絮凝劑對減緩膜-生物反應(yīng)器膜污染速率的效果和機(jī)理研究.pdf

1、膜-生物反應(yīng)器技術(shù)(MBR)是一種卓越的水處理與回用技術(shù),與傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)相比,膜-生物反應(yīng)器具有很多優(yōu)勢。然而,由膜污染導(dǎo)致的高昂維護(hù)費用和操作不便是制約MBR廣泛應(yīng)用的主要瓶頸,研究膜污染過程和機(jī)理對于控制膜污染、降低MBR運(yùn)行成本具有重要意義。近年來,通過向膜-生物反應(yīng)器中投加過濾助劑/抗污染劑,人為的改善反應(yīng)器中活性污泥混合液的性質(zhì),從而減緩膜污染進(jìn)程成為一種新興的膜污染控制技術(shù)。本研究選取了六種最常使用的絮凝劑:水和硫酸鋁(

2、Al2(SO4)3.xH2O)、聚合氯化鋁(PAC)、三氯化鐵(FeCl3)、聚合硫酸鐵(PFS)、殼聚糖(Chitosan)和聚丙烯酰胺(PAM),對其作為膜污染控制劑的作用和機(jī)理分別做了深入的探討。根據(jù)其化學(xué)性質(zhì),六種絮凝劑分別屬于單體金屬鹽,聚合金屬鹽和有機(jī)高分子絮凝劑三類。實驗結(jié)果表明,所有絮凝劑都對改善膜-生物反應(yīng)器活性污泥混合液的可過濾性起到了顯著的作用。在操作通量為20L/m2.h時,各MBR中的膜污染速率排序為PFS反應(yīng)

3、器<殼聚糖反應(yīng)器<聚丙烯酰胺反應(yīng)器<三氯化鐵反應(yīng)器<聚合氯化鋁反應(yīng)器<水合硫酸鐵反應(yīng)器。其中,添加殼聚糖和PFS可以使MBR可持續(xù)操作時間延長至對照反應(yīng)器的約7倍。
　　 在膜污染進(jìn)程中透膜壓力(TMP)的上升分三個階段:第一階段發(fā)生在初始的幾小時內(nèi),由于膜孔的縮窄或堵塞造成的膜表面特性的改變,導(dǎo)致透膜壓力突然的上升。第二階段表現(xiàn)為透膜壓力的長時間慢速上升過程,主要因為是膜表面的凝膠層累積。凝膠層的主要來源是膜對混合液中大分子物

4、質(zhì)的截留。第三階段是TMP的突然躍升并導(dǎo)致膜過濾無法繼續(xù)操作,主要特點是泥餅層的堆積和TMP增長的“自我加速”。在這三個階段中,對膜污染速率起到關(guān)鍵性作用的污染物是不同的,而各種絮凝劑作用于每個階段的效果和機(jī)理也各有區(qū)別。本研究將污染物分為溶液相和固體相兩個部分,就各種絮凝劑對污染三階段的作用分別作了細(xì)化和深入的探討。
　　 對于溶液相污染物而言,為了進(jìn)一步細(xì)化不同性質(zhì)以及不同顆粒大小的污染物的污染趨勢以及絮凝劑對每一種污染物組

5、分和性質(zhì)的調(diào)節(jié)作用,本研究利用凝膠滲透色譜(GPC)對污染物的顆粒大小以膜孔徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了細(xì)分,明確了目標(biāo)污染物的分子量范圍。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用傅立葉紅外轉(zhuǎn)換光譜(FTIR)對污染物的物質(zhì)屬性進(jìn)行了辨別,找出了易造成膜內(nèi)部污染的物質(zhì)的化學(xué)成分。結(jié)果表明,分子量大于100KDa的可溶性物質(zhì)才是需重點控制的污染物,而蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)是膜內(nèi)污染的主要貢獻(xiàn)者。多種絮凝劑均能有效地降低膜孔中蛋白和多糖含量,減輕膜的不可逆污染；降低液體相大分子

6、濃度,減緩凝膠層的形成速率和膜總孔隙率的衰減速率。
　　 對于固體污染物,即活性污泥顆粒而言,本研究分別探討了活性污泥絮體的(1)形態(tài)學(xué)指標(biāo):絮體平均粒徑(dp)和絮體分型維數(shù)(df)；(2)理化指標(biāo):污泥絮體表面電荷(本研究中以污泥表面Zeta電位表征),絮體表面相對疏水性(RH),活性污泥混合液動力學(xué)粘度(η)(3)污泥絮體的生化成分:EPS的濃度?？疾炝烁鞣N絮凝劑在不同劑量下對各個指標(biāo)的改變作用以及對膜污染帶來的影響。

7、r>　　 在絮凝劑-MBR這個二級多因素系統(tǒng)中。膜污染的影響因子眾多,機(jī)理復(fù)雜。為了將量綱不同的各影響因子進(jìn)行統(tǒng)計分析,本研究采用了歸一化,標(biāo)準(zhǔn)化的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,并進(jìn)一步采用線性回歸和多元直線回歸等統(tǒng)計方法對添加絮凝劑的MBR中,在5個劑量梯度下的所有指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析整合,得到了各絮凝劑的膜污染控制關(guān)鍵因素以及各因素的膜污染貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明,絮凝劑按其對不同指標(biāo)的作用因子可以分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)絮凝劑對于改變污泥形態(tài)

8、學(xué)性質(zhì)的作用較大,殼聚糖和聚丙烯酰胺的膜污染控制效果是通過降低和轉(zhuǎn)化溶液相中的大分子物質(zhì),增大污泥的平均粒徑和增加污泥絮體的疏松度而實現(xiàn)的。無機(jī)絮凝劑對絮體的理化性質(zhì)作用顯著但對于污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及混合液的粘度的作用可忽略。無機(jī)絮凝劑膜污染控制效果是通過降低SMP濃度,中和污泥絮體表面電荷,即增加絮體Zeta電位和增加污泥絮體表面疏水性實現(xiàn)的。用選定的關(guān)鍵因子對每一絮凝劑進(jìn)行了膜污染速率與關(guān)鍵因子的經(jīng)驗公式擬和,結(jié)果是所有公式與實驗實測