死端微滤过程运行条件的优化及膜通量的预测研究

摘要

本论文首先在自制的搅拌死端微滤膜装置上,研究了搅拌速率、温度、操作压力和浓度对酵母悬浮液膜通量的变化规律性的影响,并利用多元线性回归方法定量研究了操作条件对膜通量的影响程度。研究结果表明：(1)在压力为0.04MPa～0.10MPa范围内,搅拌速率(ω)、温度(T)和操作压力(P)对膜通量都具有显著的影响,各操作条件对膜通量的影响程度大小为：搅拌速率(64.9％)>温度(14.4％)>压力(12.9％)>浓度(7.8％);(2)通过多元线性回归方法得到的膜通量与操作条件之间的回归方程为：J=-1.804×10-7+3.149×10-5P+3.52×10-7T-2.573×10-6C+1.388×10-8ω。 其次,在死端微滤器上,使用膜孔径为0.1μm的聚丙烯腈(PAN)微滤膜对活性污泥混合液进行了过滤并运用多元线性回归方法定量研究了膜生物反应器处理生活污水过程中运行条件对膜的过滤性能(膜渗滤液的累积体积V)和污水处理效果(COD、NH3-N)的影响程度。研究结果表明：(1)污泥龄(SRT)对膜渗滤液的累积体积基本上没有影响,与之相比,跨膜压力(TMP)、混合液悬浮污泥浓度(MLSS)、溶解氧浓度(DO)、pH值(pH)、温度和水力停留时间(HRT)都具有显著影响。运行参数与膜渗滤液累积体积之间的定量关系为V=249.64TMP-0.056MLSS+31.69DO+55.06pH-5.25T-8.82HRT+16.24;(2)跨膜压力和溶液pH值对膜生物反应器的COD去除效果几乎没有影响,温度、污泥龄和水力停留时间都是显著影响因子,其相对影响程度比例分别为63.9％、13.6％和14.7％,而混合液悬浮污泥浓度和溶解氧浓度是一般影响因子。回归所得的膜渗滤液中COD的浓度与各运行参数之间的定量关系式为COD=0.0073MLSS-5.64DO+2.86T+0.099SRT+2.48HRT-88.82;(3)跨膜压力和水力停留时间对NH3-N的去除没有影响,混合液悬浮污泥浓度和pH值对NH3-N的去除都有较大的影响,是显著性影响因子,所占相对比例分别为40.5％和26.7％,而溶解氧浓度、温度和污泥龄的影响较小,属于一般性影响因子。回归所得的膜渗滤液中NH3-N的浓度与各运行条件之间的定量关系式为NH3-N=0.017MLSS-12.99DO-28.86pH+0.90T+0.13SRT+201.30。 再次,利用阻力叠加模型对微滤过程中膜污染的特性进行了分析,并运用多元线性回归法对不同污染物对各种类型过滤阻力的贡献大小进行了定量分析。研究结果表明：(1)污染物主要存在于污泥滤饼层和凝胶层中,污泥滤饼阻力和凝胶层阻力是主要的膜过滤阻力,其中污泥滤饼阻力起支配性作用；(2)凝胶层阻力Rg与混合液悬浮污泥、胞外聚合物(EPS)、胶体无关,而仅与溶解性微生物产物(SMP)浓度有关,并且两者的关系为Rg=1.4695×1011SMP;(3)混合液悬浮污泥、胞外聚合物和胶体对膜孔堵塞阻力Rp的贡献大小分别为21.7％、17.6％和60.7％,而对污泥滤饼阻力Rs的贡献大小分别为22.1％、44.4％和33.5％,它们与Rp和Rs之间的定量关系式分别为Rp=-1.4878×107MLSS+8.7254×108EPS+6.1774×109Colloid 和Rs=1.1309×109MLSS+8.4635×108EPS+1.2142×1011Colloid,而溶解性微生物产物对Rp和Rs没有影响。最后,利用达西定律和质量守恒原理建立了用于预测搅拌条件下死端微滤过程膜通量的数学模型。模型参数--剥蚀系数K用来表示因搅拌作用导致的颗粒从膜表面反向传输到主体料液中的量,且剥蚀系数K与搅拌速率和悬浮液浓度成正比,而与跨膜压差成反比。实验结果表明：搅拌能够减小滤饼层厚度并提高膜通量,模型理论预测值与实验值吻合得较好,该模型可用来预测死端微滤过程的膜通量随时间的变化规律性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1膜分离技术的历史发展

1.2膜分离技术概述

1.3微滤过程膜污染机理及控制方法

1.3.1膜污染机理

1.3.2膜污染的控制方法

1.4微滤运行条件的优化研究进展

1.5死端微滤通量预测研究进展

1.6课题相关内容的研究进展

1.6.1主要污染物的研究

1.6.2膜污染机理的研究

1.7课题研究的目的和意义

1.8本课题的主要研究内容

1.9本课题的创新之处

第2章实验材料和装置

2.1实验原材料和设备

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.1.3实验膜材料与过滤体系

2.2实验所用生活污水的水质指标

2.3实验装置

2.4不同污染物的提取和分析

2.5各项水质指标及其测定方法

第3章操作条件对搅拌死端微滤膜通量的影响

3.1膜通量影响程度的分析模型

3.1.1实验数据处理

3.1.2分析模型与分析方法

3.2实验结果与讨论

3.2.1操作条件对膜通量的影响

3.2.2影响程度的模型分析

3.3本章小结

第4章膜微滤-生物反应器运行条件的优化

4.1运行条件对处理效果影响程度的分析模型

4.1.1实验数据处理

4.1.2分析模型与分析方法

4.2实验结果与讨论

4.2.1膜微滤-生物反应器总体处理效果

4.2.2运行条件对处理效果的影响程度

4.3本章小结

第5章膜微滤-生物反应器中膜过滤阻力分析

5.1实验设计

5.2数据分析模型与方法

5.3搅拌前后活性污泥悬浮液粒度比较

5.4实验结果与讨论

5.4.1膜过滤阻力的分布

5.4.2不同污染物对膜过滤阻力的影响

5.5本章小结

第6章搅拌死端微滤过程膜通量预测模型

6.1膜通量预测模型的发展

6.2实验体系与方法

6.3模型参数的确定

6.3.1膜固有阻力的确定

6.3.2滤饼比阻和滤饼压缩因子的确定

6.3.3剥蚀系数K的确定

6.4模型参数K的分析方法

6.5实验结果与讨论

6.5.1操作条件对模型参数K和膜通量的影响

6.5.2操作条件对模型参数K的影响程度

6.5.3模型有效性验证

6.6中空纤维膜微滤过程的通量预测模型

6.6.1模型的建立

6.6.2模型参数B的分析方法

6.6.3模型参数B与操作条件的关系

6.6.4模型有效性验证

6.7本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢