宜兴市污水处理一体化装置

生活污水怎么处理

生活污水是指城市机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，包括洗衣洗澡、厨房洗涤、厕所粪尿等家庭水以及商业、和游乐场所的水等。传统的处理工艺主要 A/O 法、 SBR 法和氧化沟法，但水力停留时间长、反应池占地面积大、存在污泥膨胀、脱氮除磷效率低、污泥产量高的缺点日益突出。膜生物反应器（ MBR ）是一种将传统活性污泥与膜分离技术相结合的水处理反应器系统，既利用了生物处理的效性与*性，又利用了膜分离的透过性与性。与传统工艺相比， MBR 具、设备、活性污泥质量浓、产泥率低、总投资少和自动化程等优点，在住宅小区、城市污水处理污水再生利用中的越来越。然而，膜污染一直是制约其的瓶颈。膜污染不仅缩短膜的使用寿命，而且直接导致抽吸泵压力和曝量增加，造成能耗增加、清洗频繁和增加。膜污染主要 3 个影响因素：膜的性质、污泥性、操作条件。其中，污泥性及操作条件可在装置中改善。而膜的性质主要包括膜材质、亲疏水性、膜孔径大小、粗糙度和电荷性质等。在常用的高分子机膜中，聚偏氟乙烯（ PVDF ）具突出的化学稳定性、耐辐射、抗污染性和易成膜等优点，但其疏水性常导致膜污染和渗透率下降，限制了其在污水处理中的。笔者采用共混改性将纳米 TiO2 颗粒加入铸膜液，利用溶胶凝胶法制备了改性 PVDF 中空纤维膜，并对改性前后膜组件的膜通量及水质处理效果进行了对比。

1 试验部分

1.1 和仪器

： PVDF ，相对分子质量 570 000 ， solf?1015 ，上海联宏新材料科技限；聚乙烯吡咯烷酮， PVP ， BR 级，上海如吉生物科技发展限；纳米，粒径 25 nm ，比表面积（ 50±15 ） ｍ 2/g ，分析纯 P25 ，德德固赛；二甲基乙酰胺， DMAc ，化学纯，药集团化学限。

仪器： PhysicaMCR301 型流变仪，奥地利安东帕； D-8401 型搅拌器，成都浩驰仪器限； NanomanVS 型原子力显微镜，美 Veeco ； JSM-6360LA 型扫描电镜，日本电子株式会社； HARRE-SPCA 型接触角测定仪，北京哈科试验仪器； SHZ- Ⅲ 型循环水式真空泵，上海知信试验仪器技术限。

1.2 PVDF 中空纤维膜的制备

将一定量的纳米 TiO2 加入 DMAc 中，声 30min 使之分散均匀，加入 PVP ，缓慢加入 PVDF ，以免铸膜液起泡，水浴加热，控制温度为 45 ℃ ，搅拌 12 h ，得到稳定的浅黄色或白色（加 TiO2 ）溶胶，原料投加比例如表 1 所示，并用旋转流变仪测定铸膜液黏度。

表 1 铸膜液原料投加比例

铸膜液组分	PVDF/%	TiO 2 /%	PVP/%	DMAc/%
PVDF-0	16	0	14	70
PVDF-1	16	1	14	69
PVDF-2	16	2	14	68

1.3 PVDF 中空纤维膜的性能测试

膜性能测试主要包括膜表面的微观结构表征及水通量测试等。采用原子力显微镜（ AFM ）测定膜表面粗糙度，利用扫描电镜（ SEM ）观察膜断面结构，并以孔隙率、平均孔径、接触角和水通量等作为评价规准，确定纳米 TiO2 投加比例。

1.4 试验装置及条件

试验在自行设计的小试装置中进行，缺氧池尺寸 50 mm×200 mm×400 mm ，效水深 300 mm ，效容积 3 L ，好氧池尺寸 250 mm×200 mm×400 mm ，效水深 300 mm ，效容积 15 L ，水力停留时间 6 h （缺氧池 1 h ，好氧池 5 h ），试验装置如图 1 所示。

好氧池的污泥取自常州武进某污水处理的二沉池回流污泥，在曝量 1 L/min 的条件下闷爆 10 ～ 15 d 左右，进水量由小到大逐渐增加。由于活性污泥及生活污水均取自该，因此活性污泥的适应性较强，很快就达到所需浓度，控制 MLSS 为 2000 ～ 5000mg/L 。过滤压力由循环水式真空泵（压力可调）提供，压力控制在 0.02 MPa ，水温保持在 18 ～ 25 ℃ 。膜组件为 U 型中空纤维模型，效过滤面积均为 0.02 ｍ 2 ，浸没在 15L 好氧池。

分别用膜组件 PVDF-0 、 PVDF-1 、 PVDF-2 处理纯水和生活污水，以测试膜组件的去除效果和膜污染状况，并记录纯水通量 JW 、和污水通量 JR 。

膜通量（ J ）和去除率（ R ）由式（ 1 ）、式（ 2 ）计算。

式中： J—— 纯水或污水的膜渗透通量， L/ （ｍ 2·h ）；

V—— 纯水或污水的渗透体积， L ；

A—— 膜的效过滤面积，ｍ 2 ；

t—— 膜的过滤时间， h ；

R—— 膜对污水中目标物的去除率， % ；

CP 、 CF—— 污水中目标物的进、出水质量浓度， mg/L 。

1.5 原水水质及分析方法

试验原水取自常州市某污水初沉池，原水水质及分析方法如表 2 所示。

表 2 原水水质及分析方法

项目	范围(均值)	分析方法
COD/mg ·L -1	252~394(324)	快速密闭催化消解法
SS/mg ·L -1	110~233(146)	重量法
TN/mg ·L -1	16.4~30.7(26.3)	过酸钾氧化紫外分光光度法
TP/mg ·L -1	2.8~5.6(4.3)	钼锑抗分光度法
NH 3 -N/mg ·L -1	14.6~25.4(21.5)	纳氏光度法
pH	6~8(7.8)	便携式pH计
水温/℃	18~25	水温计

2 结果与讨论

2.1 纳米 TiO2 质量分数对 PVDF 铸膜液黏度的影响

纳米 TiO2 颗粒具高比表面积和强亲水性，但其添加量会影响铸膜液黏度，从而影响溶剂和非溶剂的多相传质及铸膜液的成膜性。不同 TiO2 质量分数对 PVDF 铸膜液黏度的影响如图 2 所示。

由图 2 可见，剪切力为 0.1~100 m/s 的状态下，铸膜液黏度随纳米 TiO2 颗粒的增加而增大。

2.2 纳米 TiO2 质量分数对 PVDF 膜结构的影响

在不同放大倍数下用 SEM 研究 PVDF 中空纤维膜断面结构，如图 3 所示。

PVDF 中空纤维膜是一种特例的非对称性结构膜，其断面主要以指状孔结构和海绵状结构组成，指状孔结构占优点表明膜的渗透性能较强，海绵状结构占优点表明膜的机械强度较好。图 3 （ a ）为 250 倍放大倍数下， 3 种 PVDF 中空纤维膜的 SEM 照片。由图 3 （ a ）可见， PVDF-0 、 PVDF-2 指状孔结构占优点，而且孔较大， PVDF-1 的海绵状结构较多。这是因为添加适当纳米 TiO2 削弱了成膜过程中非溶剂（水） / 溶剂（ DMAc ）的相互扩散速度，发生了延迟相分离，从而效减少了指状孔结构，且形成的指状孔也更加细小。图 3 （ b ）、图 3 （ c ）分别为 1 000 倍和 10000 倍放大倍数下， PVDF 中空纤维膜断面的 SEM 照片。由图 3 （ b ）、图 3 （ c ）可见， 3 种膜断面形成的指状孔结构差别不大，但从海绵状结构中可以清晰看到添加的纳米 TiO2 颗粒。与改性 PVDF 中空纤维膜相比， PVDF-0 断面结构孔隙不均匀，而 PVDF-2 因 TiO2 颗粒过多引起纳米颗粒 “ 团聚 ” 不利于膜孔径要求及膜表面稳定性。

 2.3 纳米 TiO2 质量分数对膜性能的影响

一般来讲，膜表面粗糙度越小说明膜越光滑，抗污染性越好；膜表面动态接触角越小，亲水性越强，水通量越大。对 PVDF 中空纤维膜的微观结构和性能进行表征测试，结果表明：与 PVDF-0 、 PVDF-2 相比， PVDF-1 膜表面具较小的粗糙度和较小的动态接触角，但具较高的孔隙率和水通量，说明适当添加纳米 TiO2 对提高膜的亲水性及抗污染能力较好的效果；膜平均孔径随纳米 TiO2 质量分数的增加而减小，其大小对不同污染物的分离效果所差异，表征测试结果如表 3 所示。

表 3 PVDF 中空纤维膜表征测试结果

项目	粗糙度/nm	/ 接触角/°	孔隙率/%	平均孔径/um	水通量/(L·m -2·h -1 )
PVDF-0	1616	95	66.14	0.018	25.3
PVDF-1	963	83	82.35	0.013	131.5
PVDF-2	1343	89	60.69	0.011	65.3

2.4 不同膜组件处理生活污水的效果对比

将组装好的 3 个膜组件同时安装至调试的好氧池中，采取相同的抽吸方式处理生活污水，污水处理效果如表 4 所示。

表 4 不同膜组件处理后的出水水质

mg/L
项目	COD	SS	TN	NH 3 -N	TP
PVDF-0	21.30	0	10.99	0.16	0.41
PVDF-1	19.66	0	12.47	0.64	0.41
PVDF-2	18.84	0	12.64	0.13	0.31

注：进水 COD 、 SS 、 TN 、 NH3-N 、 TP 分别为323.46 、 233 、 27.03 、 19.78 、 2.37 mg/L 。

由表 4 可见，经不同膜组件处理后出水 COD 、 SS 、 TN 、 NH3-N 、 TP 均符合《城市污水再生利用城市杂用水水质》（ GB/T 18920—2002 ）。

2.5 膜清洗

膜组件在好氧池中 4 h 后水通量开始下降，说明膜污染已渐渐发生。拆下膜组件，先用自来水冲洗，再将其浸泡在 0.5% 次溶液 0.5 h ，用自来水冲洗后测其纯水通量和污水通量，观察清洗效果，

由图 4 可见，清洗后纯水通量基本能恢复， PVDF-0 、 PVDF-1 、 PVDF-2 的恢复率分别为 87.5% 、 95.6% 、 91.9% 。

清洗后污水通量的对比如图 5 所示。

由图 5 可见， PVDF-0 、 PVDF-1 、 PVDF-2 污水通量恢复率分别是 78.8% 、 91.4% 、 85.8% 。 PVDF-1 通量的恢复率高，经过 4h 纯水通量和污水通量依旧高，而 PVDF-2 改性虽效果，但添加的纳米 TiO2 过多会造成成本相对较高，且膜性能测试结果表明过多纳米 TiO2 颗粒会引起 “ 团聚 ” 现象，不利于膜表面亲水性的改善。综合效果， PVDF-1 具较好的价值。

3 结论

（ 1 ）添加适当纳米 TiO2 颗粒降低了膜表面的粗糙度、接触角，提高了孔隙率及 PVDF 中空纤维膜的亲水性。

（ 2 ） 3 个膜组件的出水水质均能达到《城市污水再生利用城市杂用水水质规准》要求，对 SS 的去除率基本接近 ， NH3-N 的去除率也较高，其余出水水质指标去除率也保持在 80% 以上。

（ 3 ） 3 个膜组件中 PVDF-1 的污水通量衰减速度慢，清洗后恢复的污水通量大，说明其抗污染强。

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