工業(yè)濾布抗污染動態(tài)膜的制備、表征及性能研究

工業(yè)濾布抗污染動態(tài)膜的制備、表征及性能研究膜生物反應器（MembraneBio-Reactors,MBRs）是污水處理和中水回用領域最有前途的工藝。它把膜分離過程與生物降解結合起來,取得高效的固液分離和出水效果。然而,膜組件昂貴的價格和其運行過程中難以控制的膜污染現(xiàn)象,導致MBR的投資和運行費用增加,最終限制了該技術的廣泛應用。因此研究制備廉價的高抗污染性能的過濾膜對MBR在我國的推廣應用具有重要的意義。近年,利用具有一定特性的顆粒物質在廉價的大孔徑過濾介質的表面和內(nèi)部形成動態(tài)膜的技術成為該研究的熱點。本研究利用廉價易得的工業(yè)濾布作為膜基質,形成多種抗污染預涂動態(tài)膜,并對它們的制備、表征和性能進行了深入研究,同時利用氣泡與平板的作用模型對平板膜組件的外形結構進行優(yōu)化設計。首先,利用平均粒徑為22.8μm的粉末活性炭（PowderActivatedCarbon,PAC）作為預涂劑,在工業(yè)濾布表面形成預涂PAC動態(tài)膜。通過清水過濾和標準濁度溶液的截留實驗,考察不同厚度PAC動態(tài)膜清水阻力和截留能力的變化,結果表明預涂PAC動態(tài)膜屬于濾餅過濾型動態(tài)膜,其最佳厚度為0.3±0.05mm。但是,浸沒式膜生物反應器（SubmergedMembraneBio-Reactor,SMBR）中由下方曝氣產(chǎn)生的膜面剪切作用能夠在一定程度上破壞濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定運行,研究發(fā)現(xiàn)MLSS低于8000mg·L^-1時的活性污泥混合液可以近似看作牛頓流體,試驗證明利用湍流邊界層理論計算濾餅過濾型動態(tài)膜的穩(wěn)定曝氣量的實用性,因此PAC動態(tài)膜在SMBR中的穩(wěn)定運行采用由供氧曝氣量逐漸調(diào)節(jié)到穩(wěn)定曝氣量的操作方式。通過預涂PAC動態(tài)膜與自生生物動態(tài)膜（Self-FormingDynamicMembrane,SFDM）,以及中空纖維膜（HollowFiberMembrane,HFM）組成的SMBR系統(tǒng)在處理模擬生活污水的對比試驗,發(fā)現(xiàn)PAC動態(tài)膜具備較好的性能,其操作壓力在43天內(nèi)上升到42kPa,出水效果和中空纖維膜相當,COD和氨氮的去除率分別為97.1%和76.1%。污染后的PAC動態(tài)膜只需進行干燥處理即可脫落,進行再生,無需消耗化學試劑,特別是PAC動態(tài)膜的造價不超過每平方米25元的價格優(yōu)勢,能保證其在實際應用中的潛力。另外,如果利用具有強負電性的陰離子表面活性劑或具有強親水性的SiO₂和TiO₂等物質進一步吸附在預涂PAC動態(tài)膜表面和內(nèi)部,將會取得更優(yōu)質的運行效果。其次,本論文針對導致膜污染主要物質溶解性有機物（SolubleMicrobialProducts,SMP）和胞外聚合物（ExtracellularPolymericSubstances,EPS）所具有的高疏水性和高電負性,制備一種新型的預涂劑——聚乙烯醇微球（Poly-VinylAlcoholMicrosohere,PVA-MS）。通過PVA和戊二醛乳化交聯(lián)所制備的PVA-MS具有良好的分散性,平均粒徑為1.2±0.1μm。通過紅外光譜分析和Zeta-電位測量結果發(fā)現(xiàn)PVA-MS表面富含羥基,具有很強的親水性和電負性,其Zeta-電位受PH值得影響明顯,在pH=11時最小為-87.25mV。隨后,分別利用靜電自組裝和過濾預涂的方法在工業(yè)濾布表面和內(nèi)部制備對稱無濾餅標準型、不對稱標準過濾型、對稱完全堵塞型三種類型的PVA-MS動態(tài)膜。靜態(tài)親水接觸角的測量證明PVA-MS動態(tài)膜均具有較好的親水性,它們的清水過濾阻力分別為1.02×10¹⁰m^-1、2.76×10¹⁰m^-1、1.07×10¹¹m^-1,三種PVA-MS動態(tài)膜在濃度0.01mol·L^-1的KCl電解質溶液中測量的相對流動電位分別為-26.2mV、-35.3mV、-65.1mV。無濾餅標準型、標準過濾型以及完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜對上清液濁度為21.34NTU的截留率分別為78%、93.7%、98.9%,對上清液TOC為17.1mg·L^-1的截留率分別為6.56%,37.16%,48.63%。對工業(yè)濾布以及三種PVA-MS動態(tài)膜不可逆污染的再生性能研究表明,化學清洗法均能完全去除膜的不可逆污染,物理反沖洗的效果隨著PVA-MS預涂量的增加得到不斷改善。綜合對比,自組裝和完全堵塞型PVA-MS動態(tài)膜顯示出一定的競爭優(yōu)勢,前者利用化學清洗后能維持大部分PVA-MS的存在,可以經(jīng)歷多次運行清洗周期后再生,后者僅利用物理反沖洗即可去除不可逆膜污染,經(jīng)再次預涂后即可應用。最后,對目前廣泛應用的平板膜豎直結構提出改進,設計具有一定的傾斜角度θ的梯型平板膜結構,使其在保持膜面附近氣泡錯流速度的同時增加氣泡與膜面彈性碰撞的強度與次數(shù),提高曝氣減緩膜污染的效率。通過對Vries建立的氣泡與豎直平板相互碰撞的數(shù)學模型進行改進,利用計算機迭代運算技術得到不同曝氣條件下的最佳傾斜角度θ。結合SMBR的實際應用,對膜組件和曝氣的最佳設計方案如下:梯形膜組件間間隔為10～15mm,曝氣位置為組件間5～7mm,梯型膜設計角度在1.7°～2.5°之間。豎直結構和梯型結構的自組裝PVA-MS動態(tài)膜組件在同一SMBR反應器中,同一曝氣強度下的對比試驗證實,梯型膜能夠有效的控制膜表面的濾餅層污染,防止由于壓力升高引起的濾餅層壓縮和由于膜面缺氧而引起的阻力急速上升。但是活性污泥發(fā)生膨脹引起的沉降性變差和運動學粘度變化過大,將會使氣泡及其尾流與膜面作用的消弱,導致膜阻