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PES微孔膜的制备及膜反应器在废水处理中的应用研究

吴桂萍  
【摘要】: 随着膜技术及膜工艺的发展,膜材料成本的降低,膜分离技术与其它废水处理技术的组合工艺受到水处理界的广泛关注。但膜抗污染性能差、寿命短导致成本高、膜反应器型式单一等问题,阻碍了膜技术在废水处理中的大规模应用。本文以拓展膜技术在废水处理中的应用潜力及范围为目的,选用性能优越的有机膜材料-聚醚砜(PES),对溶液相转化制备PES微孔膜过程中各工艺条件对成膜结构及性能的影响进行系统研究,制备出性能优良、结构可控的均质PES平板微孔膜和PES平板复合膜。对一体式中空纤维膜生物反应器(SH-MBR)、一体式平板膜生物反应器(SF-MBR)、一体式转盘膜生物反应器(SR-MBR)的污水处理效果和抗污染性能进行了研究;将膜分离技术引入光催化反应器构建一体式膜分离-光催化反应器,并对其可行性进行了考察;将膜分离技术与催化臭氧氧化技术结合起来进行洗车场废水处理回用的中试研究。得到主要结果如下: (1)聚合物浓度、添加剂种类和含量对PES均质膜结构和性能有很大的影响。制膜液中聚合物浓度增大,膜的厚度增大,孔隙率降低,膜中指状大孔结构减少,海绵状孔结构增加。添加剂PVP含量0-10%时,起到致孔的作用;PVP含量提高至10%以上时,膜中指状孔消失,孔径减小,随着PVP含量增加,膜的亲水性提高。非溶剂水的加入,使膜厚度及孔隙率变小,膜孔径增大,水通量增大。TiO2的加入提高了膜的强度、水通量及抗污染性能。在以上制膜规律的基础上,得出制备性能良好的PES微孔膜的工艺条件如下:PES浓度:11-15wt%,PVP添加剂:5-10wt%,水添加剂:3-5wt%,纳米TiO2:0.3-0.5wt%,凝固浴为水,凝固浴温度:30oC左右,铸膜液的温度:30oC左右。在此工艺条件下可制备出表面孔径0.5-2μm,孔隙率为80%左右,水通量为400-600L/m2. h的PES平板均质膜。 (2)在制备PES均质膜工艺条件的基础上成功制备了PES/无纺布平板复合膜,并考察了制膜也组成、工艺条件对膜结构和性能的影响,结果表明:聚合物浓度、添加剂种类和含量、PES/SPES共混比例、SPES磺化度对PES/聚酯无纺布平板复合膜的结构和性能也有较大的影响。一定量SPES的加入有利于膜水通量和亲水性的提高,SPES磺化度提高,膜的亲水性有所改善,但是水通量下降。研究得出制备性能良好的PES复合膜的工艺条件如下:PES/SPES=80/20(wt),SPES磺化度5.2%,聚合物浓度10-13%,添加剂PVP含量3-8%,添加剂非溶剂水含量6%左右,纳米TiO2的加入量0.3-0.5wt%,凝固浴温度30oC。在可控条件下制备出高强度的PES/聚酯无纺布平板复合膜,水通量250-1400L/m2. h,亲水性良好。 (3)将PES平板复合膜用于SF-MBR和SR-MBR,并对SH-MBR、SF-MBR、SR-MBR的污水处理效果和抗污染性能进行了考察。三种膜生物反应器出水水质好,COD去除率均90%。SH-MBR工艺及SF-MBR工艺的最佳组合操作条件相同为:TMP=20kPa,抽/停8min/2min。PES平板复合膜用于MBR处理污水能达到与商业化生产的聚丙烯中空纤维膜相同的分离效果,且其水通量比PP中空纤维膜更稳定。对SR-MBR的研究发现,膜组件转动产生膜面流速可有效防止可逆污染的发生。在一定范围内增大膜组件转速、气水比及周期内停抽时间可有效改善SR-MBR的抗污染性能。SR-MBR工艺的最佳组合操作条件为:转速25r/min,TMP=25kPa,抽/停9min/1min,气水比15:1。SR-MBR可长期稳定运行,其稳定通量高达61 L/m2.h ,是SH-MBR,SF-MBR稳定通量的6倍左右。 (4) PVDF平板复合膜具有较强的抗紫外辐射性能,适合用于光催化-膜分离反应器。浸渍法制备的负载TiO2的活性碳(TiO2/AC)表现出比TiO2, TiO2-AC更好的光催化活性和防止膜污染性能。光催化-膜分离反应器中,膜不仅能有效分离光催化剂,还可在一定程度上实现对待降解产物的截留,促使其在反应系统中进一步降解,保证出水水质。用光催化-膜分离反应器降解水溶液中苯酚时,膜对苯酚的平均截留率为19.3%,对COD的平均截留率为18.7%。光催化-膜分离反应器具有传统的悬浮光催化体系和固定薄膜式光催化体系都不具备的优点,用于有机废水的处理是可行的。 (5) TiO2/AC催化臭氧氧化降解有机物COD的能力明显优于单独臭氧氧化和AC催化臭氧氧化,TiO2/AC作催化剂能明显提高臭氧的利用效率。膜分离-催化臭氧氧化组合工艺用于洗车场废水处理的中试研究,结果表明:系统出水水质好,符合生活杂用水标准,处理量30t/d的洗车场废水处理回用工程吨水造价为2315元,吨水运行费用为0.97元/吨,低于目前的商业用水水费,环境和经济效益佳,具有广阔的应用前景。


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