微藻膜光生物反应器去除模拟污水中营养盐及膜污染控制研究

摘要

微藻用于污水处理极具经济价值和能源效益，而微藻膜光生物反应器（Algal-membrane photobioreactor，A-MPBR）由于能够实现HRT和SRT分离的特性而具有广阔的应用前景。在目前有关A-MPBR的研究中，反应器的运行性能和膜污染控制是人们关注的问题。藻种的单一，影响反应器氮、磷去除的因素和机理还不够明晰以及膜污染问题限制了A-MPBR应用。论文构建了A-MPBR反应器，以模拟的厌氧膜生物反应处理生活污水的出水作为反应器进水，评估雨生红球藻和斜生栅藻的适用性，建立了A-MPBR微藻生长、营养盐去除模型以探究不同环境因素对反应器性能的影响。针对膜污染问题，采用添加絮凝剂的方式控制，并通过试验评估了该方法的有效性，通过膜污染数学模型揭示了减缓机理。论文研究成果为提升A-MPBR反应器性能与控制膜污染提供理论依据。本文获得的结论如下：　　①采用了以雨生红球藻为“主”，斜生栅藻为“辅”的藻种作为共接种藻种，在HRT为1d、间歇操作模式下，反应器达到稳定时，NH4+-N的平均去除率为73%，PO43--P平均去除率为97%，斜生栅藻成为优势藻种。利用乘法形式的多因素组合型Monod方程建立了微藻生长动力学模型，对斜生栅藻与雨生红球藻比生长速率的模拟结果表明，当PO43--P浓度小于3.5mg/L时，斜生栅藻的比生长速率高于雨生红球藻，雨生红球藻的生长受到PO43--P浓度限制是反应器中雨生红球藻被斜生栅藻取代的原因。斜生栅藻可用于A-MPBR中，去除厌氧膜生物反应器处理生活污水后出水中的营养盐。　　②将质量平衡方程和微藻生长动力学结合，建立了连续运行的A-MPBR中微藻生长和氮、磷去除模型，模型模拟结果可与试验结果较好吻合，该模型可用于A-MPBR中反应器性能的预测。模型预测结果表明，反应器进水NH4+-N浓度、PO43--P浓度分别40mg/L和3.5mg/L时，在光强50-120μmol/(m2?s)的范围内，提高光照强度可以提高反应器内微藻的比生长速率和微藻的生产量，使反应器中出水氮磷浓度降至更低水平。HRT在0.5-1.5d的范围内，适当延长HRT对于反应器中的营养盐的去除具有积极作用，但会导致生物量降低。SRT从10-50d，较短的SRT会导致反应器去除营养盐的性能变差。在反应器运行启动阶段，为达到较好的出水水质，提高微藻浓度和反应器运行性能的适宜方法是增加SRT。　　③对多种用于微藻膜生物反应器膜污染控制的絮凝剂进行了筛选，根据絮凝剂对微藻光合活性、粒径分布，以及对微藻生长状态的影响，确定选用浓度为800mg/L壳聚糖。加入絮凝剂后A-MPBR短期运行的临界通量从25-30L/(m2·h)提升至30-40L/(m2·h)，加入絮凝剂提高了反应器临界通量范围。相比于不投加壳聚糖时，投加壳聚糖后长期运行的A-MPBR达到相同跨膜压差的时间延长至3.5倍。A-MPBR膜阻力主要来自滤饼层阻力，在未加絮凝剂与加入絮凝剂的反应器中，由滤饼层污染所造成的膜污染阻力Rc分别占总阻力的61.2%和45.7%。加入壳聚糖后，滤饼层更加疏松，0.1μm的膜组件能有效拦截污染颗粒。　　④基于活性污泥滤饼层吸附-脱除模型，将滤饼层压缩性、微藻颗粒粒径、微藻相关的特性考虑在内，建立了A-MPBR膜污染模型。根据实测数据确定了相关模型参数，并对模型进行检验，该模型能较好地模拟和解释A-MPBR膜污染过程中跨膜压差的变化。模型模拟结果表明，在未添加絮凝剂的反应器中，跨膜压差到达极限值的时间不断减小的原因是反应器中微藻浓度的增加。微藻浓度越大，单位面积滤饼层质量M越大，加剧了膜污染的发生。添加800mg/L的壳聚糖使滤饼层比滤饼阻力rco从3.2×1012m/kg降低为9.8×1011m/kg，微藻颗粒粒径增大，单位面积滤饼层质量M减小，有效减缓了膜污染。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景

1.2 微藻与污水处理

1.2.1 微藻处理污水的原理

1.2.2 常见污水处理的藻种

1.2.3 微藻去除营养盐的影响因素

1.2.4 微藻生长动力学

1.3 光生物反应器

1.3.1 光生物反应器形式

1.3.2 A-MPBR研究现状与进展

1.4.1 膜污染形成机理

1.4.2 膜污染控制技术

1.4.3 膜污染模型

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

2 材料与方法

2.1 试验装置

2.2 试验水质

2.3 藻种来源与扩大培养

2.4.1 常规指标

2.4.2 其他指标

3 A-MPBR去除营养盐的试验研究

3.1.1 试验设计

3.1.2 微藻生长动力学模型建立

3.2 结果与讨论

3.2.1 反应器中营养盐去除

3.2.2 反应器中微生物变化

3.2.3 微藻生长模型拟合与微藻生长速率比较

3.3 本章小结

4 A-MPBR微藻生长和氮磷去除模型模拟

4.1.1 模型假设

4.1.2 模型建立

4.1.3 参数估计与敏感性分析

4.1.4 模型验证

4.1.5 模型预测

4.2 结果与讨论

4.2.1 模型拟合与验证结果

4.2.2 不同因素对反应器性能的影响

4.3 本章小结

5 絮凝剂用于膜污染控制的试验研究

5.1 材料与方法

5.1.1 絮凝剂的筛选

5.1.2 短期膜污染控制试验

5.1.3 长期膜污染控制试验

5.2.1 絮凝剂筛选结果

5.2.2 壳聚糖对短期运行临界通量的影响

5.2.3 壳聚糖对长期运行的膜污染控制影响

5.3 本章小结

6 A-MPBR膜污染模型构建与模拟

6.1.1 膜污染机理

6.1.2 模型的基本假设

6.1.3 膜污染模型建立过程

6.1.4 模型参数的确定与模型验证

6.2 结果与讨论

6.2.1 模型确定与验证结果

6.2.2 微藻浓度对膜污染的影响

6.2.3 絮凝剂对膜污染的影响

6.3 本章小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

附录

A. 主要缩写词与英汉对照汇总表

B. 主要符号与释义汇总表

C 学位论文数据集

致谢

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