学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

吸附/预混凝—膜生物反应器复合系统处理废水中的膜污染控制

作　者: 陈伟伟
导　师: 刘进荣
学　校: 内蒙古工业大学
专　业: 化学工艺
关键词: 膜生物反应器膜污染 SRT 吸附预混凝
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 27次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

近年来，膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）在污水处理和回用中倍受学者和从业人员的大力推崇和关注。然而，膜污染依然是其中至今尚未得到很好解决的技术难题。本论文以浸没式膜生物反应器（submerged membrane bioreactor，SMBR）中试系统处理废水中的膜污染控制为研究对象，在研究了适宜污泥停留时间（sludgeretention time，SRT）以及最佳曝气方式和曝气量的基础上，采取向SMBR中投加大孔吸附树脂构建吸附-膜生物反应器复合系统，以控制其在生活污水处理中膜污染；选择预混凝-膜生物反应器复合系统用于内蒙古地区实际乳制品工业废水处理，以实现膜污染控制的同时回收水中有机物。此外，对SMBR处理当地城市生活污水时的膜污染清洗方案进行了探索。本文取得的主要研究结果如下：首先，通过研究SRT对污泥浓度（mixed liquor suspended solids，MLSS）、污泥负荷（food-to-microorganism ratio，F/M）、胞外聚合物（extracellular polymericsubstances，EPS）中的多糖（polysaccharide，PS）浓度、化学需氧量（chemical oxygendemand，COD）及氨氮（ammonia nitrogen，NH4+-N）去除率的影响，确定了SMBR处理生活污水的适宜SRT。延长SRT能够增加MLSS和降低F/M，即有利于提高污染物去除率和减少剩余污泥产生；然而，SRT>40d后，过低的F/M会增加进行内源呼吸微生物的数量，使得MBR中MLSS虽高，但微生物活性整体降低，不利于系统维持稳定的生物处理性能。EPS中PS浓度影响活性污泥特性和膜污染发展，实验以该参数作为适宜SRT的选择标准，得出适宜SRT应控制在40d以下。COD和NH4+-N的生物去除效果表明，当SRT介于20-40d时，污染物去除率均达到实验中的最好水平，且受SRT的影响较小。从生物活性、膜污染和出水水质三个方面综合考虑，得出本文实验条件下的适宜SRT为20d≤SRT＜40d。进一步通过改变曝气方式及强度，对跨膜压差（transmembrane pressure，TMP）、临界通量（critical flux，CF）、微生物种类及大小、混合液各组分过滤阻力、COD及NH4+-N去除率进行考察，确定了合适的曝气方式及曝气量。尽管松弛阶段曝气对去除滤饼层具有重要意义，但连续曝气是缓减膜污染最有效的方法，因此优化连续曝气时的曝气量对于平衡能耗和膜污染速率之间的关系更具现实意义。通过测定临界通量的短期实验结果表明，增加连续曝气过程中的曝气量能够提高错流速度，有利于减少污泥颗粒在膜表面的沉积，即可以控制膜污染。尽管如此，长期运行实验结果显示，增加曝气量将改变污泥特性，增加膜污染可能性；同时，降低系统对进水水质的选择性和硝化细菌活性。因此，在后续复合系统的研究中，曝气量的选择应该按照实验需求予以确定。通过对比实验，探索了以大孔吸附树脂（macroporous adsorption resin，MAR）构建的吸附-膜生物反应器（Adsorption-MBR）复合系统在生活污水处理中的膜污染控制。通过对临界通量的表征，验证该复合系统在膜污染控制上的效果；通过考察膜面污泥层发展和混合液特性变化，揭示该复合系统中膜污染控制的途径；最后对使用过的吸附树脂进行了再生实验。结果表明，投加粉末活性炭（powdered activatedcarbon，PAC）和MAR都可以提高MBR的临界通量，而投加MAR的MBR其临界通量改善幅度尤为明显。MAR对膜面的冲刷作用和对混合液可滤性的改善作用是SMBR实现膜污染控制的途径。以MAR构建的Adsorption-MBR复合系统能够更好地降低生物反应器中的污染负荷、减少污泥产量；且由于MAR的可再生性，该复合系统用于膜污染控制的运行成本将优于PAC构建的Adsorption-MBR。运用实验数据进行污染模型拟合以及对污染物进行傅里叶变换红外光谱（fouriertransform infrared spectroscopy，FTIR）分析，确定了同时使用物理化学清洗的污染膜清洗方法；借助扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）可视化图像分析和清水比通量（specific flux，SF）测定验证了清洗程序的效果和合理性。实验发现，滤饼层的形成是膜通量衰减的主要原因，发生有机污染的主要污染源是蛋白质、多糖和脂类物质；物理清洗可以有效恢复由污泥絮体沉积造成的污染，化学清洗是去除强烈附着和造成膜孔阻塞的有机、无机污染的重要手段。膜清水比通量实验表明，本文所采用的清洗程序能够将污染膜的通量恢复到新膜的90%以上，不可逆污染已经无法通过清洗过程去除。将预混凝工艺与膜生物反应器耦合构建预混凝-膜生物反应器（Precoagulation-MBR）复合系统用于内蒙古地区实际乳制品工业废水处理，实现膜污染控制的同时回收废水中有机物。通过烧杯实验，考察明矾、硫酸铝、氯化铁和聚合氯化铝四种典型混凝剂对实际乳制品废水浊度的去除率，筛选合适的混凝剂并确定药剂投加量、进水pH和沉降时间参数。通过与乳制品废水处理厂现用工艺进行出水水质（浊度、COD、残留铝）比较和测定跨膜压差变化，探索该复合系统的整体应用性能。通过与预混凝-微滤（Precoagulation-MF）复合系统在临界通量参数上的比较，说明预混凝-膜生物反应器复合系统在膜污染控制方面的优越性。研究结果发现，聚合氯化铝可以作为降低复合系统中有机负荷的最佳混凝剂；进水pH为7.5、加入量为900mg/L时，浊度去除率可达到98.95%，有效沉降时间为30min。预混凝过程对于稳定MBR出水水质和改善膜污染起着重要作用；MBR在去除预混凝出水中的残留浊度和铝方面效果优于现用处理系统，且能够抵抗高有机负荷冲击、保持出水中较高的COD去除率。与Precoagulation-MF复合系统相对比，Precoagulation-MBR复合系统可以成功地实现膜污染控制。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-13
引言  13-15
第一章文献综述  15-37
  1.1 膜生物反应器的研究状况  15-18
    1.1.1 国外发展历程  15-16
    1.1.2 国内研究进展  16-17
    1.1.3 市场增长预测  17-18
  1.2 膜生物反应器概述  18-22
    1.2.1 膜生物反应器的组成  18
    1.2.2 膜生物反应器的分类  18-20
    1.2.3 膜生物反应器的优点  20
    1.2.4 膜生物反应器的应用状况  20-21
    1.2.5 膜生物反应器的缺陷  21-22
  1.3 膜生物反应器中的膜污染及其防治策略  22-31
    1.3.1 膜污染  22-23
    1.3.2 膜污染的影响因素  23-24
    1.3.3 膜污染的防治策略  24-31
  1.4 复合系统在膜污染控制中的应用  31-35
    1.4.1 吸附-膜生物反应器复合系统  31-33
    1.4.2 混凝-膜生物反应器复合系统  33-34
    1.4.3 特殊复合系统  34
    1.4.4 目前研究存在的主要问题  34-35
  1.5 本研究的目的及主要内容  35-37
    1.5.1 研究目的  35
    1.5.2 研究内容  35-37
第二章实验材料与分析方法  37-49
  2.1 SMBR 装置及流程  37-40
  2.2 进水组成  40-42
    2.2.1 城市生活污水  40-41
    2.2.2 乳制品废水  41-42
  2.3 实验仪器及药品  42-44
    2.3.1 仪器  42
    2.3.2 药品  42-44
  2.4 活性污泥特性的表征方法  44-45
    2.4.1 EPS 和 SMP 的提取与分析  44
    2.4.2 污泥浓度  44
    2.4.3 粘度  44
    2.4.4 沉降性  44-45
    2.4.5 微生物形态及絮体粒度  45
    2.4.6 溶解性 COD 和胶体 COD  45
  2.5 膜污染的表征方法  45-48
    2.5.1 膜污染的模型控制分析  45-46
    2.5.2 混合液中各成分对膜污染贡献的计算  46-47
    2.5.3 污染膜的 SEM 分析  47
    2.5.4 污染物的 FTIR 分析  47
    2.5.5 污染膜的清水比通量  47-48
    2.5.6 粒度分布  48
  2.6 其他表征方法  48-49
第三章适宜 SRT 的确定  49-58
  3.1 引言  49
  3.2 实验部分  49
  3.3 结果与讨论  49-57
    3.3.1 活性污泥的培养驯化  49-51
    3.3.2 SRT 对 MLSS 和 F/M 的影响  51-52
    3.3.3 SRT 对 EPS 中 PS 浓度的影响  52-53
    3.3.4 SRT 对 COD 去除率的影响  53-55
    3.3.5 SRT 对氨氮去除率的影响  55-56
    3.3.6 适宜 SRT 的确定  56-57
  3.4 小结  57-58
第四章曝气方式及强度的确定  58-69
  4.1 引言  58
  4.2 实验部分  58
  4.3 结果与讨论  58-67
    4.3.1 曝气形式的确定  58-60
    4.3.2 曝气量对临界通量的影响  60-63
    4.3.3 曝气量对微生物多样性的影响  63-64
    4.3.4 不同曝气量下混合液中各组分对膜污染的影响  64-66
    4.3.5 曝气对污染物去除的影响  66-67
  4.4 小结  67-69
第五章 Adsorption-MBR 复合系统对膜污染的控制  69-81
  5.1 引言  69
  5.2 实验部分  69-71
  5.3 结果与讨论  71-79
    5.3.1 树脂投加对临界通量的影响  71-72
    5.3.2 树脂对膜表面的冲刷作用和抗压缩滤饼的形成  72-73
    5.3.3 树脂对混合液特性的影响  73-75
    5.3.4 污泥产量和污泥活性  75-76
    5.3.5 树脂对污染物去除的影响  76-78
    5.3.6 污染树脂的清洗再生  78-79
    5.3.7 膜污染控制机理  79
  5.4 小结  79-81
第六章污染膜的清洗  81-90
  6.1 引言  81
  6.2 实验部分  81-83
  6.3 结果与讨论  83-89
    6.3.1 膜污染类型及污染物的确定  83-85
    6.3.2 清洗程序的选择  85-88
    6.3.3 清洗方法对膜通量恢复的影响  88-89
  6.4 小结  89-90
第七章 Precoagulation-MBR 复合系统对膜污染的控制  90-100
  7.1 引言  90-91
  7.2 实验部分  91-92
  7.3 结果与讨论  92-99
    7.3.1 预混凝过程参数优化  92-95
    7.3.2 复合系统的整体性能  95-98
    7.3.3 Precoagulation-MBR 和 Precoagulation-MF 的比较  98-99
  7.4 小结  99-100
第八章结论及建议  100-103
  8.1 结论  100-101
  8.2 建议  101-103
参考文献  103-124
附录A 缩写检索表  124-125
附录B 符号检索表  125-126
致谢  126-127
攻读博士学位期间发表学术论文情况  127-128
个人简历  128

吸附/预混凝—膜生物反应器复合系统处理废水中的膜污染控制

内容摘要

全文目录

相似论文