电化学强化碳纳米管中空纤维膜生物反应器的构建及抗污染性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yx10110605
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膜生物反应器(MBR)在废水处理过程中因其出水水质好,占地面积小等优势而得到了广泛的应用,但是膜污染问题限制其更加广泛的应用与推广。为从源头上实现膜污染的有效控制,提高MBR的整体使用性能,本研究以电化学强化碳纳米管中空纤维膜(CHFMs)为基本的膜分离单元,构建了电化学强化的膜生物反应器,探究电化学技术对膜污染的控制效果。研究发现负偏压强化CHFMs可排斥带有负电的污染物,使其远离膜分离单元而减缓膜污染;正偏压可直接氧化去除沉积在分离膜表面及内部的污染物;而在Fe2+存在条件下,通过在多孔碳-碳纳米管中空纤维膜上施加负偏压可原位产生羟基自由基(·OH)。·OH更高效地氧化去除了污染物,提高膜污染的控制效果。本文涉及的主要研究内容及结论如下:(1)利用湿法纺丝技术制备的CHFMs具有良好的亲水性(接触角为75.36°)、交联的网状结构。以牛血清蛋白(BSA)、腐殖酸(HA)、海藻酸钠(SA)和厌氧生物反应器上清液(SAB)为目标污染物的过滤实验中,水力清洗对CHFMs的通量恢复率分别为61.4%、80%、82.3%和58.2%,均高于对聚偏氟乙烯中空纤维膜(PVDF-HFMs)的通量恢复率(依次为39.9%、52.4%、59.2%和44.7%)。此外,经CHFMs过滤后SAB的COD浓度比对照组中低至少40 mg/L。上述结果说明,CHFMs与PVDF-HFMs相比具有更优越的抗污染和分离能力。(2)以-1.2 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、SA和SAB的截留效率分别为92.1%、87.3%和56.8%,是不加电情况下的3.3、1.4和1.5倍,同时膜的通量损失率更低。在以CHFMs为基本分离单元的电化学强化的厌氧膜生物反应器(AnEMBR)内,与对照组(以PVDF-HFMs为膜分离单元)相比,跨膜压差(TMP)增长速率更低,水力清洗后膜的通量恢复率更高。同时,AnEMBR对COD的去除效率高于95%,CH4的产量比对照组提高了 111.12 mL/gVSS·d。上述结果说明,负偏压排斥了带有相同负电荷的污染物使其远离膜分离单元,缓解了膜污染,提高了出水水质。(3)以+1.0 V偏电压强化CHFMs进行的过滤实验中,电化学强化CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率分别是不加电情况下的2.7、2和12倍,同时膜的通量损失率更低。电化学强化的好氧膜生物反应器(EMBR)对COD和NH4+-N去除率分别高于88%和80%。在整个周期中,EMBR中CHFMs仅进行了一次水力清洗恢复,TMP可恢复至初始水平。而以PVDF-HFMs和不加电CHFMs为分离单元的MBRs中,需要进行5次和4次的水力清洗,分别恢复到0.15 bar和0.09 bar,远高于初始水平(0.01 bar)。上述结果表明,正偏压可以直接氧化去除在膜表面及膜孔内部的污染物,进一步增强了膜污染控制效果。(4)制备了可原位产生·OH的多孔碳-碳纳米管中空纤维膜(PC-CHFMs)。在-0.8V偏电压条件下,PC-CHFMs对BSA、葡萄糖和苯酚的去除效率是不加电情况下的2.7、6.2和9.7倍,同时膜的通量损失率更低。在电芬顿强化的好氧膜生物反应器(E-Fenton-MBR))内,依靠·OH对污染物的高效氧化去除,PC-CHFMs的通量恢复率为100%。此外,E-Fenton-MBR对COD和NH4+-N的去除率分别高于93%和88%。上述结果表明,电芬顿强化的膜分离可实现在较低电压(-0.8 V)下污染物的高效去除,显著增强分离膜的抗污染能力。综上所述,电化学作用增强了膜的抗污能力,本研究为电化学强化膜分离系统在污水处理、甲烷回收、膜污染控制方面的实际应用奠定了理论基础。
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