正渗透处理城市污水的膜污染特性及控制研究

发布时间：2020-08-27 22:48

【摘要】：正渗透(FO)作为一种新型的膜技术,因其具有无需外加压力,能耗低、对污染物截留率高、膜污染趋势低等优点,被广泛用于污水处理/回用和海水淡化,对解决水资源短缺和能源危机起到重要作用。城市污水中含有丰富的能源物质,采用正渗透膜技术对城市污水进行处理,可实现污水处理的资源化和能源化。而在污水处理过程中,正渗透膜与实际污水长期接触,膜污染仍是不可避免的。如何有效地控制膜污染是促进正渗透膜技术在城市污水处理/回用中亟待解决的问题。本课题以实际的城市污水为原料液,模拟海水为汲取液,系统地研究了正渗透在处理过程中的膜污染特性以及膜污染动态变化规律,考察了采用膜表面曝气和改性对膜污染的控制效能,并对相应的膜污染控制机理进行了探讨。本研究首先考察了正渗透膜活性层(AL)朝向原料液(FS)(AL-FS模式)和支撑层(SL)朝向FS(SL-FS模式)两种运行模式下的的通量变化规律和膜污染行为。虽然SL-FS模式下的初始通量高于AL-FS模式,但AL-FS模式下通量下降比较稳定,活性层表面形成的污染层可通过膜表面清洗去除,且通量得到恢复,故AL-FS模式比SL-FS模式更适合于城市污水处理/回用中。其次在AL-FS模式下,通过对比了不同正渗透工艺(直接正渗透(Direct FO)和正渗透膜生物反应器(OMBR))下的膜污染特性,发现长期运行条件下,Direct FO通量下降比OMBR严重,并且膜表面形成较厚的污染层。通过对膜表面污染物的识别,发现膜表面的主要有机物污染物为多糖和蛋白质,无机元素主要为为Ca、Mg、Fe和P,并且Direct FO污染膜表面的含量远远大于OMBR。膜污染是一个复杂的动态变化的过程,为了更好地了解正渗透膜技术在处理实际城市污水时的膜污染特性并阐明膜污染机制,本文系统地研究了Direct FO和OMBR膜表面污染随运行时间的动态变化规律。对Direct FO和OMBR两种工艺在不同运行周期(3天、8天、16天和30天)下的膜表面污染层中的有机污染物和无机元素进行分析,并采用激光共聚焦显微镜对膜表面生物污染层进行表征。同时采用平板计数法对膜表面细菌浓度进行定量分析,并利用高通量测序对膜表面污染层的微生物菌落结构变化进行分析。结果表明,Direct FO膜表面污染层中的污染物和细菌浓度随着运行周期的增长逐渐累积,膜表面形成较厚的污染层,进而增加膜污染阻力,使水通量下降至1.16 L/(m~2·h)。而OMBR膜表面污染层中的污染物和细菌浓度在运行第8天之后呈现稳定状态,运行后期通量基本保持在3~3.7 L/(m~2·h)之间。利用高通量测序对膜表面污染层中微生物菌落结构随运行时间的变化规律进行解析,发现OMBR膜表面污染层中存在Ferribacterium和PHOS-HE51_norank两大优势种群,而Direct FO膜表面微生物的多样性高于OMBR,但相对丰度都很低,且不存在明显的优势种群。基于正渗透处理城市污水时的膜污染特性,采用对膜表面曝气的方法对浸没式Direct FO工艺在城市污水处理过程中的膜污染进行控制。初步考察不同的曝气强度(1.5 m~3/(m~2·h)、3.0 m~3/(m~2·h)、4.5 m~3/(m~2·h)和6.0 m~3/(m~2·h))对通量变化的影响,选取3 m~3/(m~2·h)为最优曝气强度,来评价长期运行下曝气对膜污染的控制效能。52天膜污染实验运行中,在曝气条件下通量得到显著提高。在没有曝气的条件下,膜表面形成了致密的污染层,含有大量的有机物、无机元素以及细菌。相反。在曝气条件下,膜表面污染物大大减少且没有形成明显的污染层。结果表明曝气可以减少污染物在膜表面的沉积,从而抑制污染层在膜表面的形成和发展。因此,对膜表面曝气是一种简单有效的控制膜污染的措施。进一步通过膜表面改性的方法提高正渗透膜在城市污水处理过程中的抗污染性能。首先采用聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)涂覆在膜表面,然后利用PDA的邻苯二酚官能团进一步在膜表面形成纳米银颗粒,最终得到PDA/PEI-nAg改性膜。膜表面改性,不仅提高了膜的亲水性,还使膜同时具有抗粘附性和抑菌性能,但对原膜的本身的传质性能和完整性并未造成显著影响。相比于CTA原膜,PDA/PEI-nAg CTA改性膜对E.coli和S.aureus的抑菌率分别达到90%和85%左右。以实际城市污水为原料液的动态膜污染实验结果表明,PDA/PEI-nAg改性膜的通量下降程度明显低于原膜。通过激光共聚焦显微镜对膜表面污染层中组成和结构表征,表明PDA/PEI-nAg改性膜污染后膜表面的活菌数量减少,且亲水性的提高降低了膜表面附着的有机物量,从而有效地控制了膜污染。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703
【图文】：

断面图,断面图,扫描电镜

膜材料应具有较低的膜污染趋势和浓差极化效应。透压差低于理论值，从而降低水的回收率。膜污染也增加了运行成本并且缩短了膜的使用寿命。此外强度、化学稳定性好等特点。术的研究初期，人们采用商品化的 RO 膜对 FO 工支撑层是由嵌入式致密多孔的网状结构组成，增化现象比较严重，实验结果获得的水通量较低[59相转化法制备了醋酸纤维素膜（CA）应用于 FO量和机械强度。1990 年，美国的 HTI 公司（Hydra制备了商品化的三醋酸纤维膜（CTA）专门用于性层（Active Layer, AL）和嵌入式聚酯网面的支成，且厚度不到 50 μm[62]，如图 1-2 所示为 CTA 。这种膜结构与 RO 膜结构不同，使膜的水通量得于 CTA 膜 FO 膜技术的研究，并被广泛用于各种膜易被生物降解，pH 和温度的耐受范围较低，且

膜表面,生物膜,污染物,细菌

第 1 章绪论形成有利于微生物的附着。其次，原料液中的细菌在范德华引力和氢键等相互的作用下，可逆地附着于膜表面。与此同时大分子的有机物在在膜表面沉积促进细菌在膜表面的繁殖和生物膜的形成。随后，细菌和污染物不断地在膜表面沉积，从而在膜表面形成由细菌、蛋白质、多糖等组成的生物膜[105]。然而，在实际的污水处理过程中，膜表面形成的污染层是由不同类型的污染和多种污染物共同组成，并不会单独存在。污染物-膜和污染物-污染物之间的相互作用是影响膜污染形成以及污染层演变的重要因素。

【参考文献】