，利用动态膜进行过滤，对模拟的己内酰胺废水进行处理，考察系统内的生物活性和污泥硝化性能。在后期，反应器中加入活性炭粉末，以此来改善污泥混合液的性能，改变污泥絮体的结构、物理性能。 首先，通过对错流过滤系统中悬浮颗粒的受力分析，考虑了动态膜制备过程中膜孔堵塞和膜管曲率变化等因素，提出了更切实际的动态膜形成过程数学模型，并对该模型进行了实验验证，利用所建立的数学模型可计算整个过程中的膜通量和膜厚度。颗粒大小、错流速度和跨膜压差等参数对达到稳定状态后的动态膜的膜厚和渗透液通量影响显著，而达到平衡状态所需的时间则与跨膜压差、主体溶液的颗粒浓度和粒径等参数有关。实验显示，膜孔堵塞的速率y并不与颗粒浓度和压力呈明显的线性关系，但随着颗粒浓度和压力的增大，膜孔堵塞的速率也随之增大。以1250目和6000目的高岭土为动态膜材料，分别在不同的流量、压力和涂膜液浓度下进行涂膜实验，结果表明：当系统常数K<,0>在1250目和6000目高岭土试验中分别取2和10时，实验值与计算值在非稳态和稳态情况下均比较接近。但在实验中发现膜通量进入稳态后仍随时间缓慢下降。 进一步的研究是探索预涂层动态膜的制备条件和动态膜的过滤条件。利用1250目、4000目、6000目的高岭土分别作为动态膜涂膜材料，在不同的错流速度(0.5、1.0、1.5m·s<,'-1>)、跨膜压差下(0.1、0.2MP)和不同颗粒浓度(0.5、0.75、1.0g·L<'-1>)下分别进行涂膜的正交实验。以过滤二级出水和活性污泥的出水通量和水质作为评价膜的性能指标，结果显示0.1MP压差、1.5 m·s<'-1>的初始膜面流速，用0.5g·L<'-1>的6000目高岭土进行涂膜30min得到的动态膜比较理想。在动态膜过滤和0.2μm无机微滤膜过滤实验的比较中，结果显示，动态膜过滤污泥混合液时在出水水质和通量方面明显由于直接过滤，而处理二级出水在膜通量方面没有太大的优势。在操作参数中通量对膜面流速最为敏感，提高膜面流速能明显提高膜通量，而提高跨膜压差并不能使膜通量线性上升，当压力大于临界压力时，增大压力已无明显效果。污泥浓度越大，假拟稳定状态的通量越小，通量与污泥浓度的关系呈指数关系：J=αexp(bMLSS)。对出水水质分析，污泥混合液水质要求符合生活杂用水和工业冷却水回用的水质标准，二级出水水质满足工业冷却水回用的水质标准。结果也证明，预涂层动态膜技术结合错流工艺在水的深度处理、水回用和污泥浓缩方面有良好的应用前景。膜阻力分析实验表明，膜的外部污染是造成膜通量衰减的主要原因，过滤二级出水时滤饼阻力R<,ef>在总阻力中所占比例最大，活性污泥过滤中浓差极化阻力尺p在阻力中所占比例最大。从阻力分布的分析来看，错流速度、污泥浓度对阻力的分布具有影响。无论在过滤二级出水还是活性污泥，错流速度的影响都十分明显。尤其在污泥过滤中，错流速度越大，浓差极化阻力R<,p>在总阻力中的所占的比例也就越小，因为形成的浓差极化层越薄。在膜的清洗试验中显示，与微滤膜直接过滤相比，动态膜过滤能有效的防止膜介质的内部污染。通过化学清洗和污染物质的分析，可知支撑体内部造成污染的主要无机物质为钙、镁化合物。单次化学浸洗比较：碱洗>酸洗：浸洗顺序比较：碱洗(0.2mg/LNaOH)lh+酸洗(0.1mg/LHEl)1h>酸洗(0.1mg/LHCl)1h+碱洗(0.2mg/L>NaOtH)1h。经过反复清洗，涂膜过滤化学清洗后的膜管通量恢复稳定在90﹪左右，而未涂膜的膜管只能恢复到原来的60﹪左右，说明涂膜有效的阻止了膜内部的不可逆污染。由于动态膜的保护，陶瓷支撑体经物理清洗(水力闪冲+反压冲洗)，能恢复至原始通量的45～55﹪，而且污染在支撑体内部积累的现象也不明显。 动态膜技术与错流式膜一生物反应器结合的技术被首次提出。为验证动态膜在膜生物反应器内的可行性，采用A/O工艺的CMBR处理高含氮量的模拟己内酰胺废水进行了230d的实验。实验过程中测定反应器的膜出水的水质和通量，并进行了耗氧呼吸速率测定和反应器上清液的水质测定。反应器启动后，对污泥的浓度监测发现，MLSS和MINSS的浓度具有突然下降的趋势。耗氧呼吸速率(OUR)和比耗氧呼吸速率(SOUR)值的变化来看，污泥的活性也有先下降后回升的趋势。OUR从6.84 mgO<,2>/L/h降到3.96mgO<,2>/L/h，在第12d时为8.44 mgO<,2>/L/h。水质结果表明，上清液COD<,cr>-直保持在100mg/L。以下，而膜出水则保持在20mg/L以下，而膜的截留作用对氨氮、总氮的去除几乎没有贡献。可溶性细胞产物(SMP)在反应器内容易积累，只要足够停留的时间大部分SMP能被生物降解。污泥的表观产率为0.24gMLSS·gCOD<'-1>。通过投加抑制剂测定耗氧呼吸速率，发现异养菌、硝化细菌和亚硝化细菌的活性受到一定的抑制，对系统的处理效率影响不大。反应器的上清液中的TOC浓度先增加后不断减小，在35<'th>d左右达到一个峰值-60mg/L，然后趋于稳定的过程。膜出水的TOC值则一直维持在较平稳的水平。在最后50天的运行中系统投加活性炭粉末(PAC)，污泥SOUR仍一直保持在1.2mgO2/gMLVSS<'-1>/h左右。污泥粒径的因为PAC的吸附凝聚作用，从13.5μm上升至35μm。可能由于污泥粒径的增大影响了氧的传递效率，使总氮的去除率有所下降，但总的来说，PAC的投加对系统处理效果的影响不大。通量的测定表明，在膜通量达到假拟稳定状态之后，通量仍持续衰减，但衰减速率逐渐缓慢。操作参数和对通量衰减速率很有影响，压力在0.2MP时，通量衰减到20L/m<'-2>/h只维持了89h，而0.05MP能维持278h。错流速度越大，通量衰减的速度也就越慢，在0.5、1.0、1.5m/s的三种流速下，分别为85h，136h，232h。在污泥浓度越高的情况下，通量衰减越快，浓差极化层的阻力在总阻力中的比例也越高。在相同操作条件下，动态膜过滤，在出水水质和通量衰减方面，要明显优于直接过滤。PAC的投加明显有利于出水通量的提高，而且随着PAC投加量的增加，通量大小和衰减速率都更加理想，PAC使污泥的比阻明显减小。在CMBR长期运行中，预涂层动态膜利用水力反清洗，清洗效果比较理想。根据理论计算和实验，100h的反冲洗周期被认为最理想的反冲洗周期。实验证明动态膜在CMBR中，可有效的降低膜污染和提高膜通量，简化膜清洗操作，具有较高的实际应用价值。

目录

文摘

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第一章前言

1.1膜技术的应用与发展

1.1.1膜技术的发展历程

1.1.2膜过滤技术在水处理中的应用

1.2过滤基本原理

1.2.1过滤分类

1.2.2传质机理

1.2.3膜过滤技术在水处理中的应用

1.3膜技术与膜生物反应器(MBR)

1.3.1膜生物反应器(MBR)的简介

1.3.2发展与现状

1.3.3 MBR的分类和特点

1.3.4 MBR中膜污染的主要因素

1.3.5膜生物反应器的清洗

1.4动态膜过滤

1.4.1动态膜的类型

1.4.2动态膜通量预测的数学模型

1.4.3动态膜技术的发展和应用

1.5课题的提出

1.5.1课题的意义和目的

1.5.2研究内容

1.5.3研究流程

参考文献：

第二章动态膜涂膜过程的模型建立及模拟

2.1理论分析与模型建立

2.1.1膜孔堵塞

2.1.2滤饼形成

2.1.3受力分析

2.1.4模型建立

2.2模型模拟与预测

2.2.1跨膜压力、流量对稳定状态的影响

2.2.2跨膜压力、流量对达到稳定状态时间的影响

2.2.3颗粒粒径和颗粒浓度对达到稳定状态时间的影响

2.3实验材料与方法

2.3.1实验材料

2.3.2实验装置

2.3.3测试项目和分析方法

2.3.4膜清洗方法

2.4实验验证与讨论

2.4.1膜孔堵塞速率

2.4.2非稳态下实验值与计算值的比较

2.4.3稳态下实验值与计算值的比较

2.5本章小结

符号说明：

参考文献：

第三章动态膜的制备及表征

3.1引言

3.2实验材料和设备

3.2.1实验设备及运行

3.2.2膜材料与涂膜材料

3.2.3测试与分析项目

3.3高岭土动态膜制备条件的探索

3.3.1成膜颗粒的粒径的影响

3.3.2动态膜厚度及成膜条件的影响

3.3.3错流速度对动态膜成膜的影响

3.4动态膜过滤的条件探索

3.4.1错流速度的影响

3.4.2跨膜压力的影响

3.4.3污泥浓度的影响

3.5动态膜过滤与陶瓷膜过滤的比较

3.5.1动态膜与微滤膜的过滤性能比较

3.5.2动态膜与微滤膜的能耗比较

3.6水回用的可行性分析

3.7本章小结

参考文献：

第四章污染机理分析及清洗研究

4.1引言

4.2膜阻力测试实验

4.2.1阻力分布分析

4.2.2阻力分布分析

4.3污染成分研究

4.3.1污染物成分分析

4.3.2动态膜污染物分析

4.3.3膜管表面电镜图

4.4清洗方法的研究

4.4.1物理清洗

4.4.2化学清洗

4.4.3清洗方法的重复性考查

4.4.4动态膜过滤与微滤无机膜清洗效果比较

4.5本章小结

参考文献：

第五章动态膜——错流式膜生物反应器(CMBR)处理己内酰胺废水

5.1引言

5.2实验材料和设备

5.2.1实验装置

5.2.2实验运行方式

5.2.3分析项目

5.2.4耗氧呼吸速率的测定

5.2.5污泥混合液的分离

5.2.6 EPS的提取

5.2.7涂膜方式及膜清洗

5.3 CMBR处理己内酰胺废水的运行情况

5.3.1己内酰胺废水的特点及处理现状

5.3.2实验的启动

5.3.3系统第一、第二阶段的运行情况

5.3.4投加PAC后的运行情况

5.4本章小结

参考文献：

第六章膜生物反应器运行过程中通量研究及膜污染分析

6.1引言

6.2通量衰减影响因数

6.2.1“假拟稳定通量”概念的提出

6.2.2压力影响

6.2.3错流速度影响

6.2.4污泥浓度影响

6.2.5动态膜与微滤膜通量衰减的比较

6.2.6投加PAC后的通量衰减

6.3动态膜的抗污染性能

6.3.1污染阻力分布

6.3.2污染物分析

6.4膜清洗

6.4.1动态膜的反压冲洗周期的理论计算

6.4.2反冲洗实验

6.5本章小结

参考文献：

第七章结论与展望

7.1动态膜制备的机理分析和模型建立

7.2动态膜的表征及考察

7.3动态膜在膜生物反应器中长期运行的考察

7.4展望

附录：

1.Matalab计算程序

2.论文撰写情况

致谢