强化膜混凝反应器（E-MCR）生活污水资源化处理工艺研究

【摘要】：为使生活污水满足利用厌氧技术实现可持续资源化处理的要求,充分挖掘污水蕴含能源与资源,减少工艺非必要物耗及能耗,本文以实际生活污水为研究对象,研究了强化膜混凝反应器(E-MCR)污水预浓缩资源化处理工艺,从污水预浓缩效率角度对强化混凝过程进行了筛选及优化,通过E-MCR的优化设计和长期运行探索了工艺的处理效果、运行效率、稳定性和放大运行效果,分析了产物的可资源化潜力,初步验证了污水预浓缩资源化技术路线的可行性。以提升污水膜浓缩效率为目标引入强化混凝过程,发现粉末活性炭(PAC)和聚合氯化铝(PACl)组合的强化混凝过程能较经济有效地提高溶解态有机物的截留效率,并能显著改善污水固液分离特性和膜过滤特性而实现有机物有效浓缩。混凝过程主要通过抑制膜孔堵塞过程减缓膜污染的发展,而吸附过程进一步利用滤饼渗透性的提升来提高膜过滤的可持续性。经优化设计,使用气体反冲模式的中空纤维膜E-MCR可以实现长期稳定运行。微滤膜小试E-MCR在投加30 mg/L PACl与20 mg/L PAC、抽停比7.5min:1.5min、反冲压强150kPa、反冲比1min20s:16min40s、浓缩液停留时间(SRT)1 d的条件下,浓缩液COD维持在8000~10000 mg/L;放大的超滤膜中试E-MCR在相同投药浓度和抽停比、反冲压强100k Pa、反冲比30s:5min30s、SRT2.5 d的条件下,浓缩液COD可以维持在17000 mg/L以上。小试与中试E-MCR有机物回收比例均达90%以上,好氧生物所引起的有机物矿化可以忽略,出水COD稳定在30mg/L以下,而NH4+-N浓度高是出水的主要限制性指标。同时,E-MCR中滤饼与浓缩液颗粒孔隙结构发达,但LB-EPS总浓度及多糖类LB-EPS浓度显著高于工程MBR,部分解释了滤饼过滤效果提升及曝气冲刷方式膜污染控制效果不理想的原因。为评估污水预浓缩产物资源化潜力,利用CSTR反应器对E-MCR浓缩液进行长期厌氧产能研究发现,HRT为20d和30d的条件下可以实现较稳定的产沼气效果,较优的甲烷产率达到3.19m3CH4/m3浓缩液,甲烷转化率达到61.3%,均略优于黑水,药剂抑制作用没有显著发生。通过对E-MCR稳定运行期的能耗和成本初步估算,E-MCR能够实现能量正产出并降低污水吨水处理成本。 【关键词】：污水资源化 强化膜混凝反应器(E-MCR) 上游浓缩 强化混凝 厌氧技术
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 主要符号对照表10-11
• 第1章 绪论11-42
• 1.1 研究背景与意义11-31
• 1.1.1 生活污水处理现状及现有问题11-13
• 1.1.2 可持续发展与生活污水处理13-15
• 1.1.3 发达国家生活污水资源化方式的现有探索15-23
• 1.1.4 新型“上游浓缩”生活污水资源化处理23-31
• 1.2 生活污水固液分离技术及其发展31-37
• 1.2.1 污水处理典型固液分离技术简介31-32
• 1.2.2 混凝过程及其在污水处理中的应用32-33
• 1.2.3 吸附过程及其在污水处理中的应用33-34
• 1.2.4 膜分离过程及其在污水处理中的应用34-37
• 1.3 混凝 -吸附 -膜过程在水处理中的应用现状37-39
• 1.3.1 混凝过程和吸附过程对膜污染的控制37-38
• 1.3.2 混凝-吸附-膜过程在地表水或饮用水处理中的应用38
• 1.3.3 混凝-吸附-膜过程在污水处理中的应用38-39
• 1.4 研究目的和研究内容39-42
• 1.4.1 研究目的39-40
• 1.4.2 研究内容40
• 1.4.3 技术路线40-42
• 第2章 强化混凝过程筛选与优化研究42-66
• 2.1 材料与方法42-47
• 2.1.1 试验方法与步骤42-45
• 2.1.2 试验材料45-46
• 2.1.3 试验装置46
• 2.1.4 试验分析方法及主要分析仪器46-47
• 2.2 生活污水污染物可分离性预评估47-51
• 2.2.1 污水原水基础指标分析结果48
• 2.2.2 污染物几何尺寸分布48-51
• 2.3 基于物质截留特性的强化混凝过程筛选51-57
• 2.3.1 强化混凝过程对污水有机物几何尺寸分布的影响51-52
• 2.3.2 基于物质截留率的Plackett-Burman法显著控制参数筛选52-57
• 2.4 基于污水固液分离特性的强化混凝过程优化57-64
• 2.4.1 强化混凝过程对污水固液分离特性的影响57-60
• 2.4.2 基于污水固液分离特性的强化混凝过程优化60-64
• 2.5 本章小结64-66
• 第3章 E-MCR运行方式初步研究66-101
• 3.1 材料与方法66-74
• 3.1.1 试验方法与步骤66-69
• 3.1.2 试验装置69-73
• 3.1.3 试验分析方法73-74
• 3.2 强化混凝过程对生活污水膜过滤特性的影响74-81
• 3.2.1 强化混凝过程对膜过滤特性的主要影响74-76
• 3.2.2 强化混凝膜过滤过程定量化模拟研究76-81
• 3.3 膜混凝反应器污水预浓缩膜类型比选研究81-87
• 3.3.1 不同膜类型反应器过滤特性的变化情况81-82
• 3.3.2 不同膜类型反应器有机物截留特性的变化情况82-84
• 3.3.3 不同膜类型反应器浓缩特性的变化情况84-87
• 3.4 膜混凝反应器污水预浓缩膜构型比选研究87-91
• 3.4.1 不同膜构型反应器过滤特性的变化情况87-88
• 3.4.2 不同膜构型反应器有机物截留特性的变化情况88-89
• 3.4.3 不同膜构型反应器浓缩特性的变化情况89-91
• 3.5 膜混凝反应器污水预浓缩运行特性初步研究91-99
• 3.5.1 膜混凝反应器单周期对比试验91-94
• 3.5.2 膜混凝反应器多周期预浓缩效果试验94-99
• 3.6 本章小结99-101
• 第4章 E-MCR关键工艺参数优化研究101-134
• 4.1 材料与方法101-103
• 4.1.1 试验方法与步骤101-102
• 4.1.2 试验装置102-103
• 4.2 基于膜过滤特性的强化混凝过程优化103-109
• 4.2.1 SCOD截留增率103-104
• 4.2.2 滤饼阻力104-105
• 4.2.3 滤饼比阻105-106
• 4.2.4 阻力增长速率106-107
• 4.2.5 滤饼脱离系数107-108
• 4.2.6 滤饼压缩系数108-109
• 4.3 微滤膜E-MCR反应器运行方式优选109-116
• 4.3.1 过滤特性比较110-111
• 4.3.2 有机物截留特性比较111-112
• 4.3.3 浓缩特性比较112-116
• 4.4 微滤膜E-MCR反应器预浓缩工艺参数的优化116-132
• 4.4.1 膜污染控制方式对污水预浓缩的影响116-121
• 4.4.2 反冲压强对微滤膜E-MCR污水预浓缩的影响121-123
• 4.4.3 反冲比对微滤膜E-MCR污水预浓缩的影响123-126
• 4.4.4 抽停比对微滤膜E-MCR污水预浓缩的影响126-128
• 4.4.5 SRT对微滤膜E-MCR污水预浓缩的影响128-132
• 4.5 本章小结132-134
• 第5章 E-MCR长期运行特性研究134-155
• 5.1 材料与方法134-136
• 5.1.1 试验方法与步骤134-135
• 5.1.2 试验装置135-136
• 5.1.3 试验分析方法136
• 5.2 微滤膜E-MCR长期运行效果研究136-143
• 5.2.1 微滤膜E-MCR不同工况长期运行过滤特性136-139
• 5.2.2 微滤膜E-MCR不同工况长期运行有机物截留特性139-140
• 5.2.3 微滤膜E-MCR不同工况长期运行浓缩特性140-142
• 5.2.4 微滤膜E-MCR浓缩液产能特性142-143
• 5.3 超滤膜中试E-MCR长期运行特性比较143-147
• 5.3.1 超滤膜中试E-MCR不同工况过滤特性比较143-144
• 5.3.2 超滤膜中试E-MCR不同工况有机物截留特性比较144-145
• 5.3.3 超滤膜中试E-MCR不同工况浓缩特性比较145-147
• 5.4 超滤膜中试E-MCR产物特性分析147-153
• 5.4.1 超滤膜中试E-MCR浓缩液厌氧产能特性147-148
• 5.4.2 超滤膜中试E-MCR滤饼及浓缩颗粒形态分析148-151
• 5.4.3 超滤膜中试E-MCR污水预浓缩有机物成分变化151-152
• 5.4.4 超滤膜中试E-MCR浓缩液EPS分布152-153
• 5.5 本章小结153-155
• 第6章 污水预浓缩资源化完整工艺设计及效果评估155-171
• 6.1 材料与方法155-157
• 6.1.1 试验方法与步骤155-156
• 6.1.2 试验装置156
• 6.1.3 试验分析方法156-157
• 6.2 E-MCR稳定运行出水特性分析及完整工艺设计157-161
• 6.2.1 E-MCR稳定运行期出水TN浓度变化157-158
• 6.2.2 E-MCR稳定运行期出水TP浓度变化158
• 6.2.3 E-MCR稳定运行期出水NH_4~+-N浓度变化158-159
• 6.2.4 污水预浓缩资源化完整工艺设计159-161
• 6.3 E-MCR浓缩液CSTR厌氧反应器长期产能特性研究161-167
• 6.3.1 CSTR厌氧反应器不同工况运行特征161-165
• 6.3.2 CSTR厌氧反应器不同工况产甲烷效果165-167
• 6.4 E-MCR污水预浓缩工艺技术经济性评价167-169
• 6.4.1 E-MCR稳定运行期运行能耗167-168
• 6.4.2 E-MCR稳定运行期成本分析168-169
• 6.5 本章小结169-171
• 第7章 结论与建议171-174
• 7.1 结论171-173
• 7.2 建议173-174
• 参考文献174-188
• 致谢188-190
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果190

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