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西北村镇地区雨水重力流超滤技术开发与通量稳定机制研究

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西北村镇地区雨水重力流超滤技术开发与通量稳定机制研究

作者：郑雨山东建筑大学

学位级别：硕士

我国西北村镇地区主要的饮用水水源为集雨窖水,而水窖集水面易遭受地面环境污染,集雨窖水的浊度、色度以及菌落总数达不到我国生活饮用水的卫生标准,影响人们的身体健康。传统的水处理工艺存在操作复杂、耗能高以及清洗维护频繁等弊端,... 详细信息

我国西北村镇地区主要的饮用水水源为集雨窖水,而水窖集水面易遭受地面环境污染,集雨窖水的浊度、色度以及菌落总数达不到我国生活饮用水的卫生标准,影响人们的身体健康。传统的水处理工艺存在操作复杂、耗能高以及清洗维护频繁等弊端,难以在我国西北村镇地区广泛应用。重力流超滤工艺(Gravity Driven Membrane system,GDM)以水体自身重力为驱动,可在无动力条件下长期运行,具有低维护、低能耗、易操作等优势。目前,现有的GDM装置采用的膜材料主要以平板膜为主,膜面积有限,出水通量普遍较低,无法保证每日的饮用水需求。因此,在GDM系统运行过程中,若要获得较高的出水通量并且兼顾出水水质要求和系统造价、运行耗能等各方面因素必须对GDM装置进行优化设计。为此,本文通过探究膜材料和膜组件设计对GDM运行效能的影响,筛选出净水效果最优的膜组件并探究其在无清洗、无维护条件下长期运行的通量变化特征与净水效果,揭示出水通量的关键影响因素以及不同清洗方式对GDM运行效能的恢复机制,以期为建立GDM长期稳定运行和维护机制以及在农村地区推广应用提供理论指导和技术支撑。主要研究内容及结论如下:(1)通过对西北村镇地区窖水现场考察和检测分析,结果显示该地区窖水水质普遍较差,不适合直接饮用,浊度、色度、微生物是该地区窖水中的主要特征污染物。(2)从膜种类以及膜材质的角度出发,探究了超滤膜自身特征对GDM系统运行效果的影响。结果表明,由不同种类、不同材质膜丝组成的GDM系统的出水通量变化特征基本相同,出水水质均符合我国生活饮用水水质标准;中空纤维膜与平板膜相比具有较好的亲水性,对防止不可逆污染具有更大的优势。经过综合比较膜参数不同的膜组件对集雨窖水的处理效能,筛选出净水效果最优的膜材质和种类分别为聚偏氟乙烯和中空纤维膜。(3)研究了膜组件设计对GDM系统运行效果的影响。结果表明,装填密度决定了膜组件的有效过滤面积,适宜的装填密度有助于提升渗透通量,缓解膜污染;较大的膜孔径虽然能够提升膜通量,但也容易造成膜孔堵塞;膜丝的长度与临界通量相关,膜丝越长,局部通量分布越不均匀。通过比较设计参数不同的膜组件通量变化特征以及对污染物的去除效果,筛选出膜组件的最优装填密度为150 m/m、适宜长度为120 mm、膜孔径为30 nm。(4)研究了GDM长期运行条件下的通量变化特征以及对污染物的去除效能。将筛选出的膜组件连续运行240天,结果表明:GDM装置通量稳定现象是普遍存在的,长期运行的GDM装置可分为启动期(0～8 d)、稳定期(9～150 d)和下降期(151～240d)3个阶段。膜通量10天内即可达到稳定状态,在无清洗条件下,最大稳定运行时间可达150天,平均通量为8.85±0.74 LMH。在稳定期内,GDM运行的出水水质较好,出水中浊度、色度、TOC和菌落总数的均值分别为0.14 NTU、7度、1.03 mg·L和66CFU·m L,均达到我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)要求。而在下降期内,膜通量降低至5.37 LMH,且GDM出水中菌落总数存在超标现象,因此建议在运行150天后对GDM进行清洗维护,恢复膜通量、稳定净水效果。(5)研究了GDM在长期运行过程中水质因子及滤饼层形态特征对出水通量的影响。结果表明,进水水质因子DO、p H、TOC和菌落总数,是影响稳定通量值的关键因素,其响应关系在稳定期和下降期均呈现不同规律。对于溶解氧来说,稳定期内的出水通量与之呈正相关关系,在下降期内呈负相关关系;在稳定期内,出水通量与TOC呈负相关关系,在下降期内则呈正相关关系;对于进水的p H和菌落总数,稳定期和下降期的通量随p H的增大而显著降低,随进水微生物数量的增加而升高。随着运行时间增加,滤饼层中的微生物群落结构发生明显变化,变形菌和拟杆菌成为该系统的优势种群,在微生物的作用下滤饼层更易形成多孔的非均相结构,有助于通量的提升。(6)研究了GDM长期运行后不同清洗方式对膜通量的恢复率以及膜组件清洗后的运行效能。结果表明,不同的清洗方式对于膜通量的恢复均有贡献,表面清洗、反冲洗和化学清洗后的膜组件通量分别为13.1、32.1和36.9 LMH,约为初始膜通量的32.3%、80.0%和91.0%。膜组件经过清洗之后,GDM系统的出水通量水平及净水效果会有明显的提升。因此,根据运行方式及运行时间,灵活选择、搭配GDM的清洗方式,可达到恢复出水通量的目的。

关键词：集雨窖水重力流超滤净水效能稳定通量清洗方法

预沉积生物炭强化重力驱动超滤膜处理受污染地表水的效能研究

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中国环境科学 2023年第3期43卷 1122-1130页

作者：何强左庆扬陈子惟刘彩虹张唐龙智悦重庆大学环境与生态学院三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400044

采用预沉积生物炭(BC)强化重力驱动超滤膜(GDM)处理受污染地表水,考察预沉积生物炭对GDM膜通量及除污效能的影响.实验所用的生物炭是以玉米秸秆粉末为原料,在600℃高温热解制备的一种具有丰富的孔隙结构和含氧官能团的介孔材料,其比表... 详细信息

采用预沉积生物炭(BC)强化重力驱动超滤膜(GDM)处理受污染地表水,考察预沉积生物炭对GDM膜通量及除污效能的影响.实验所用的生物炭是以玉米秸秆粉末为原料,在600℃高温热解制备的一种具有丰富的孔隙结构和含氧官能团的介孔材料,其比表面积为181.09m^(2)/g,总孔体积为0.12cm^(3)/g.实验原水为受生活污水污染的嘉陵江地表水,运行周期50d,以原膜GDM为对照组,系统考察了对照组和预沉积生物炭组(BC-GDM)的通量稳定性,监测两组装置对浊度、溶解性有机碳(DOC)、UV254、荧光性有机物和氨氮的去除.结果表明,长期运行下预沉积组BC-GDM的稳定通量(4.82L/(m^(2)·h))略高于对照组GDM(4.72L/(m^(2)·h)).对污染物的去除结果表明,BC-GDM体系对浊度和氨氮的去除有些许提高,且加快了氨氮去除的启动过程,同时显著提高了对DOC、UV254和荧光性物质等有机污染物的去除,其中DOC和UV254的平均去除率分别从16.7%和10.0%提高到34.1%和39.9%.实验结果表明,在GDM中预沉积生物炭可以在不影响膜通量的情况下有效改善净水效能.

关键词：重力驱动膜预沉积生物炭稳定通量去污效能

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重力流超滤长期净水效果评价及其清洗方法

环境工程学报 2022年第6期16卷 1797-1806页

作者：刘雷郑雨王岳袁庆科孟颖栾富波山东建筑大学市政与环境工程学院济南250101 中国科学院生态环境研究中心中国科学院饮用水科学与技术重点实验室北京100085 武汉武科善水生态工程有限公司武汉430071 中国科学院大学北京100049

为明确重力流超滤工艺(gravity-driven membrane,GDM)在无清洗、无维护条件下长期运行的通量变化特征及其对雨水的净水效果,对GDM装置进行了为期240 d的运行。结果表明:长期运行的GDM装置可分为3个时期,分别为启动期(0~8 d)、稳定期(9~1... 详细信息

为明确重力流超滤工艺(gravity-driven membrane,GDM)在无清洗、无维护条件下长期运行的通量变化特征及其对雨水的净水效果,对GDM装置进行了为期240 d的运行。结果表明:长期运行的GDM装置可分为3个时期,分别为启动期(0~8 d)、稳定期(9~150 d)和下降期(151~240 d)。GDM装置运行9 d后通量即可保持稳定,在无清洗条件下,最大稳定运行时间可达150 d,其平均通量为(8.85±0.74)L·(m^(2)·h)^(-1)。此外,不同的进水水质因子,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、pH、总有机碳(total organic carbon,TOC)和菌落总数,是影响稳定通量值的关键因素,其影响效应在稳定期和下降期均表现出不同规律。在稳定期内,GDM运行的出水水质较好,雨水中的典型污染物(浊度、色度、TOC和菌落总数)经净化后均达到我国《生活饮用水卫生标准》。而在下降期(151~240 d),膜通量降低至5.37 L·(m^(2)·h)^(-1),且GDM出水中菌落总数存在超标现象,因此,建议在运行150 d后对GDM进行清洗维护,以恢复膜通量和稳定净水效果。此外,通过表面清洗和手动反冲洗即可恢复GDM装置80%的膜通量。综上所述,GDM可稳定净化雨水,长期运行后简单清洗即可恢复大部分膜通量,适用于在我国农村地区推广应用。

关键词：雨水净化饮用水安全重力流超滤稳定通量清洗方法

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重力驱动膜滤技术净水效能优化策略研究进展

环境工程 2023年第9期41卷 10-17页

作者：鹿晓菲余军科马军李军王海东沈阳建筑大学市政与环境工程学院沈阳110168 哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与水环境国家重点实验室哈尔滨150090 沈阳航空航天大学能源与环境学院沈阳110136

重力驱动膜滤技术(GDM)因其运行成本低、出水水质高、通量稳定、无需反洗等优点,在水处理领域尤其是分散型饮用水的安全保障方面展现出显著优势。但GDM稳定通量略低、对部分污染物去除能力有限等缺点限制了其推广应用。基于重力驱动膜... 详细信息

重力驱动膜滤技术(GDM)因其运行成本低、出水水质高、通量稳定、无需反洗等优点,在水处理领域尤其是分散型饮用水的安全保障方面展现出显著优势。但GDM稳定通量略低、对部分污染物去除能力有限等缺点限制了其推广应用。基于重力驱动膜滤技术净水效能优化提升的研究和应用需求,从GDM技术的稳定通量、污染物去除效能、膜污染控制及膜清洗等角度出发,综述GDM效能调控策略的研究进展。讨论了进水水质改善、生物滤饼层结构调控、操作参数优化、膜组件配置、膜材料改性及联用技术在提高GDM净水效能方面的作用,阐述了膜污染控制方法和膜清洗策略,并对围绕GDM技术的科研和实践方向进行展望,可为扩大GDM的使用范围,加速推进GDM技术在水厂等实际工程中的实践应用提供支撑。

关键词：重力驱动膜净水效能稳定通量生物滤饼层膜污染

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折板膜生物反应器膜污染延缓性能及机理研究

折板膜生物反应器膜污染延缓性能及机理研究

作者：张建鹏大连理工大学

学位级别：硕士

膜污染是膜生物反应器亟需解决的关键问题。在浸没式平板膜生物反应器中,作为其核心组成部分的平板式膜组件因具有较低的抗污染性能需要频繁清洗和更换,这会显著增加膜生物反应器的运行成本。膜构型优化可以增强平板膜组件的抗污染能力... 详细信息

膜污染是膜生物反应器亟需解决的关键问题。在浸没式平板膜生物反应器中,作为其核心组成部分的平板式膜组件因具有较低的抗污染性能需要频繁清洗和更换,这会显著增加膜生物反应器的运行成本。膜构型优化可以增强平板膜组件的抗污染能力,但目前通过构型优化设计的膜组件多存在装填密度较低的问题。正基于此,通过平板膜构型优化,设计一种不降低膜组件装填密度、结构简单且能有效减缓膜污染的新型膜组件就显得十分迫切。本研究改进平板膜组件,设计一种新型折板膜组件,以期望通过改善膜面流体力学性能的方式来达到有效减缓膜污染的目的。为此,通过恒压膜过滤实验对折板膜组件的竖直倾角进行优化,应用粒子图像测速(PIV)技术对折板膜面附近的流场特性进行表征,并考察操作条件(曝气强度、酵母悬浮液浓度、跨膜压力、膜间距及曝气位置)对折板膜过滤性能的影响,以期望通过特征参数优化和影响因素考察来最大程度地提高折板膜组件的抗污染性能。此外,还通过折板膜组件在膜生物反应器(MBR)中的恒流短期运行实验考察折板膜组件的抗污染性能和出水效果,以期望为折板膜生物反应器的工程应用提供技术支持。折板膜组件的竖直倾角优化实验表明,相对于平板膜组件,折板膜组件能够大幅提高膜通量,且竖直倾角为15。的折板膜组件能够获得57.7%的最高稳定通量提升幅度。PIV流场测试结果表明,竖直倾角为150的折板膜面存在最大面积的高流速、强湍流以及多旋涡区域,这被认为是竖直倾角为150的折板膜组件能够最大限度延缓膜污染的机理所在。操作条件对折板膜过滤性能的影响实验表明,在本研究所用的操作条件下,较高的曝气强度、较低的酵母悬浮液浓度和较高的过膜压力(TMP)有利于折板膜组件获得较传统平板膜组件更高的稳定通量提升幅度;同时,当膜间距为30 mm时,折板膜组件能够获得10%以上的最高稳定通量提升幅度,且膜组件正下方曝气的稳定通量比侧下方曝气更高。此外,折板膜组件在膜生物反应器中的恒流短期运行实验表明,折板膜生物反应器的TMP上升速率约为平板膜生物反应器的0.4倍,对CODcr和NH4+-N的去除率分别能达到90%以上和80%以上,且其单位产水能耗低于平板膜生物反应器。

关键词：膜污染折板膜构型优化稳定通量流体力学特性

重力流膜滤技术处理西北高寒牧区融雪水的实验研究

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石油化工应用 2024年第10期43卷 109-113页

作者：姜书凡兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070

使用重力流膜滤技术应对西北高寒牧区水源地饮用水中关键水质因子浊度、氨氮以及高锰酸盐指数超标等问题,通过模拟西北高寒牧区冰山融雪水,经过多种重力流膜分离技术的处理,其在保证稳定的通量下,浊度、氨氮以及高锰酸盐指数三个关键水... 详细信息

使用重力流膜滤技术应对西北高寒牧区水源地饮用水中关键水质因子浊度、氨氮以及高锰酸盐指数超标等问题,通过模拟西北高寒牧区冰山融雪水,经过多种重力流膜分离技术的处理,其在保证稳定的通量下,浊度、氨氮以及高锰酸盐指数三个关键水质指标完全符合GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》。

关键词：饮用水安全重力流膜分离稳定通量微污染水高寒牧区