（环境工程专业论文）聚乙烯醇微球预涂动态膜的制备、表征及其smbr的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 因出水水质可靠、操作方式简便等特 点引起了水处理界的广泛重视，但膜组件价格昂贵以及膜污染问题阻碍了m b r 的推广 应用。为解决以上问题，近年来预涂动态膜技术作为一种新型廉价的膜分离技术，越来 越受到国内外学者的关注，尤其研究开发具有抗污染特性的预涂动态膜值得期待。 本试验在本课题组研究制备出的具有抗污染特性的新型预涂剂聚乙烯醇微球 ( p v 砧m s ) 的基础上，利用循环预涂工艺，在廉价的工业滤布基膜上形成各种具有不同 p v a - m s 预涂量的动态膜，且对其形态结构、清水过滤阻力、动态接触角、膜面电位、 抗污染特性等物理化学性质进行了系统表征，结果表明： ( 1 )利用循环预涂工艺，制备出了不同p v a - m s 预涂量的预涂动态膜 ( p v a - m s p c d m s ) ，其清水过滤阻力介于0 6 4 x1 0 1 0 - 3 8 4 x1 0 1 0 ml ，渗透性良好； 当p v a - m s 预涂量2 3 9 9 m - 2 时，可达到微滤分离水平。 ( 2 ) p v a - m s p c d m s 的亲水性随预涂量的增加而增强，动态接触角由基膜的 1 1 8 2 5 0 降低到预涂量为6 1 9 9 m 忍时的6 1 5 2 0 ；预涂量为1 5 7 9 m - 2 时的膜面相对z e t a 电 位值，在2 0 ，p h 为8 + 0 2 ，0 0 1 m o l l 1 k c i 溶液的测试条件下测定可达- 3 6 4 m v 。 ( 3 ) p v a - m s 预涂量为2 3 9 - 6 1 9 9 m 2 时的p v a - m s p c d m s ，增强了对胞外聚 合物( e p s ) 的静电排斥作用，延长了膜污染周期，提高了抗污染能力。 根据优化表征结果，利用平板p v a - m s p c d m s 膜组件构建s m b r ，进行处理模拟 生活污水的应用研究，考察了过滤周期、浊度截留特性、清洗后阻力恢复、污染物去除 效果、污泥特性、膜污染成因及抗污染机理等相关情况，结果表明： ( 1 ) p v a - m s 预涂量为6 1 9 9 m 之的预涂动态膜具有更好的抗污染性能，在1 0 5 l - ( m 2 h ) 。1 恒通量条件下运行5 5 天后跨膜压力达到4 5 k p a 。并且对模拟生活污水的处理 效果良好，其平均出水c o d 为2 2 0 m g l 1 ，n h 4 + - n 为0 3 8 m g l - l ，浊度2 3 4 n t u 。 ( 2 ) p v a - m s p c d m s 的膜污染是伴随着污泥体积指数( s ) 的越升而加速发生 的，同时也受到污泥混合液的粘度、浓度和e p s 含量等因素的影响，尤其当滤饼层发生 压密后，e p s 对膜污染的贡献最大。 ( 3 ) p v a - m s p c d m s 清洗后，其表面和内部覆盖的p v a - m s 层会遭到一定破坏， 但其阻力恢复良好。同时，对膜污染过程的考察也显示，p v a - m s 预涂层对膜孔内部的 改性与对膜表面的改性同样重要，膜表面的改性对初期膜污染的发生影响更大。 关键词：预涂动态膜；亲水性；z e t a 电位；膜生物反应器；抗污染 聚乙烯醇微球预涂动态膜的制备、表征及其s g b r 的应用研究 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fp o l y v i n y la l c o h o lm i c r o s p h e r e p r e c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e sa n di t sa p p l i c a t i o nr e s e a r c hi n s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) t h a tc o m b i n e sc o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tu s i n gs u s p e n d e db i o m a s sw i t hm e m b r a n es e p a r a t i o ni so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g p r o c e s s e su s e df o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h em e m b r a n ef i l t r a t i o nu s e di nt h eb i o r e a e t o rc a n r e t a i nh i g h e ra c t i v a t e d s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ,a n d t h e ni m p r o v et h ee f f l u e n t q u a l i t y s i g n i f i c a n t l ya n dr e d u c ef o o t p r i n t h o w e v e r , t h eh i 【g h c o s to fm e m b r a n e sa n dt h es e v e r e f o u l i n gh a v eb e e nd e m o n s t r a t e da st h em a j o ro b s t a c l ef o rt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fm b r t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n to fa n t i f o u l i n ga n dl o w - c o s t f i l t r a t i o nm e d i u ma r co fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o r t h ew i d ea p p l i c a t i o no fm b r ，e s p e c i a l l yi n t h ed e v e l o p i n gc o u n t r i e s i n r e c e n ty e a r s ，p r e - c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e sp r e p a r e db yl o w - c o s tf i l t r a t i o nm e d i u ma n d p r e - c o a t e dr e g e n tw i t ha n t i f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i nt h i st h e s i sp o l y v i n y la l c o h o lm i c r o s p h e r ep r e - c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e s ( p v a m 刚 p c d m s ) w e r ei n v e s t i g a t e dd e t a i l e d l y i tw a sp r e p a r e dw h e nt h ep v a - m so ft h ep r e - c o a t e d r e a g e n td e p o s i t e do nt h es u r f a c ea n d e n t e r e dt h ep o r e so fp o r o u ss u b s t r a t ec o m m o nf i l t e rd o t h w h i c hw a sl o w - c o s tb ym e a n so fc i r c u l a t o r yf i l t r a t i o n t h em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r e , a p p r o x i m a t em a x i m a ls e p a r a t e da p e r t u r e ，w a t e rc o n t a c ta n g l e ，p u r ew a t e rp e r m e a t i o n r e s i s t a n c ea n dr e l a t i v ez e t ap o t e n t i a lo ft h em e m b r a n c es u r f a c ew e r ed e t e r m i n e d , a n da n t i f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ： ( 1 ) p u r ew a t e rp e r m e a t i o nr e s i s t a n c eo fp v a - m s p c d m sw a sb e t w e e n0 6 4 x 1 0 1 0m 1 a n d3 8 4 x 1 0 1 0m 1a n dt h ea p p r o x i m a t em a x i m a ls e p a r a t e da p e r t u r er e a c h e dm i c r o f i l t r a t i o n l e v e l ( 2 ) t h eh y d r o p h i l i c i t yo fp v a - m s p c d m si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp v a - m sp r e c o a t e dm a s s t h er e l a t i v ez e t ap o t e n t i a lo ft h ep v a - m s p c d m s ，w h i c hw e r em e a s u r e du s i n g o 0 1m o l l 1k c is o l u t i o n ，p h8 0 2a n da t2 0 c ，r e a c h e dap e a kv a l u eo f 3 6 4m vw i t h p v a - m sp r e c o a t e dm a s so f1 5 7g m - 2o nt h em e m b r a n c es u r f a c e ( 3 ) p v a - m s p c d m sp r e s e n t e dd r a m a t i c a l l yh i g ha n t i f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h e p r e c o a t e dp v a - m sm a s sw a s2 3 9 6 1 9g - m - 2 t h r e ef l a tp v a - m s p c d m sm o d u l e sw h i c ht h em a s so fp v a - m sp e rs q u a r em e t e r m e m b r a n ew e r e0 2 3 9a n d6 1 9gr e s p e c t i v e l yw e r es u b m e r g e di nt h eb i o r e a c t o ra n d o p e r a t e di np a r a l l e l t r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ，t u r b i d i t yr e j e c t i o na b i l i t y e s ，f l u xr e c o v e r ya n d i i 大连理工大学硕士学位论文 p o l l u t a n t sr e m o v a le f f i c i e n c yo fp v ：a m s p c d m s ，s l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e m b r a n e f o u l i n gp r o c e s sw e r es t u d i e dd e t a i l e d l y t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ： ( 1 ) p v 赴m s p c d m sp r e s e n t e dd r a m a t i c a l l yh i g ha n t i f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h e p r e - c o a t e dp v a - m sm a s sw a s6 1 9g m - 2 i t st r a n s m e m b r a n ep r e s s u r er o s et o4 5k p a a f t e r5 5 d a y so nt h es t a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f1 0 5l ( m 2 h ) - 1i n v a r i a b l ef l u x ，a n d i t st r e a t i n ge f f e c t t h a tt h ea v e r a g eo fc o d ，n h 4 + - na n dt u r b i d i t yw e r e2 2 0m g l 1 ，o 3 8m g l - 1a n d 2 3 4 n t ui ne f f l u e n tw a sg o o do ns i m u l a t e dd o m e s t i cs e w a g e 但) m e m b r a n ef o u l i n gp h e n o m e n o no fp v 砧m s p c d m so c c u r r e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f s l u d g ev o l u m ei n d e x ( s v o ，a n dt h e r a t eo fm e m b r a n ef o u l i n gw a sa l s oi n f l u e n c e db y c o n c e n t r a t i o na n dv i s c o s i t yo fa c t i v a t e ds l u d g ei n t e r m i x t u r ea n dt h ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) c o n c e n t r a t i o ni ns m b ra n ds oo n e s p e c i a l l y ，e p sw o u l di n f l u e n c e s i g n i f i c a n t l yo nt h er a t eo fm e m b r a n ef o u l i n ga f t e rt h ec a k el a y e rf o r m e dw a sc o m p a c t e d 鳓t h ef l u xo ft h ef o u l e dm e m b r a n ec o u l da c h i e v e1 0 0 r e c o v e r yn e a r l yj u s ta f t e rb e i n g c l e a n e db yp h y s i c a lw a s h i n ga n dc h e m i c a ls o a k i n g , b u tap a r to ft h ep v a - m sp r e 。c o a t e d l a y e rd e p o s i t e do nt h es u r f a c ea n de n t e r e dt h ep o r e so fp o r o u ss u b s t r a t ec o n l i n o nf i l t e rc l o t h w a ss t i l ld e s t r o y e d m o r e o v e r , t h et r a c k i n gr e s u l t so fm e m b r a n ef o u l i n gp r o c e s sp r o v e dt h a t p v a m sp r e c o a t e dl a y e ri nt h ep o r e so fp o r o u ss u b s t r a t ew a sa si m p o r t a n ta so nt h es u r f a c e w h i c hi m p a c t e do nt h er a t eo fm e m b r a n ef o u l i n ga tv e r ye a r l ys t a g e k e yw o r d s ：p r e - c o a t e dd y n a m i cm e m b r a n e ； b i o r e a c t o r ；a n t i - f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c s - i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：兰i 兰兰垒日期：2 翌窭车! 翻! 兰目 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 至l 兰兰盐 f 导师签名：幺丝豳 大连理工大学硕士研究生学位论文 上- 一 刖置 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺已经成为一个全球化的问题，而我 国的缺水形势更为严峻。由于水污染的日益严重，水环境正发生着“质一的变化，给人 类的生产和生活带来了许多不利的影响。地球上每年排放污水约5 0 0 0 亿吨，其中9 0 未得到处理。2 0 0 7 年中国环境状况公报公布显示，我国水污染依然严重，1 9 7 条河 流4 0 7 个河流断面中，一到三类水质占4 9 9 ，四、五类为2 6 5 ，劣五类为2 3 6 ； 七大水系总体水质比上年好转，但湖泊富营养化问题依然突出，需要进一步加快水污染 防治由被动应对向主动防控的转变工作。 近年来，多种新型、高效的污水处理技术应运而生，其中膜生物反应- 器( m e m b r a n e b i o r e a c t o r ，m b r ) 是将膜技术应用于污水处理的一项新兴技术，m b r 可在紧凑的空间内 同时实现微生物对污染物质的降解和滤膜对污染物质的分离，而降解与分离之间叉存在 着协同作用，是一种高效、实用的污水处理工艺。但是，膜组件价格昂贵、运行能耗较 高以及膜污染造成通量衰减较快，影响m b r 工艺的进一步推广应用。为解决以上问题， 近年来预涂动态膜作为一项新型廉价的膜分离技术，不但取得了良好的分离效果；”并且 提高了通量恢复能力以及膜组件的使用寿命，正越来越受到国内外学者的关注，尤其研 究开发具有抗污染特性的预涂动态膜值得期待。 研究显示，对滤膜的亲水性改性和荷负电性改性，可以延缓膜污染的发生，是解决 膜污染问题的重要手段。所以，制备出具有强亲水性和荷负电性预涂剂，即可制备出抗 污染性能优良的预涂动态膜。预涂动态膜技术在浓缩工业中已经被广泛接受，但是在污 水处理工程方面还未见相关报道。目前，在污水处理工程方面，预涂动态膜技术大多处 于初期的可行性研究阶段，如各种预涂剂的优化制备和性能表征，预涂剂在不同基膜上 的涂膜条件以及所形成的动态膜的性能优化表征等。 本论文在本课题组研究制备出的具有抗污染特性的新型预涂剂聚乙烯醇微球 ( p v a m s ) 的基础上，利用循环预涂工艺，在