工業(yè)濾布抗污染動態(tài)膜的制備、表征及性能研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactors，MBRs)是污水處理和中水回用領(lǐng)域最有前途的工藝。它把膜分離過程與生物降解結(jié)合起來，取得高效的固液分離和出水效果。然而，膜組件昂貴的價(jià)格和其運(yùn)行過程中難以控制的膜污染現(xiàn)象，導(dǎo)致MBR的投資和運(yùn)行費(fèi)用增加，最終限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此研究制備廉價(jià)的高抗污染性能的過濾膜對MBR在我國的推廣應(yīng)用具有重要的意義。近年，利用具有一定特性的顆粒物質(zhì)在廉價(jià)的大孔徑過濾介質(zhì)的表面和內(nèi)部形成動

2、態(tài)膜的技術(shù)成為該研究的熱點(diǎn)。 本研究利用廉價(jià)易得的工業(yè)濾布作為膜基質(zhì)，形成多種抗污染預(yù)涂動態(tài)膜，并對它們的制備、表征和性能進(jìn)行了深入研究，同時(shí)利用氣泡與平板的作用模型對平板膜組件的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 首先，利用平均粒徑為22.8μm的粉末活性炭(Powder Activated Carbon，PAC)作為預(yù)涂劑，在工業(yè)濾布表面形成預(yù)涂PAC動態(tài)膜。通過清水過濾和標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液的截留實(shí)驗(yàn)，考察不同厚度PAC動態(tài)膜清水

3、阻力和截留能力的變化，結(jié)果表明預(yù)涂PAC動態(tài)膜屬于濾餅過濾型動態(tài)膜，其最佳厚度為0.3±0.05mm。但是，浸沒式膜生物反應(yīng)器(Submerged Membrane Bio-Reactor，SMBR)中由下方曝氣產(chǎn)生的膜面剪切作用能夠在一定程度上破壞濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定運(yùn)行，研究發(fā)現(xiàn)MLSS低于8000mg·L-1時(shí)的活性污泥混合液可以近似看作牛頓流體，試驗(yàn)證明利用湍流邊界層理論計(jì)算濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定曝氣量的實(shí)用性，因此PAC動態(tài)

4、膜在SMBR中的穩(wěn)定運(yùn)行采用由供氧曝氣量逐漸調(diào)節(jié)到穩(wěn)定曝氣量的操作方式。 通過預(yù)涂PAC動態(tài)膜與自生生物動態(tài)膜(Self-Forming Dynamic Membrane，SFDM)，以及中空纖維膜(Hollow Fiber Membrane,HFM)組成的SMBR系統(tǒng)在處理模擬生活污水的對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PAC動態(tài)膜具備較好的性能，其操作壓力在43天內(nèi)上升到42kPa，出水效果和中空纖維膜相當(dāng)，COD和氨氮的去除率分別為97.1

5、％和76.1％。污染后的PAC動態(tài)膜只需進(jìn)行干燥處理即可脫落，進(jìn)行再生，無需消耗化學(xué)試劑，特別是PAC動態(tài)膜的造價(jià)不超過每平方米25元的價(jià)格優(yōu)勢，能保證其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。另外，如果利用具有強(qiáng)負(fù)電性的陰離子表面活性劑或具有強(qiáng)親水性的SiO2和TiO2等物質(zhì)進(jìn)一步吸附在預(yù)涂PAC動態(tài)膜表面和內(nèi)部，將會取得更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行效果。 其次，本論文針對導(dǎo)致膜污染主要物質(zhì)溶解性有機(jī)物(Soluble Microbial Products，S

6、MP)和胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)所具有的高疏水性和高電負(fù)性，制備一種新型的預(yù)涂劑——聚乙烯醇微球(Poly-Vinyl Alcohol Microsphere,PVA-MS)。通過PVA和戊二醛乳化交聯(lián)所制備的PVA-MS具有良好的分散性，平均粒徑為1.2±0.1μm。通過紅外光譜分析和Zeta-電位測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)PVA-MS表面富含羥基，具有很強(qiáng)的親水性和電負(fù)性，其Zet

7、a-電位受PH值得影響明顯，在pH=11時(shí)最小為-87.25mV。 隨后，分別利用靜電自組裝和過濾預(yù)涂的方法在工業(yè)濾布表面和內(nèi)部制備對稱無濾餅標(biāo)準(zhǔn)型、不對稱標(biāo)準(zhǔn)過濾型、對稱完全堵塞型三種類型的PVA-MS動態(tài)膜。靜態(tài)親水接觸角的測量證明PVA-MS動態(tài)膜均具有較好的親水性，它們的清水過濾阻力分別為1.02×1010m-1、2.76×1010m-1、1.07×1011m-1，三種PVA-MS動態(tài)膜在濃度0.01mol·L-1的K

8、Cl電解質(zhì)溶液中測量的相對流動電位分別為-26.2mV、-35.3mV、-65.1mV。無濾餅標(biāo)準(zhǔn)型、標(biāo)準(zhǔn)過濾型以及完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜對上清液濁度為21.34NTU的截留率分別為78％、93.7％、98.9％，對上清液TOC為17.1mg·L-1的截留率分別為6.56％，37.16％，48.63％。 對工業(yè)濾布以及三種PVA-MS動態(tài)膜不可逆污染的再生性能研究表明，化學(xué)清洗法均能完全去除膜的不可逆污染，物理反沖洗的效

9、果隨著PVA-MS預(yù)涂量的增加得到不斷改善。綜合對比，自組裝和完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜顯示出一定的競爭優(yōu)勢，前者利用化學(xué)清洗后能維持大部分PVA-MS的存在，可以經(jīng)歷多次運(yùn)行清洗周期后再生，后者僅利用物理反沖洗即可去除不可逆膜污染，經(jīng)再次預(yù)涂后即可應(yīng)用。 最后，對目前廣泛應(yīng)用的平板膜豎直結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)，設(shè)計(jì)具有一定的傾斜角度θ的梯型平板膜結(jié)構(gòu)，使其在保持膜面附近氣泡錯流速度的同時(shí)增加氣泡與膜面彈性碰撞的強(qiáng)度與次數(shù)，提高曝氣減

10、緩膜污染的效率。通過對Vries建立的氣泡與豎直平板相互碰撞的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，利用計(jì)算機(jī)迭代運(yùn)算技術(shù)得到不同曝氣條件下的最佳傾斜角度θ。結(jié)合SMBR的實(shí)際應(yīng)用，對膜組件和曝氣的最佳設(shè)計(jì)方案如下：梯形膜組件間間隔為10～15mm，曝氣位置為組件間5～7mm，梯型膜設(shè)計(jì)角度在1.7°～2.5°之間。 豎直結(jié)構(gòu)和梯型結(jié)構(gòu)的自組裝PVA-MS動態(tài)膜組件在同一SMBR反應(yīng)器中，同一曝氣強(qiáng)度下的對比試驗(yàn)證實(shí)，梯型膜能夠有效的控制膜表面的