污水处理中膜污染层多孔结构及渗透特性研究

发布时间：2020-08-11 23:50

【摘要】：膜生物反应器(MBR)是一种高效的污水处理技术,膜污染层的形成使系统处理能力降低,从而制约了MBR技术的推广。膜污染层具有复杂的多孔结构,待滤液从其中通过;因此需从孔隙结构出发,研究膜污染层的渗透特性。本文首先从待滤液成分出发,研究膜污染层的宏观过滤特性。搭建了浸没式膜分离系统,将活性污泥混合液分离成悬浮固体和上清液两种成分分别开展研究。根据堵塞模型将膜污染过程划分成完全堵塞和滤饼层堵塞两个阶段,并得到相应的拟合曲线。讨论了改变曝气强度对三类待滤液过滤特性的影响,分析了活性污泥混合液中两种成分的共同作用对过滤特性的影响。膜分离实验后提取污染层样品,对膜污染层进行了三维重构与流体力学计算。分别通过扫描电子显微镜(SEM)和共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对膜污染层进行观测。利用免疫荧光染色方法,得到了多孔介质的光学切片图;通过图像重构的方法建立了膜污染层的三维结构,获取了多孔结构参数。对该结构进行网格划分进而开展流体力学计算,获得膜污染层的渗透率;另一方面,通过渗流实验获得膜污染层渗透率。通过渗透率模拟值与实验值的比较,验证了CFD计算、图像处理以及三维重构的可靠性。随后分析了膜污染层的孔隙结构对过滤特性的影响。利用海藻酸钠和酵母粉两种人工污染物,对多糖和蛋白质两种主要污染物的过滤特性进行了研究。通过对其孔隙结构特性和传质特性的分析,得到了两种污染物随过滤过程的变化以及孔隙分布对渗透率的影响。大孔对渗透率的贡献占主导作用。随着蛋白质类物质的加入,膜污染层中大孔数急剧减少,进而导致了膜污染层渗透率的衰减。最后考察了典型的预处理方法对膜污染的防控作用。使用氯化钙作为预混凝剂,结合CLSM图像分析了不同钙离子浓度下系统的过滤特性。添加混凝剂能提高透膜流量,但过高的钙离子使透膜流量降低;同时添加氯化钙和高锰酸钾能起到强化混凝的作用。使用次氯酸钠作为预氧化剂,对待滤液的分离特性展开实验研究,结果显示通过分次投加的方式能够更好地防控膜污染的过程。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703
【图文】：

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第 1 章绪论.1 课题背景及研究意义水是自然界广泛存在的天然物质，也是人体组织重要的组成部分。水覆盖了大部分的表面，而水资源指的是具有足够数量和合适质量、满足某一地区在一间内的具体需求的水源，主要以地表水和地下水的形式存在[1-3]。根据 2015 年中国环境公报，我国地表水和地下水水质监测结果如图 1.1 中。967 个地表水国控断面（点位）的水质监测结果如图 1.1(a)所示：Ⅰ~Ⅲ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面分别占 64.5%、26.7%和 8.8%。全国 5118 个地下水水质点的水质监测结果如图 1.1(b)所示：水质为优良级的监测点比例为 9.1%，良好监测点比例为 25.0%，较好级的监测点比例为 4.6%，较差级的监测点比例2.5%，极差级的监测点比例为 18.8%[4]。

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图 1.2 MBR 系统结构示意图BR 技术相对于传统的活性污泥法有着众多的优势，但也统运行成本高是阻碍 MBR 技术进一步发展和推广的主要行成本高主要是由膜污染造成的，这降低了 MBR 系统也缩短了膜元件的使用寿命，膜元件需要频繁维护，增加。在 MBR 系统中，膜组件的维护费用远高于占地和建筑的维护费用占到了 MBR 系统总运行费用的 40%至 75% MBR 技术发展的主要问题。状染现象统中膜污染现象的产生导致了污水透膜流量的下降，受

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图 1.3 膜污染现象示意图膜污染层具有以下几方面特征：（1）分析式(1-1)中各项阻力可知，未被污染的滤膜的自身阻力是一个确定值，不随分离过程改变。随着过滤过程的进行，越来越多污染物颗粒进入膜孔内部进而发生堵塞，造成孔隙堵塞阻力；同时大量的污染物颗粒被滤膜截留而在膜表面沉积形成膜污染层，造成污染层阻力。膜污染层形成之后，对后续污染物颗粒进入膜孔造成了一定的阻碍作用，减缓了孔隙堵塞阻力的进一步增大。与此同时，膜污染层由于与待滤液中的污染物颗粒直接接触而不断发展，污染层阻力进一步增大。研究认为，膜污染层产生的阻力是 MBR 系统阻力的最主要来源[35-37]。（2）MBR 系统的复杂性导致较多因素会影响污染物的分离效率，曝气强度、污泥浓度以及跨膜压差等参数的变化均会导致膜分离效率的改变[38-40]。从传递过程角度出发，膜分离过程可看作是待滤液中的溶剂分子透过膜污染层及滤膜层，进而被分离成为滤出液的过程。不同尺寸大小的污染物颗粒在膜表面堆积、团聚形成了多孔介质层，而待滤液中的溶剂分子则经过该多孔介质层而被滤出。

【参考文献】