絮凝劑對(duì)減緩膜-生物反應(yīng)器膜污染速率的效果和機(jī)理研究.pdf

1、膜-生物反應(yīng)器技術(shù)(MBR)是一種卓越的水處理與回用技術(shù),與傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)相比,膜-生物反應(yīng)器具有很多優(yōu)勢(shì)。然而,由膜污染導(dǎo)致的高昂維護(hù)費(fèi)用和操作不便是制約MBR廣泛應(yīng)用的主要瓶頸,研究膜污染過(guò)程和機(jī)理對(duì)于控制膜污染、降低MBR運(yùn)行成本具有重要意義。近年來(lái),通過(guò)向膜-生物反應(yīng)器中投加過(guò)濾助劑/抗污染劑,人為的改善反應(yīng)器中活性污泥混合液的性質(zhì),從而減緩膜污染進(jìn)程成為一種新興的膜污染控制技術(shù)。本研究選取了六種最常使用的絮凝劑:水和硫酸鋁(

2、Al2(SO4)3.xH2O)、聚合氯化鋁(PAC)、三氯化鐵(FeCl3)、聚合硫酸鐵(PFS)、殼聚糖(Chitosan)和聚丙烯酰胺(PAM),對(duì)其作為膜污染控制劑的作用和機(jī)理分別做了深入的探討。根據(jù)其化學(xué)性質(zhì),六種絮凝劑分別屬于單體金屬鹽,聚合金屬鹽和有機(jī)高分子絮凝劑三類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所有絮凝劑都對(duì)改善膜-生物反應(yīng)器活性污泥混合液的可過(guò)濾性起到了顯著的作用。在操作通量為20L/m2.h時(shí),各MBR中的膜污染速率排序?yàn)镻FS反應(yīng)

3、器<殼聚糖反應(yīng)器<聚丙烯酰胺反應(yīng)器<三氯化鐵反應(yīng)器<聚合氯化鋁反應(yīng)器<水合硫酸鐵反應(yīng)器。其中,添加殼聚糖和PFS可以使MBR可持續(xù)操作時(shí)間延長(zhǎng)至對(duì)照反應(yīng)器的約7倍。
　　 在膜污染進(jìn)程中透膜壓力(TMP)的上升分三個(gè)階段:第一階段發(fā)生在初始的幾小時(shí)內(nèi),由于膜孔的縮窄或堵塞造成的膜表面特性的改變,導(dǎo)致透膜壓力突然的上升。第二階段表現(xiàn)為透膜壓力的長(zhǎng)時(shí)間慢速上升過(guò)程,主要因?yàn)槭悄け砻娴哪z層累積。凝膠層的主要來(lái)源是膜對(duì)混合液中大分子物

4、質(zhì)的截留。第三階段是TMP的突然躍升并導(dǎo)致膜過(guò)濾無(wú)法繼續(xù)操作,主要特點(diǎn)是泥餅層的堆積和TMP增長(zhǎng)的“自我加速”。在這三個(gè)階段中,對(duì)膜污染速率起到關(guān)鍵性作用的污染物是不同的,而各種絮凝劑作用于每個(gè)階段的效果和機(jī)理也各有區(qū)別。本研究將污染物分為溶液相和固體相兩個(gè)部分,就各種絮凝劑對(duì)污染三階段的作用分別作了細(xì)化和深入的探討。
　　 對(duì)于溶液相污染物而言,為了進(jìn)一步細(xì)化不同性質(zhì)以及不同顆粒大小的污染物的污染趨勢(shì)以及絮凝劑對(duì)每一種污染物組

5、分和性質(zhì)的調(diào)節(jié)作用,本研究利用凝膠滲透色譜(GPC)對(duì)污染物的顆粒大小以膜孔徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了細(xì)分,明確了目標(biāo)污染物的分子量范圍。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用傅立葉紅外轉(zhuǎn)換光譜(FTIR)對(duì)污染物的物質(zhì)屬性進(jìn)行了辨別,找出了易造成膜內(nèi)部污染的物質(zhì)的化學(xué)成分。結(jié)果表明,分子量大于100KDa的可溶性物質(zhì)才是需重點(diǎn)控制的污染物,而蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)是膜內(nèi)污染的主要貢獻(xiàn)者。多種絮凝劑均能有效地降低膜孔中蛋白和多糖含量,減輕膜的不可逆污染；降低液體相大分子

6、濃度,減緩凝膠層的形成速率和膜總孔隙率的衰減速率。
　　 對(duì)于固體污染物,即活性污泥顆粒而言,本研究分別探討了活性污泥絮體的(1)形態(tài)學(xué)指標(biāo):絮體平均粒徑(dp)和絮體分型維數(shù)(df)；(2)理化指標(biāo):污泥絮體表面電荷(本研究中以污泥表面Zeta電位表征),絮體表面相對(duì)疏水性(RH),活性污泥混合液動(dòng)力學(xué)粘度(η)(3)污泥絮體的生化成分:EPS的濃度。考察了各種絮凝劑在不同劑量下對(duì)各個(gè)指標(biāo)的改變作用以及對(duì)膜污染帶來(lái)的影響。

7、r>　　 在絮凝劑-MBR這個(gè)二級(jí)多因素系統(tǒng)中。膜污染的影響因子眾多,機(jī)理復(fù)雜。為了將量綱不同的各影響因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,本研究采用了歸一化,標(biāo)準(zhǔn)化的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,并進(jìn)一步采用線性回歸和多元直線回歸等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)添加絮凝劑的MBR中,在5個(gè)劑量梯度下的所有指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析整合,得到了各絮凝劑的膜污染控制關(guān)鍵因素以及各因素的膜污染貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明,絮凝劑按其對(duì)不同指標(biāo)的作用因子可以分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)絮凝劑對(duì)于改變污泥形態(tài)

8、學(xué)性質(zhì)的作用較大,殼聚糖和聚丙烯酰胺的膜污染控制效果是通過(guò)降低和轉(zhuǎn)化溶液相中的大分子物質(zhì),增大污泥的平均粒徑和增加污泥絮體的疏松度而實(shí)現(xiàn)的。無(wú)機(jī)絮凝劑對(duì)絮體的理化性質(zhì)作用顯著但對(duì)于污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及混合液的粘度的作用可忽略。無(wú)機(jī)絮凝劑膜污染控制效果是通過(guò)降低SMP濃度,中和污泥絮體表面電荷,即增加絮體Zeta電位和增加污泥絮體表面疏水性實(shí)現(xiàn)的。用選定的關(guān)鍵因子對(duì)每一絮凝劑進(jìn)行了膜污染速率與關(guān)鍵因子的經(jīng)驗(yàn)公式擬和,結(jié)果是所有公式與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)