微電場導(dǎo)電膜e-MBR膜污染控制研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)因裝置結(jié)構(gòu)緊湊、污泥停留時間與水力停留時間分離、出水水質(zhì)優(yōu)良以及自動化程度高等優(yōu)勢而在環(huán)境工程領(lǐng)域受到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，運行過程中發(fā)生的嚴重膜污染現(xiàn)象目前已成為制約其進一步發(fā)展的最大障礙。為實現(xiàn)利用外部施加的及反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場對MBR膜污染進行有效控制，本論文以膜-陰極一體化膜組件作為基礎(chǔ)，將MBR與電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)合，構(gòu)成了一系列需外加電場或可自身產(chǎn)電的電-膜生物反應(yīng)器(Electric-Membra

2、ne Bioreactor, E-MBR)。論文基于以下幾方面開展了系統(tǒng)性的研究:
　　(1)在MBR中，采用滌綸濾布作為過濾材料，利用均勻分布于平板膜組件內(nèi)部的細銅絲作為陰極，構(gòu)成膜-陰極一體化膜組件;以不銹鋼網(wǎng)作為惰性陽極，在外加電場的作用下將MBR轉(zhuǎn)換為E-MBR以控制其膜污染。通過短期快速過濾和長期過濾的對比研究發(fā)現(xiàn)，向反應(yīng)器施加0.073 V cm-1的電場，在總時長6小時、共計4個周期的快速過濾后，其最終膜通量仍為未施

3、加電場對照組的1.8倍;經(jīng)過18天的長期過濾實驗，施加電場的實驗組僅需進行1次化學(xué)清洗，而對照組則需進行3次化學(xué)清洗。
　　(2)通過液相聚合的方式，采用聚吡咯對濾布進行改性并利用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對聚吡咯進行摻雜，在2mL L-1的吡咯單體溶液中聚合改性及1 gL-1～2 g L-1 SDBS摻雜后，濾布電阻率由絕緣減少至1.84±0.98 kΩ cm-1～2.11±1.4 kΩcm-1。導(dǎo)電濾布本身作

4、為陰極，進一步簡化了一體化膜組件的結(jié)構(gòu);SDBS摻雜過程與聚合過程同步，進一步增強了導(dǎo)電陰極的親水性和導(dǎo)電性。施加0.2 V cm-1的電場后，快速過濾的膜通量衰減速率明顯降低;長期過濾實驗的膜阻力上升速度減緩，膜污染得到有效控制。由于液相聚合的聚吡咯結(jié)構(gòu)疏松、與濾布纖維間的結(jié)合強度較弱，因此后續(xù)采用氣相聚合的方式聚合聚吡咯以增強其穩(wěn)定性，通過對比同等條件下兩種改性膜材料的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氣相聚合改性膜性能較好的原因在于聚合過程中聚吡咯在濾布

5、纖維表面緊密、均勻且連續(xù)地分布，在提高改性膜性能的同時也可以減少吡咯單體的使用量、提高其利用效率。氧化劑濃度為20％ FeCl3·6H2O(w/v)的氣相聚合改性膜性能最佳。在0.2V cm-1電場作用下，通過總時長為12小時、總計3個周期的快速過濾，氣相聚合改性膜的最終通量約為對照組的2倍。
　　(3)為進一步強化膜污染控制效率，以鐵板犧牲陽極替代不銹鋼惰性陽極、以氣相聚合聚吡咯改性濾布作為膜陰極，構(gòu)成耦合電絮凝的E-MBR。膜

6、-陰極一體化膜組件避免了額外布置陰極，陽極釋放的絮凝劑可以改善活性污泥的過濾性能。施加1mA電流的E-MBR，其活性污泥過濾比阻降低約38％，污泥絮體EPS中的多糖減少40％，其平均運行周期達到16天，較開路運行的對照組增加了近1倍。由于代謝活性強化和絮凝劑的作用，耦合電絮凝的反應(yīng)器對TOC和總磷的去除率得到強化。
　　(4)為避免消耗額外的能量以控制MBR膜污染，以外電阻替換耦合電絮凝E-MBR中的外加電源，將反應(yīng)器轉(zhuǎn)換為原電池

7、，構(gòu)成自身產(chǎn)電的E-MBR。鐵陽極在氧化產(chǎn)電的同時釋放Fe2+/Fe3+，從而使得活性污泥過濾比阻減少17.5％;膜陰極接受來自陽極的電子可以對膜污染物產(chǎn)生一定的排斥作用，從而使得膜面濾餅層減少了約37.3％。長期過濾對比實驗表明，耦合原電池的E-MBR在第一階段第一周期過濾時間相對于對照組延長了3天，第二周期運行時間則達到對照組的3倍;降低其污泥停留時間至30天后，膜組件運行時間可以延長到24天。反應(yīng)器可以持續(xù)輸出約0.2V的電壓。<

8、br>　　(5)將MBR反應(yīng)器進行分隔，以不銹鋼網(wǎng)平板膜作為微生物燃料電池(MFC)的陰極及MBR的過濾材料，以活性炭顆粒作為厭氧陽極基底，構(gòu)成包含MFC的E-MBR。反應(yīng)器在100Ω外電阻的情況下輸出電壓約為0.2 V。通過閉路及開路交替運行發(fā)現(xiàn)，在閉路條件下膜組件過濾時間由開路條件下的13～15天提高至21～27天，因為MFC內(nèi)部電場對膜污染物產(chǎn)生了大小約為2.5×10-14N的靜電排斥力。模擬污水經(jīng)連續(xù)的厭氧陽極處理及好氧陰極處理

9、后，出水濁度較低，COD及氨氮、總磷去除率高且無異味，彌補了MFC陽極出水需要進行二次處理的缺陷。
　　(6)通過對耦合MFC的E-MBR的陰極系統(tǒng)進行拆分，增加了反應(yīng)器總的輸出電流及電壓，反應(yīng)器庫倫效率及輸出能量得到提高。耦合反應(yīng)器通過連續(xù)厭氧-好氧處理，可以有效去除2，4，6-三溴苯酚，其礦化率達到50％～62％。批式實驗表明環(huán)境溫度是影響三溴苯酚在活性污泥中脫溴的主要因素。LC-MS分析表明，2，4，6-三溴苯酚主要中間產(chǎn)物

10、包括一溴苯酚、1，5-二溴苯乙酸、溴苯乙酸、2，6-二溴-4-甲基苯酚、2-溴-4-甲基苯酚、1-溴-2-甲氧基-5-甲苯、乙酰苯及苯甲醛等。
　　上述研究結(jié)果表明，一系列E-MBR中，通過外部施加及耦合反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場，可以有效控制以濾布及不銹鋼網(wǎng)作為膜材料的膜污染。采用聚吡咯對濾布進行導(dǎo)電改性可以使其本身作為陰極材料使用，極大地簡化了電場控制膜污染的裝置結(jié)構(gòu);耦合原電池和MFC的MBR可以利用自身產(chǎn)生的內(nèi)部電場控制膜污染