微電場導(dǎo)電膜e-MBR膜污染控制研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)因裝置結(jié)構(gòu)緊湊、污泥停留時間與水力停留時間分離、出水水質(zhì)優(yōu)良以及自動化程度高等優(yōu)勢而在環(huán)境工程領(lǐng)域受到了廣泛的研究和應(yīng)用。但是，運行過程中發(fā)生的嚴(yán)重膜污染現(xiàn)象目前已成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。為實現(xiàn)利用外部施加的及反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場對MBR膜污染進(jìn)行有效控制，本論文以膜-陰極一體化膜組件作為基礎(chǔ)，將MBR與電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)合，構(gòu)成了一系列需外加電場或可自身產(chǎn)電的電-膜生物反應(yīng)器(Electric-Membra

2、ne Bioreactor, E-MBR)。論文基于以下幾方面開展了系統(tǒng)性的研究:
　　(1)在MBR中，采用滌綸濾布作為過濾材料，利用均勻分布于平板膜組件內(nèi)部的細(xì)銅絲作為陰極，構(gòu)成膜-陰極一體化膜組件;以不銹鋼網(wǎng)作為惰性陽極，在外加電場的作用下將MBR轉(zhuǎn)換為E-MBR以控制其膜污染。通過短期快速過濾和長期過濾的對比研究發(fā)現(xiàn)，向反應(yīng)器施加0.073 V cm-1的電場，在總時長6小時、共計4個周期的快速過濾后，其最終膜通量仍為未施

3、加電場對照組的1.8倍;經(jīng)過18天的長期過濾實驗，施加電場的實驗組僅需進(jìn)行1次化學(xué)清洗，而對照組則需進(jìn)行3次化學(xué)清洗。
　　(2)通過液相聚合的方式，采用聚吡咯對濾布進(jìn)行改性并利用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對聚吡咯進(jìn)行摻雜，在2mL L-1的吡咯單體溶液中聚合改性及1 gL-1～2 g L-1 SDBS摻雜后，濾布電阻率由絕緣減少至1.84±0.98 kΩ cm-1～2.11±1.4 kΩcm-1。導(dǎo)電濾布本身作

4、為陰極，進(jìn)一步簡化了一體化膜組件的結(jié)構(gòu);SDBS摻雜過程與聚合過程同步，進(jìn)一步增強(qiáng)了導(dǎo)電陰極的親水性和導(dǎo)電性。施加0.2 V cm-1的電場后，快速過濾的膜通量衰減速率明顯降低;長期過濾實驗的膜阻力上升速度減緩，膜污染得到有效控制。由于液相聚合的聚吡咯結(jié)構(gòu)疏松、與濾布纖維間的結(jié)合強(qiáng)度較弱，因此后續(xù)采用氣相聚合的方式聚合聚吡咯以增強(qiáng)其穩(wěn)定性，通過對比同等條件下兩種改性膜材料的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氣相聚合改性膜性能較好的原因在于聚合過程中聚吡咯在濾布

5、纖維表面緊密、均勻且連續(xù)地分布，在提高改性膜性能的同時也可以減少吡咯單體的使用量、提高其利用效率。氧化劑濃度為20％ FeCl3·6H2O(w/v)的氣相聚合改性膜性能最佳。在0.2V cm-1電場作用下，通過總時長為12小時、總計3個周期的快速過濾，氣相聚合改性膜的最終通量約為對照組的2倍。
　　(3)為進(jìn)一步強(qiáng)化膜污染控制效率，以鐵板犧牲陽極替代不銹鋼惰性陽極、以氣相聚合聚吡咯改性濾布作為膜陰極，構(gòu)成耦合電絮凝的E-MBR。膜

6、-陰極一體化膜組件避免了額外布置陰極，陽極釋放的絮凝劑可以改善活性污泥的過濾性能。施加1mA電流的E-MBR，其活性污泥過濾比阻降低約38％，污泥絮體EPS中的多糖減少40％，其平均運行周期達(dá)到16天，較開路運行的對照組增加了近1倍。由于代謝活性強(qiáng)化和絮凝劑的作用，耦合電絮凝的反應(yīng)器對TOC和總磷的去除率得到強(qiáng)化。
　　(4)為避免消耗額外的能量以控制MBR膜污染，以外電阻替換耦合電絮凝E-MBR中的外加電源，將反應(yīng)器轉(zhuǎn)換為原電池

7、，構(gòu)成自身產(chǎn)電的E-MBR。鐵陽極在氧化產(chǎn)電的同時釋放Fe2+/Fe3+，從而使得活性污泥過濾比阻減少17.5％;膜陰極接受來自陽極的電子可以對膜污染物產(chǎn)生一定的排斥作用，從而使得膜面濾餅層減少了約37.3％。長期過濾對比實驗表明，耦合原電池的E-MBR在第一階段第一周期過濾時間相對于對照組延長了3天，第二周期運行時間則達(dá)到對照組的3倍;降低其污泥停留時間至30天后，膜組件運行時間可以延長到24天。反應(yīng)器可以持續(xù)輸出約0.2V的電壓。<

8、br>　　(5)將MBR反應(yīng)器進(jìn)行分隔，以不銹鋼網(wǎng)平板膜作為微生物燃料電池(MFC)的陰極及MBR的過濾材料，以活性炭顆粒作為厭氧陽極基底，構(gòu)成包含MFC的E-MBR。反應(yīng)器在100Ω外電阻的情況下輸出電壓約為0.2 V。通過閉路及開路交替運行發(fā)現(xiàn)，在閉路條件下膜組件過濾時間由開路條件下的13～15天提高至21～27天，因為MFC內(nèi)部電場對膜污染物產(chǎn)生了大小約為2.5×10-14N的靜電排斥力。模擬污水經(jīng)連續(xù)的厭氧陽極處理及好氧陰極處理

9、后，出水濁度較低，COD及氨氮、總磷去除率高且無異味，彌補(bǔ)了MFC陽極出水需要進(jìn)行二次處理的缺陷。
　　(6)通過對耦合MFC的E-MBR的陰極系統(tǒng)進(jìn)行拆分，增加了反應(yīng)器總的輸出電流及電壓，反應(yīng)器庫倫效率及輸出能量得到提高。耦合反應(yīng)器通過連續(xù)厭氧-好氧處理，可以有效去除2，4，6-三溴苯酚，其礦化率達(dá)到50％～62％。批式實驗表明環(huán)境溫度是影響三溴苯酚在活性污泥中脫溴的主要因素。LC-MS分析表明，2，4，6-三溴苯酚主要中間產(chǎn)物

10、包括一溴苯酚、1，5-二溴苯乙酸、溴苯乙酸、2，6-二溴-4-甲基苯酚、2-溴-4-甲基苯酚、1-溴-2-甲氧基-5-甲苯、乙酰苯及苯甲醛等。
　　上述研究結(jié)果表明，一系列E-MBR中，通過外部施加及耦合反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的微電場，可以有效控制以濾布及不銹鋼網(wǎng)作為膜材料的膜污染。采用聚吡咯對濾布進(jìn)行導(dǎo)電改性可以使其本身作為陰極材料使用，極大地簡化了電場控制膜污染的裝置結(jié)構(gòu);耦合原電池和MFC的MBR可以利用自身產(chǎn)生的內(nèi)部電場控制膜污染