膜生物反应器微滤过程中的膜污染过程与机理研究

发布时间：2021-09-05 09:56

　　膜生物反应器（MBR）是一种将生物处理工艺与膜过滤技术有机结合的新型污水处理与回用技术，近年来在我国得到广泛重视与迅速推广。MBR微滤过程中的膜污染是制约MBR进一步推广应用的一大障碍。膜污染过程主要包括初期阶段和凝胶层阶段。针对目前MBR领域缺乏对膜污染过程与机理的深入、系统及定量化认识，本论文深入研究了MBR微滤过程中的膜污染全过程与作用机理。对于初期膜污染阶段，本研究引入Thomas动态吸附模型定量表征吸附型污染，获取膜和污染物之间的吸附平衡常数及速率常数，并论证了模型在微滤体系的适用性。通过建立吸附平衡常数与膜和污染物的水-接触角及zeta电位之间的半经验关系式，描述膜和污染物的疏水性和带电性对吸附型膜污染的联合影响。构建了非理想条件下的界面能理论框架，用以定量评价疏水作用和静电作用对吸附型膜污染的贡献率。对于试验中所有典型膜-污染物组合，吸附平衡时静电作用能与疏水作用能之间的比例均低于5%，说明疏水作用是吸附型膜污染的决定性机理。对于凝胶层污染阶段，本研究基于滤饼层过滤理论和浓差极化理论建立了凝胶层发展模型。在模型基础上定义了凝胶层发展的特征点——临界点、假稳态点和转折点，分... 

【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：263 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号对照表
第1章 绪论
    1.1 微滤技术
    1.2 膜生物反应器
        1.2.1 MBR 的工艺特点
        1.2.2 MBR 在我国的应用进展
        1.2.3 MBR 在我国的发展环境
    1.3 膜污染与膜污染机理
        1.3.1 基本理解
        1.3.2 膜污染物
        1.3.3 膜污染机理
        1.3.4 膜污染控制策略
    1.4 研究目的与内容
        1.4.1 研究背景
        1.4.2 研究目的
        1.4.3 研究内容
        1.4.4 技术路线
第2章 Thomas 动态吸附模型用于表征吸附型膜污染
    2.1 引论
    2.2 Thomas 模型简介
        2.2.1 物料衡算方程
        2.2.2 吸附动力学
        2.2.3 吸附穿透曲线的完整式
        2.2.4 吸附穿透曲线的简化式
    2.3 试验材料及方法
        2.3.1 微滤膜
        2.3.2 模型溶液
        2.3.3 动态吸附试验
        2.3.4 分析方法
    2.4 试验及拟合结果
        2.4.1 部分模型参数的预估
        2.4.2 Langmuir 简化式的拟合
        2.4.3 线性简化式的拟合
        2.4.4 线性完整式的拟合
        2.4.5 Langmuir 完整式的拟合
    2.5 模型各形式的比较分析
        2.5.1 Langmuir 简化式和完整式的比较
        2.5.2 线性简化式和完整式的比较
        2.5.3 线性完整式和 Langmuir 完整式的比较
        2.5.4 线性完整式的数据筛选
    2.6 模型假设的检验
        2.6.1 扩散传质的忽略
        2.6.2 Langmuir 吸附动力学的基础假设
        2.6.3 其它假设
    2.7 模型参数的意义
    2.8 面向中空纤维膜的 Thomas 模型
        2.8.1 中空纤维膜流态分析
        2.8.2 表观吸附穿透曲线推导
    2.9 小结
第3章 膜和污染物的疏水性和带电性对吸附型膜污染的联合影响
    3.1 引论
    3.2 试验材料与方法
        3.2.1 微滤膜
        3.2.2 模型溶液
        3.2.3 动态吸附试验
        3.2.4 水-接触角测量方法
        3.2.5 zeta 电位测量方法
        3.2.6 其它分析方法
        3.2.7 Thomas 模型用于测量吸附常数
        3.2.8 XDLVO 理论用于解析吸附行为
    3.3 膜和污染物的空间性质
    3.4 膜和污染物的疏水性和带电性
    3.5 吸附型膜污染结果
    3.6 膜和污染物的疏水性和带电性对吸附型膜污染的联合影响分析
    3.7 污染物分子构象变化对半经验模型的影响
    3.8 小结
第4章 吸附型膜污染机理的定量解析
    4.1 引论
    4.2 界面能理论
        4.2.1 界面能的组成
        4.2.2 疏水作用能
        4.2.3 静电作用能
        4.2.4 布朗运动作用能
        4.2.5 水动力学作用能
        4.2.6 吸附总自由能变与平衡常数
    4.3 膜和污染物的表面能参数
    4.4 膜和污染物之间的作用能分析
        4.4.1 作用能随膜与污染物分子间距离的变化
        4.4.2 平衡位置各种作用能对总吸附能的贡献率
    4.5 膜和污染物分子的形状及表面粗糙度对界面能计算的影响
        4.5.1 形状及表面粗糙度对界面能影响的理论分析
        4.5.2 膜表面形貌的试验表征及其对界面能计算的影响
    4.6 污染物分子的非均质性对界面能计算的影响
    4.7 各种作用能对总吸附能的贡献率分析
    4.8 用界面能理论预测膜表面的抗吸附型污染改性效果
    4.9 小结
第5章 膜污染发展过程的定量化描述
    5.1 引论
    5.2 试验材料与方法
        5.2.1 膜和污染物
        5.2.2 膜污染发展试验
        5.2.3 分析方法
    5.3 膜污染发展现象观察
    5.4 膜污染发展过程的模型化描述
        5.4.1 初始阶段及其向凝胶层阶段的转化
        5.4.2 凝胶层增长与稳定阶段的过滤曲线
        5.4.3 凝胶层增长与稳定阶段的几个特征点
    5.5 膜污染发展模型对试验数据的拟合
        5.5.1 初始阶段
        5.5.2 凝胶层增长和稳定阶段
        5.5.3 凝胶层发展模型参数意义
    5.6 膜污染发展模型的检验
    5.7 小结
第6章 膜疏水性与其它因素对膜污染发展的协同影响
    6.1 引论
    6.2 试验材料与方法
        6.2.1 膜和污染物
        6.2.2 膜污染发展试验
        6.2.3 膜污染发展过程的定量化描述
        6.2.4 分析方法
    6.3 膜疏水性和孔径对污染发展的协同影响
    6.4 膜疏水性和污染物粒径对污染发展的协同影响
    6.5 膜疏水性和污染物浓度对污染发展的协同影响
    6.6 膜疏水性和水力剪切率对污染发展的协同影响
        6.6.1 水力剪切率对过滤阻力曲线的影响
        6.6.2 水力剪切率对过滤特征指数的影响
    6.7 膜疏水性对过滤通量可恢复性的影响
    6.8 膜污染发展过程中的机理与影响因素总结
    6.9 小结
第7章 实际 MBR 膜池上清液性质对微滤膜污染发展潜势的影响
    7.1 引论
    7.2 试验材料与方法
        7.2.1 MBR 上清液的采样和分离
        7.2.2 微滤膜
        7.2.3 膜污染发展试验与过滤阻力分析
        7.2.4 分析方法
    7.3 上清液各组分性质的表征
        7.3.1 物质种类
        7.3.2 分子量分布
        7.3.3 荧光性质
        7.3.4 酸性基团分布
        7.3.5 硬度离子络合能力
    7.4 微滤膜性质的表征
    7.5 上清液不同组分的膜污染发展过程
        7.5.1 总体发展趋势
        7.5.2 初始阶段
        7.5.3 凝胶层阶段
    7.6 膜过滤阻力的成分分析
    7.7 膜污染层成分分析
    7.8 膜污染影响因素综合分析及控制策略建议
        7.8.1 膜污染发展影响因素综合模型
        7.8.2 膜污染控制策略建议
    7.9 小结
第8章 结论与建议
    8.1 结论
    8.2 建议
参考文献
致谢
附录 A Thomas 模型的求解与简化
附录 B 基于 Matlab 的 Thomas 模型非线性拟合方法
附录 C 正反阻力法表征膜结构沿厚度方向的相对不均匀度
附录 D 基于 Matlab 的分形维数计算方法
附录 E 膜及污染物的水-接触角、zeta 电位与吸附平衡常数之间的相关关系推导
附录 F 物质亲/疏水性的判断标准
附录 G 污染物分子构象变化对吸附动力学及吸附平衡的影响
附录 H 吸附型膜污染半经验模型的修正（考虑污染物构象变化对吸附平衡的影响）
附录 I 吸附型膜污染半经验模型的修正（考虑膜疏水性对污染物构象变化的影响）
附录 J 环辛烷-水-接触角与空气-水-接触角之间的换算
附录 K 吸附型膜污染过程中水动力学作用能的计算
附录 L 小球粒与平面之间的作用能公式推导
附录 M 搅拌过滤杯中浓差极化水力边界层及浓度边界层厚度计算
附录 N 扩散系数与浓度的关系
附录 O 搅拌过滤杯中剪切力和剪切率的估计
附录 P 搅拌过滤杯中扩散系数的估计
附录 Q 考虑边界层内污染物积累的凝胶层发展模型推导
附录 R 溶解性有机物酸性基团 pKa分布计算方法
附录 S 腐殖酸凝胶层的环境扫描电镜照片
附录 T 浓差极化边界层内过滤阻力的推导
附录 U 膜污染发展影响因素综合半经验模型的推导
附录 V 恒流过滤模式下膜疏水性和污染物浓度对污染发展的协同影响模型
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3385134