A~2O-MBR污水处理系统中膜污染物质和行为解析

【摘要】：膜生物反应器（MBR）工艺是传统活性污泥法（CASP）与膜分离技术相结合的高效的污水处理再生技术。MBR具有污泥浓度高、处理水水质好、占地面积小、水力停留时间和污泥停留时间可分别控制等优点，具有良好的发展和应用前景。然而，膜污染是制约MBR工艺大规模工程应用的主要因素，它一方面导致膜组件的频繁物理、化学清洗，增加运行维护费用，另一方面影响膜的使用年限，增加膜更新的费用。迄今对于膜污染的研究多集中在小型实验研究方面，对于实际投入运行的MBR的膜污染研究较少。因此，很有必要系统性地研究运行中的MBR的膜污染状况，为通过运行调控实现膜污染控制奠定理论和技术基础。 本课题是国家自然科学基金重点项目（50838005）的部分研究内容，针对西安思源学院污水处理厂2000m3/d的A2O-MBR污水再生处理系统，分析评价了其在历时9个月的连续运行过程中的跨膜压差（TMP）变化和膜过滤性能，结合现场采样分析和批式膜过滤试验，进行了主要膜污染物质的膜污染特性表征，开展了恒通量运行模式下A2O-MBR系统的膜污染机理分析。论文的主要研究内容及成果如下： （1）通过连续检测与采样分析，评价了A2O-MBR系统污水再生处理的工艺特点、处理效果和膜过滤特性。该系统采用厌氧-缺氧-好氧（A2O）反应器进行污水生化处理，后续中空纤维膜淹没式膜生物反应器（MBR）。在A2O阶段采用了污泥混合液逐级回流方式，以利于溶解氧的合理利用和污泥的混合均匀；在MBR单元采用了抽吸泵间歇抽吸和周期性维护性清洗（EFM）的方式，以利于膜污染防止。长期运行结果表明，该系统在保障再生水达到杂用和景观回用水质的同时，9个月的运行周期内在恒通量模式下（16L/m2h），跨膜压差（TMP）一直稳定在12.4-21.5kPa之间，实现了低TMP条件下的稳定运行。 （2）通过A2O-MBR系统各阶段的污泥混合液采样，针对活性污泥性状、溶解性有机物（DOM）和胞外聚合物（EPS）含量和组成进行分析，研究了膜污染物质的沿程变化规律。溶解氧、氧化还原电位、污泥浓度（MLSS和MLVSS）、粘度等参数分析表明，厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的生化条件良好；以EPS作为代表性的膜污染物质，发现其总量和组分（蛋白质和多糖）沿厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池均呈显著性下降的趋势，且随着运行时间的延长没有在膜池发生积累，表明A2O-MBR处理流程有抑制EPS大量进入膜池的作用。对DOM进行三维荧光光谱（EEM）分析，结果表明蛋白质具有可生化降解性，但容易被膜截留，其含量沿处理流程降低有利于膜污染控制；与此相比，腐植酸类物质生化降解性差，其含量沿处理流程基本不变，但容易通过膜孔，对膜污染的影响相对较小。 （3）对膜池污泥混合液、DOM、EPS和泥饼层的性质进行了较全面的分析。比较了原水、污泥混合液和出水DOM的性质，结果表明DOM的三种重要组分具有不同的生物降解率和膜截留率，多糖的生物降解率低、膜截留率高，对膜污染的影响大于蛋白质和腐植酸。将膜池污泥混合液中的EPS细分为SEPS（溶解性）、LBEPS（松散结合型）和TBEPS（紧密结合型）三类，批式膜过滤试验结果表明LBEPS各组分的含量低但膜截留率均最高，比膜污染指数（SMFI）是SEPS的2倍、BEPS的17倍，同时LBEPS松散分布于污泥絮体的表面能够自由运动、分子量相对较小，容易导致膜孔污染和泥饼层孔隙率的降低。 （4）通过膜面泥饼层污泥取样分析，并进行与膜池混合液污泥相比较的批式膜过滤试验，研究了膜面泥饼层的形成和膜污染物质积累的规律。结果表明：①泥饼层污泥的膜污染指数（MFI）是混合液污泥MFI值的3.3倍，两种污泥的过滤总阻力也相差3倍，但阻力增量的90%集中在泥饼层阻力（Rc）上，膜孔阻力（Rp）增幅不大，说明泥饼层污泥虽具有更强的膜污染趋势，但主要导致的泥饼层阻力（Rc）是比较容易恢复的；②与混合液污泥相比，泥饼层污泥的粒径增大，且MLVSS/MLSS比值降低，说明泥饼层内无机固体所占比例高，是以无机质为主的压缩体，因此由泥饼层密实构造产生的阻力增大；③与混合液污泥相比，泥饼层污泥中结合型胞外聚合物（BEPS）总量没有增多，但蛋白质与多糖在BEPS中的含量比（PN/PS）明显降低，说明BEPS在泥饼层中处于不断富集和被泥饼层内微生物利用的动态过程中，BEPS组分的变化对泥饼层阻力也产生了一定影响。④应用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）、能谱法（EDX）、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等对膜污染物质和膜表面形态进行分析，发现污染物附着在膜表面形成不均匀的凝胶状。分析认为膜池混合液中存在的Fe、Mg、Al等金属离子会与膜面沉积的有机聚合物大分子（如蛋白质和多糖）之间发生络合反应，造成一定程度的金属离子富集，促进泥饼层的成长，增大泥饼层的密实度的和降低泥饼层的孔隙率，是导致泥饼层污泥过滤阻力增大的主要原因，而泥饼层对污染物的截留也起到了抑制膜孔污染的积极作用。 （5）运用膜过滤阻力模型，将膜阻力分解为膜固有阻力Rm、EFM清洗可去除阻力Rr和不可去除阻力Rir，结合A2O-MBR系统长期运行过程的初期和末期典型EFM清洗实验数据进行模拟计算。结果表明，经过长达9个月的连续运行，每次EFM操作能有效去除Rr，并使Rir稳定保持在较低的水平。与运行初期相比较，运行末期一个EFM周期的TMP线性增长速率没有增大，均保持在0.01kPa/h左右，表明A2O-MBR污水处理系统具有良好的膜污染控制性能。 【关键词】：A2O-MBR系统 污水处理与回用 膜污染 泥饼层 胞外聚合物 溶解性有机物
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-14
• 1 绪论14-34
• 1.1 膜生物反应器（MBR）污水处理工艺14-18
• 1.1.1 MBR 工艺发展概况14-16
• 1.1.2 MBR 工艺类型16-18
• 1.1.3 MBR 工艺的优缺点18
• 1.2 膜污染及表征方法18-26
• 1.2.1 膜污染类型19-20
• 1.2.2 泥饼层特性及表征方法20-25
• 1.2.3 膜污染控制方法25-26
• 1.3 膜污染物质及其污染特性26-32
• 1.3.1 膜污染物质概述27-28
• 1.3.2 生物污染28-29
• 1.3.3 有机污染29-31
• 1.3.4 无机污染31-32
• 1.4 课题的来源、研究目的及研究内容32-34
• 1.4.1 课题的来源32
• 1.4.2 课题的研究目的与意义32-33
• 1.4.3 课题的研究内容33-34
• 2 研究方法34-43
• 2.1 A~2O-MBR 污水处理系统34-35
• 2.1.1 工艺流程及运行维护34
• 2.1.2 膜装置34-35
• 2.2 污水来源及其水质特点35-36
• 2.3 水质分析方法36-37
• 2.4 膜污染倾向表征方法37-39
• 2.5 污泥特性分析方法39-40
• 2.5.1 絮体粒径分布39
• 2.5.2 污泥粘度分析39
• 2.5.3 溶解性有机物分析39
• 2.5.4 污泥耗氧速率39-40
• 2.5.5 污泥中微生物观察与多样性分析40
• 2.6 膜污染物质的提取及表征方法40-43
• 2.6.1 样品收集与制备40-41
• 2.6.2 EPS 的提取与分析41
• 2.6.3 EEM 光谱分析41
• 2.6.4 分子量分布 GPC 分析41-42
• 2.6.5 傅里叶变换红外光谱分析42
• 2.6.6 AFM 分析42
• 2.6.7 SEM 及 EDX 分析42-43
• 3 A~2O-MBR 污水处理系统功效评价43-54
• 3.1 西安思源学院污水处理与回用系统概述43-45
• 3.1.1 污水收集系统44
• 3.1.2 A~2O-MBR 污水处理系统简介44
• 3.1.3 再生水回用系统44-45
• 3.2 A~2O-MBR 系统的工艺特点45-48
• 3.2.1 传统 A~2O 工艺特点45-46
• 3.2.2 A~2O-MBR 系统特点46-48
• 3.3 A~2O-MBR 系统处理效果48-52
• 3.3.1 有机物去除效果48-50
• 3.3.2 营养物去除效果50-51
• 3.3.3 处理水水质评价51-52
• 3.4 膜过滤性能52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 4 A~2O-MBR 系统膜污染物质的转移转化规律54-65
• 4.1 A~2O-MBR 系统的生化处理特点54-59
• 4.1.1 溶解氧(DO)沿程变化54-55
• 4.1.2 氧化还原电位(ORP)沿程变化55-56
• 4.1.3 污泥浓度沿程变化56-57
• 4.1.4 污泥粘度沿程变化57-58
• 4.1.5 微生物种群沿程变化58-59
• 4.2 污泥颗粒粒径分布59-60
• 4.3 胞外聚合物(EPS)分布60-62
• 4.4 溶解性有机物(DOM)沿程变化62-64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 膜池中污染物质的特性及对比分析65-96
• 5.1 膜池污泥特性65-70
• 5.1.1 污泥基本特性65-66
• 5.1.2 污泥的沉降性能66
• 5.1.3 污泥的过滤性能66-67
• 5.1.4 污泥的微生物活性67-69
• 5.1.5 活性污泥的显微观察69-70
• 5.2 DOM 的特性对比分析70-76
• 5.2.1 DOM 的特性70-75
• 5.2.2 DOM 的膜污染倾向75-76
• 5.3 EPS 的分类及特性分析76-83
• 5.3.1 EPS 的分类76-78
• 5.3.2 EPS 的特性78-81
• 5.3.3 EPS 的膜污染倾向81-83
• 5.4 泥饼层污泥特性对比分析83-92
• 5.4.1 污泥的过滤性能比较83-84
• 5.4.2 污泥形态比较84-86
• 5.4.3 微生物量及活性比较86-87
• 5.4.4 有机和无机组分分析87-92
• 5.5 膜表面污染层形态观察92-94
• 5.5.1 SEM 分析93
• 5.5.2 AFM 分析93-94
• 5.6 本章小结94-96
• 6 A~2O-MBR 系统低 TMP 运行原理分析96-106
• 6.1 恒通量模式下 TMP 的变化96-98
• 6.1.1 TMP 的典型变化96-97
• 6.1.2 A~2O-MBR 系统中 TMP 的变化97-98
• 6.2 基于试验结果的分析98-101
• 6.3 基于阻力模型的分析101-105
• 6.3.1 膜过滤阻力模型的建立101-103
• 6.3.2 膜过滤阻力模型分析103-105
• 6.4 本章小结105-106
• 7 结论106-110
• 7.1 结论106-108
• 7.2 建议108-109
• 7.3 创新点109-110
• 致谢110-111
• 参考文献111-131
• 附录1：博士期间发表论文情况131-132
• 附录2：博士期间参与的科研项目132

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