微电场导电膜E-MBR膜污染控制研究

发布时间：2020-05-21 04:05

【摘要】：膜生物反应器(MBR)因装置结构紧凑、污泥停留时间与水力停留时间分离、出水水质优良以及自动化程度高等优势而在环境工程领域受到了广泛的研究和应用。但是,运行过程中发生的严重膜污染现象目前已成为制约其进一步发展的最大障碍。为实现利用外部施加的及反应器内部产生的微电场对MBR膜污染进行有效控制,本论文以膜-阴极一体化膜组件作为基础,将MBR与电化学反应器结合,构成了一系列需外加电场或可自身产电的电-膜生物反应器(Electric-Membrane Bioreactor,E-MBR).论文基于以下几方面开展了系统性的研究： (1)在MBR中,采用涤纶滤布作为过滤材料,利用均匀分布于平板膜组件内部的细铜丝作为阴极,构成膜-阴极一体化膜组件；以不锈钢网作为惰性阳极,在外加电场的作用下将MBR转换为E-MBR以控制其膜污染。通过短期快速过滤和长期过滤的对比研究发现,向反应器施加0.073V cm-1的电场,在总时长6小时、共计4个周期的快速过滤后,其最终膜通量仍为未施加电场对照组的1.8倍；经过18天的长期过滤实验,施加电场的实验组仅需进行1次化学清洗,而对照组则需进行3次化学清洗。 (2)通过液相聚合的方式,采用聚吡咯对滤布进行改性并利用阴离子表面活性剂十烷基苯磺酸钠(SDBS)对聚吡咯进行掺杂,在2mL L-1的吡咯单体溶液中聚合改性及1gL-1～2g L-1SDBS掺杂后,滤布电阻率由绝缘减少至1.84±0.98kQ cm-1～2.11±1.4kΩ Cm-1。导电滤布本身作为阴极,进一步简化了一体化膜组件的结构：SDBS掺杂过程与聚合过程同步,进一步增强了导电阴极的亲水性和导电性。施加0.2V cm-1的电场后,快速过滤的膜通量衰减速率明显降低；长期过滤实验的膜阻力上升速度减缓,膜污染得到有效控制。由于液相聚合的聚吡咯结构疏松、与滤布纤维间的结合强度较弱,因此后续采用气相聚合的方式聚合聚吡咯以增强其稳定性,通过对比同等条件下两种改性膜材料的性质,发现气相聚合改性膜性能较好的原因在于聚合过程中聚吡咯在滤布纤维表面紧密、均匀且连续地分布,在提高改性膜性能的同时也可以减少毗咯单体的使用量、提高其利用效率。氧化剂浓度为20%FeCl3·6H2O(w/v)的气相聚合改性膜性能最佳。在0.2V cm-1电场作用下,通过总时长为12小时、总计3个周期的快速过滤,气相聚合改性膜的最终通量约为对照组的2倍。 (3)为进一步强化膜污染控制效率,以铁板牺牲阳极替代不锈钢惰性阳极、以气相聚合聚吡咯改性滤布作为膜阴极,构成耦合电絮凝的E-MBR。膜-阴极一体化膜组件避免了额外布置阴极,阳极释放的絮凝剂可以改善活性污泥的过滤性能。施加1mA电流的E-MBR,其活性污泥过滤比阻降低约38%,污泥絮体EPS中的多糖减少40%,其平均运行周期达到16天,较开路运行的对照组增加了近1倍。由于代谢活性强化和絮凝剂的作用,耦合电絮凝的反应器对TOC和总磷的去除率得到强化。 (4)为避免消耗额外的能量以控制MBR膜污染,以外电阻替换耦合电絮凝E-MBR中的外加电源,将反应器转换为原电池,构成自身产电的E-MBR。铁阳极在氧化产电的同时释放Fe2+/Fe3+,从而使得活性污泥过滤比阻减少17.5%；膜阴极接受来自阳极的电子可以对膜污染物产生一定的排斥作用,从而使得膜面滤饼层减少了约37.3%。长期过滤对比实验表明,耦合原电池的E-MBR在第一阶段第一周期过滤时间相对于对照组延长了3天,第二周期运行时间则达到对照组的3倍；降低其污泥停留时间至30天后,膜组件运行时间可以延长到24天。反应器可以持续输出约0.2V的电压。 (5)将MBR反应器进行分隔,以不锈钢网平板膜作为微生物燃料电池(MFC)的阴极及MBR的过滤材料,以活性炭颗粒作为厌氧阳极基底,构成包含MFC的E-MBR。反应器在100Ω外电阻的情况下输出电压约为0.2V。通过闭路及开路交替运行发现,在闭路条件下膜组件过滤时间由开路条件下的13～15天提高至21～27天,因为MFC内部电场对膜污染物产生了大小约为2.5×10-14N的静电排斥力。模拟污水经连续的厌氧阳极处理及好氧阴极处理后,出水浊度较低,COD及氨氮、总磷去除率高且无异味,弥补了MFC阳极出水需要进行二次处理的缺陷。 (6)通过对耦合MFC的E-MBR的阴极系统进行拆分,增加了反应器总的输出电流及电压,反应器库伦效率及输出能量得到提高。耦合反应器通过连续厌氧-好氧处理,可以有效去除2,4,6-三溴苯酚,其矿化率达到50%～62%。批式实验表明环境温度是影响三溴苯酚在活性污泥中脱溴的主要因素。LC-MS分析表明,2,4,6-三溴苯酚主要中间产物包括一溴苯酚、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。上述研究结果表明,一系列E-MBR中,通过外部施加及耦合反应器内部产生的微电场,可以有效控制以滤布及不锈钢网作为膜材料的膜污染。采用聚吡咯对滤布进行导电改性可以使其本身作为阴极材料使用,极大地简化了电场控制膜污染的装置结构；耦合原电池和MFC的MBR可以利用自身产生的内部电场控制膜污染,该过程无需消耗额外能量,具有明显的环境经济效益：耦合反应器的连续厌氧-好氧处理系统可以对难降解污染物进行有效去除,这种紧凑连续处理装置具备一定的实际应用潜力。
【图文】：

原理图,膜污染,外加电场,原理

膜出水侧布置阴极，以利用电场的排斥作用将各类有机污染物推离膜表面，强化其反向扩散作用(图1.1)。由于污染物本身带电荷，因此理论上其在足够强的电场中(达到或超过临界电场强度，即电场强度对污染物的排斥作用力等于其因膜出水所受的吸力)将发生电泳现象，从而实现膜面及膜孔的零积累。但是，由于MBR中污染物本身所带负电荷较少，临界电场强度较高，而高电压对微生物具有杀灭作用，结合能耗及安全运行等因素，，对MBR所施加的电场强度不宜过高。由于微生物本身具有繁殖代谢能力，且MBR中膜污染物种类繁多、形状不规则、涉及复杂的有机物和无机物之间的作用及反应，因此施加电场只能延缓膜污染、降低化学清洗频率以节约运行成本，目前尚无法完全消除膜污染现象。1.2.2膜分离过程中施加外电场的形式及强度按膜材料形状分

胶体粒子,絮凝剂,作用机理

破坏微小胶体粒子的稳定性，因此絮凝法多用于污水池度的去除或污泥脱水性的提高(图1.2)。由于MBR的膜污染物质多为微小而稳定的胶体粒子，因此在MBR污泥体系楩合絮凝作用可以捕集或吸附SMP、EPS等胶体亚微粒子，增大其粒径，提高污泥的可过滤性、降低污泥比阻，从而实现膜污染的延缓[57]。采用絮凝法控制MBR膜污染主要有两种类型：1)在反应器进水[581或污泥体系中投加无机或有机絮凝剂，构成化学絮凝反应；2；)壀合铁或招阳极，在电场作用下释放絮凝剂，构成电絮凝MBR反应器丨6"1。电荷中和壚（失稳）, 11 懰吸附络合_ 絮凝剂 ?胶体粒子图1.2絮凝剂与胶体粒子作用机理(改编自[561)Fig.l .2 The reaction mechanism of flocculant with colloid particles (adapted from [、己]).1.3.1絮凝剂控制膜生物反应器膜污染的基本原理及效果目前，在实际操作和实验过程中使用的絮凝剂可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂。无机絮凝剂主要有十二水硫酸铭钾(明帆)、氯化招、氯化铁、硫酸铁、聚合氯化招、聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚氯娃酸绍、聚硫桂酸铁等；有机絮凝剂主要有有机聚合物电解质(聚二甲基二烯丙基氯化钱、间磺酸基偶氮氯膦、壳聚糖)以及一些有机无机混合絮凝齐IP6]。目前，从植物中提取天然絮凝剂也得到了较多的关注，如从菜籽中提取的亚微粒9
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703

【参考文献】