MBR膜污染解析及MFC-MBR耦合系统膜污染控制研究

摘要

膜生物反应器(MBR)以膜分离装置取代传统的二沉池,具有高效的固液分离效果,受到国内外学者的普遍关注。但膜污染问题仍然制约着MBR的广泛应用,膜污染机理及膜污染控制方法仍是膜技术领域的研究热点。本文针对目前关于膜污染研究存在的关键问题,探讨了胞外聚合物(EPS)的静态吸附机理,解析了溶解性微生物产物(SMP)及生物大分子(BMM)在膜过滤过程中发生的堵塞机理,考察了膜对SMP和BMM的截留情况,提出了污泥稳定性和聚集性两个识别污泥絮体污染倾向的综合指标,构建了微生物燃料电池与膜生物反应器耦合系统(MFC-MBR),并解析其膜污染减缓机理。
　　利用静态吸附的方法分析了膜污染初期的吸附污染,通过热力学途径确定了膜对EPS的吸附机理。结果表明,Sips等温线最适合描述膜对EPS多糖和蛋白质的吸附;通过热力学计算得到膜吸附过程的qDrG值在-10至-17kJmol-1之间,qDrH值在10至30kJmol-1之间。说明膜对EPS多糖和蛋白质的吸附是热力学可行且自然吸热的过程,EPS多糖和蛋白质与膜之间的相互作用主要是物理吸附,温度的升高可以提供更多的能量来强化吸附。
　　利用多级Hermia模型研究了膜污染初期的过滤污染,分析了SMP及BMM不同时间段内主导的膜堵塞机理,确定了不同堵塞机理主导时段通量衰减的情况。结果表明,SMP过滤阻力的平均增长速率随时间增加,而BMM过滤阻力的平均增长速率随时间减少。对于SMP,主要顺次发生中间堵塞、标准堵塞及完全堵塞;而对于BMM,顺次发生了中间堵塞及滤饼过滤。不同堵塞机理所对应的时间及通量衰减百分比表明,膜孔堵塞是造成通量下降的主要原因。
　　考察了不同SRT下MBR的膜污染情况及污泥性质,分析了基于修正的粘附-侵蚀模型的污泥絮体剪切稳定性,提出采用污泥絮体稳定性作为评价污泥性质和污染潜力的综合指标。结果表明,具有较差的沉降性、较高的疏水性、较高EPS含量、较多的丝状菌及更多初级粒子的低SRT(15d)污泥絮体容易形成致密无孔的污染层,导致严重的膜污染;低SRT(15d)污泥絮体具有较高的剪切敏感值,即更差的污泥稳定性。
　　分析了MBR混合液及滤饼层污泥性质,解析了基于扩展DLVO理论的混合液及滤饼层污泥聚集性,提出采用污泥聚集性作为一个综合指标反应污泥的膜污染趋势。结果表明,滤饼层污泥具有较高的SMP、胶体及LB-EPS含量、较多小于100μm的絮体、较高DSI、更疏水的表面以及更负的zeta电势。同时,污泥细胞间相互作用能曲线表明,滤饼层污泥具有较高的初级能量最大值和较浅的二级能量最小值,意味着滤饼层污泥具有较差的聚集性。
　　本研究基于污泥改性构建了低污染、低能耗的新型MFC-MBR耦合系统。结果表明,新型MFC-MBR耦合系统系统同时具有废水处理、污泥减量、电能回收及污染抑制的效果。耦合系统MBR的操作周期大约是传统MBR操作周期的两倍。对膜污染减缓机理分析可知,耦合系统MBR中污泥性质得到改善,表现出更好的过滤性和脱水性。与传统MBR相比,耦合系统MBR中LB-EPS的浓度从16.14mg·gSS-1降低到12.56mg·gSS-1,且LB-EPS中简单芳香蛋白和色氨酸蛋白类物质分别减少了10％和8%。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 膜生物反应器发展历史概述

1.3 膜生物反应器中膜污染的研究进展

1.4 膜污染控制方法概述

1.5 活性污泥絮体稳定性能及聚集性能的研究概况

1.6 膜污染研究目前存在的问题

1.7 课题研究意义与内容

第2章 实验及分析方法

2.1 实验装置

2.2 样品的制备

2.3 试验方法

2.4 分析方法

第3章 EPS、SMP及BMM的膜污染机理

3.1 引言

3.2 EPS对膜的静态吸附污染研究

3.3 SMP及BMM的过滤行为研究

3.4 本章小结

第4章 污泥稳定性和聚集性对膜污染影响研究

4.1 引言

4.2 污泥稳定性对膜污染的影响研究

4.3 污泥聚集性对膜污染的影响研究

4.4 本章小结

第5章 MFC-MBR耦合系统膜污染控制研究

5.1 引言

5.2 MFC-MBR耦合系统的运行效果

5.3 MFC-MBR耦合系统COD物质平衡分析

5.4 MFC-MBR耦合系统膜污染分析

5.5 MFC-MBR耦合系统膜污染减缓机理分析

5.6 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他成果

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