任意粗糙膜表面的构建及其与膜污染界面作用力的关系研究

发布时间：2020-04-13 12:02

【摘要】：我国是水资源贫乏的国家之一,随着人口急剧增长,工业迅速发展,水资源短缺和水污染问题严重制约了我国经济的发展。一方面人类对水资源的需求显示出惊人的增长,另一方面日益严重的水污染蚕食大量可利用的水资源。污水处理与废水回用是解决水资源短缺的重要办法。膜生物反应器由于其优异的污水处理性能受到各国水处理技术研究者的广泛关注。膜生物反应器是在传统活性污泥处理技术基础上结合了膜分离技术的新兴污水处理技术。相比于传统活性污泥法,MBR具有出水水质高、污泥产量低、运行费用低等优点,被广泛应用于污水处理中。然而在长期运行过程中,膜污染是不可避免的,它将导致使用寿命减少,增加膜组件清洗和更换频率,提高运行成本。因此,研究MBR运行中膜污染的形成机制,寻求有效的污染控制策略显得尤为重要。本课题以稳定运行的实验室规模浸没式膜生物反应器为研究基础,深入探究了膜污染潜在机制。主要探究了随机粗糙膜表面及污泥絮体建模,以及相关参数对表面形貌的影响。并且以 XDLVO(Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)为基础,探究了污染颗粒与随机粗糙膜表面的作用力关系。主要研究结果如下:(1)利用原子力显微镜(AFM)分析MBR中膜表面形貌,研究发现真实膜表面具有两个基本特征:随机粗糙的表面形貌以及服从高斯分布的高度分布。基于高斯分布结合频谱法和傅立叶变换法提出随机粗糙膜表面的模拟方法。此方法模拟的随机表面很好地展现了天然膜表面的两个基本特征。统计并比较模拟粗糙面和真实膜表面粗糙度参数,较小的偏差进一步证明了新方法的可行性。对比传统建模方法(随机放置常规几何,使用正弦波或周期函数和分形法)新方法具有显著优势。(2)探究构建参数对膜表面形貌的影响:相关长度(/)和分割段数(N)是影响模拟膜表面形貌的重要参数。粗糙面峰密度随着/的增大而减小;分割段数的增加可提高膜表面精确性,减少随机误差的产生。该方法模拟的粗糙膜表面可用于研究包括膜污染在内的界面行为。(3)对污泥表面性质进行表征,发现膜生物反应器中的悬浮颗粒为球体结构,且表面随机粗糙。统计得到,污泥悬浮颗粒直径在20μm左右。本研究基于高斯分布、傅里叶变换、频谱法以及坐标变换法,提出模拟MBR中污泥絮体的新方法。构建的污泥絮体表面形貌与实际污泥絮体有高度的相似性,并体现了真实颗粒的随机粗糙性。(4)探究污泥絮体构建参数对絮体表面形貌的影响,发现自相关长度(/),均方根粗糙度(σ)以及分割段数(N)在污泥絮体表面形貌构建中起着决定性作用。絮体表面粗糙度随着/的增加而增加;高σ值将产生尖锐和密集的峰;分割段数越大,球体表面粗糙度值越小。通过比较本文提出的方法与常规三种建模法,明显新方法具有显著优异性。此外本文提出的污泥絮体构建法还可用于模拟各种粗糙颗粒。(5)基于XDLVO理论对膜-污染物之间界面作用力进行建模,并结合表面元积分法(SEI)、高斯面三点建面法以及复合Simpson法则定量计算了污泥絮体与高斯粗糙膜表面之间相互作用力。从热力学角度描述污泥絮体在膜表面的粘附机制。计算发现,在0.158-4nm分离距离内,静电作用力(EL)为连续排斥,酸碱作用力(AB)和范德华作用力(LW)相互作用力为连续吸引。同时,相比于EL和LW相互作用力,AB作用力明显较大。同时粗糙膜表面作用力比光滑膜表面作用力小十几倍,说明膜表面形貌对热力学相互作用和污泥粘附具有非常大的影响。本文成功量化了污泥絮体和高斯膜表面的热力学相互作用力。由于热力学相互作用在污染物粘附中起着决定性的作用,因此该方法对污染物粘附提供了更深入的了解,对膜污染研究有着巨大启示。
【图文】：

２．２．１邋ＭＢＲ装置和操作逡逑实验采用有效体积为２７Ｌ（０．４５ｍｘ0．３６ｍｘ0．４０ｍ）的实验规模浸没式膜生物反应器逡逑如图２．１所示，连续操作处理模拟的城市废水。反应器采用四片式膜组件，过滤膜是逡逑平均孔径为０．１０ｐｍ的聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ）超滤膜。反应器已持续运行４００天以逡逑上。人工合成模拟市政污水作为ＭＢＲ进水，组成如下：ＣＯＤ邋３００邋ｍｇ邋Ｉ／１；邋Ｎａ２Ｃ０３邋（４６逡逑ｍｇ邋Ｎａ－Ｌ＇１）；邋ＮａＨＣＯｓ邋（２３邋ｍｇ邋Ｎａ邋Ｌ＇１）；邋（ＮＨ４）２Ｓ０４邋（２７邋ｍｇ邋Ｎ邋Ｌ＇１）；邋ＫＨ２Ｐ0４邋（７邋ｍｇ邋Ｐ－Ｌ＇１）；逡逑ＭｇＳ0４邋（７邋ｍｇ邋Ｍｇ＊Ｌ＿Ｉ）；邋ＣａＣｈ邋（６邋ｍｇ邋Ｃａ－Ｌ＂１）；邋ＦｅＣｂ邋（４邋ｍｇ邋Ｆｅ邋－Ｌ＇１）；邋ＺｎＣｂ邋（０．１１邋ｍｇ逡逑１４逡逑

２．３结果与讨论逡逑２．３．１粗糙膜面表征逡逑图２．２为ＰＶＤＦ膜表面的ＡＦＭ图像。显然，真实膜表面具有随机粗糙的特性，逡逑说明利用周期函数或规则几何模拟粗糙膜表面是不可行的。表２．１显示通过Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ逡逑软件分析ＡＦＭ图得到得平均粗糙度和均方根粗糙度（ＲＭＳ）。对比文献，本文采用逡逑的样品具有较好代表性，可用于研宄膜表面性质。随机粗糙表面可采用高斯法［３１］逡逑或分形法建模［６２】，分析ＡＦＭ图像的高度分布比较哪种方法更适合。逡逑图２．３为ＡＦＭ图像中高度分布统计和高斯分布拟合曲线，表示膜表面各高度分逡逑布所占比例。高度分布统计点在拟合曲线附近，，说明真实膜表面高度分布符合高斯分逡逑布。为了进一步验证，分析实际膜表面高度分布曲线的偏度和峰度，计算得到分别为逡逑０．０９２和－０．０４１说明真实膜表面高度分布服从正态分布。因此，相比于分形法基于高逡逑斯法建模更为合适。逡逑Ｓ逦一逡逑图２．２粗糙膜表面ＡＦＭ图逡逑
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893;X703

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本文编号：2625973