本科毕业论文 1万字膜电絮凝反应器处理生活污水研究Word格式文档下载.docx
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1.5本课题研究内容及目的5
2实验材料与方法1
2.1实验材料1
2.1.1实验用水1
2.1.2实验装置1
2.1.3实验试剂与设备2
2.2实验方法3
2.2.1污泥驯化3
2.2.2电絮凝反应阶段3
2.2.3膜生物反应器反应阶段3
2.2.4对比实验3
2.3分析项目及方法4
2.3.1COD的测量4
2.3.2浊度的测量5
2.3.3pH值的测量5
3结果分析与讨论6
3.1运行效果及分析讨论6
3.2电絮凝反应阶段6
3.2.1浊度的去除效果6
3.2.2氨氮的去除效果6
3.2.3COD的去除效果7
3.2.4pH值的变化8
3.3膜生物反应阶段9
3.3.1浊度的去除效果9
3.3.2氨氮的去除效果10
3.3.3COD的去除效果11
3.3.4pH值的变化12
3.4对比试验13
3.4.1浊度的去除效果13
3.4.2氨氮的去除效果13
3.4.3COD的去除效果14
4实验结论16
致谢语17
参考文献18
1引言
1.1研究背景
水资源短缺是21世纪人类面临的最为严重的资源问题。
目前全世界只有1/4人群饮用到合乎标准的清水，1/3的人口得不到安全用水，而且缺水的形势日趋严峻。
我国人口占世界的22%，淡水资源只有世界的7%，人均供水量只有世界人均占有量的1/4。
据统计，我国每年因缺水造成的粮食减产达50多亿公斤，因缺水造成的经济损失达1200亿元，水资源的短缺严重地制约着经济的发展速度。
因此，解决水资源不足，开辟第二水资源-污水回用，是21世纪解决水资源危机的最有效途径。
近几年，水处理领域出现了许多新型的处理方法，其中电絮凝和膜生物反应器以其特殊的多功能性、能效高、自动化程度高等优点，已经成为了研究关注的焦点[1-2]。
但是目前以上两种技术投入在生活污水的处理中的研究还相对较少，主要还是集中在生活污水方面。
而且单独地将电絮凝技术或者是膜生物反应器应用在污水处理方面，效果并不能到达一种相对完美的地步。
关于将电絮凝技术和膜生物反应器相结合处理生活污水比较好也比较成功的一个方法是将电絮凝技术和膜生物反应器二者结合，组成一个集成设备，利用电絮凝技术强化膜生物反应器的处理效果，同时还可以延缓膜污染。
考察了其对pH值、COD、氨氮等的去除效果,并与普通MBR进行了比较,以期为MBR的强化除磷提供一种可行的方法此方法可以被广泛应用于各种有机废水的处理中有很好的应用前景。
1.2生活污水处理现状综述
1.2.1生活污水成分分析
校区生活污水主要由居民日常生活、中小型食堂餐饮及公共卫生服务设施等排放的污水组成。
校区排放的污水主要包括沐浴洗涤废水、粪便水、餐饮废水等。
沐浴洗涤废水有机物和悬浮物浓度相对较低，皂液和洗涤剂较高；
粪便水悬浮物、有机物和细菌浓度较高；
餐饮废水油脂、有机物和悬浮物浓度较高。
污水的主要污染物有SS、COD、BOD、总磷、总氮、动植物油和粪便大肠菌群[3]。
生活污水的主要排放特征是：
外观浑浊；
容易恶化，若不及时处理容易产生臭味和腐败变黑等现象；
水中含有机物和氮磷等营养物质高，可提供微生物增长和繁殖；
一般不含有毒物质，但含有大量细菌、病毒、寄生虫卵等。
1.2.2生活污水处理现状
目前，中水回用的处理方法，一般是按照生活污水的各中污染物含量、中水用途及要求的水质，采用不同处理单元组成的能够达到处理要求的工艺流程。
其处理系统一般由三部分组成：
前期处理，中心处理，后期处理。
前期处理一般是指一级处理（格栅和初沉池）；
中心处理可分为两类，即生物处理技术（活性污泥法或生物膜法）和膜分离技术；
后期处理通常采用滤池、臭氧或二氧化氯氧化、紫外线杀菌、活性炭吸附等进行深度处理。
传统的污水处理技术成熟可靠，但工艺流程复杂，占地面积大，操作管理复杂且技术上存在一定的不足：
二沉池沉淀效率低，污泥生产量大，氯气消毒会产生致癌物且具有一定的臭氧负荷，紫外线杀菌对粪便大肠杆菌的去除效果较差，二氧化氯和臭氧的使用效率受到水质的限制。
因此，寻求一种工艺流程简单、占地面积小、建设费用少、运行成本低、操作管理方便的污水处理技术成为研究者的焦点[4]。
近年来，各种新型高效的污水处理技术应运而生，这些新的技术与传统的生化污水处理工艺相比，具有固液分离效果好、生化效果高、出水水质优、设备集中、占地面积小、污泥浓度高、污泥负荷低、便于管理和自动控制等优点，基本上解决了传统的活性污泥法存在的污泥膨胀、污泥浓度低等因素造成的出水水质问题，在污水处理中有着广阔的前景[5-6]。
1.3电絮凝技术
1.3.1电化学的发展
电化学用于污水处理起源于1889年的英国，美国于1909年申请了铝电极和铁电极用于电絮凝的专利[7]。
电絮凝技术在饮用水方面的应用起源1946年的美国[8]，但是由于相对较高的投资以及昂贵的电费，初期电絮凝技术并没有得到普及。
随着饮用水标准的提高，以及废水排放环境标准的日益严格，电化学技术在世界范围内获得了相当大的重视，其优势在于颗粒去除效率高、集约化的处理设施、运行成本低以及具备全部自控的潜力。
其中铝电极通常用于给水处理而铁电极通常用于废水处理。
目前关于电絮凝技术的实际工业应用的报道目前还不多，这主要是由于电极寿命以及能耗的限制。
随着环境排放标准的日益严格，电化学技术凭借其低运行成本以及高处理效率具有广阔的市场。
研究证明电絮凝技术应用于除磷可以获得90%以上稳定的处理效果[9]。
1.3.2电絮凝技术的机理
电絮凝技术包括从铝电极和铁电极上电解出Al3+和Fe3+作为絮凝剂用于絮凝。
在电解过程中可产生独特的混凝和絮凝环境，电极区域所产生的电解离子具有相当高的活性。
阳极金属离子的解离释放，在产生阳离子的同时并没有同时引入相应的阴离子，而阴离子的存在可影响金属离子氢氧化物的形成。
在水解过程中阴极提供氢氧根离子同时产生氢气，氢气泡有助于将絮凝态的颗粒物上浮至水体表面，这种现象也被叫做电气浮。
同时电场的存在也会对颗粒运动产生影响。
在电絮凝过程中，多级电化学反应以及多电子转移具有很高的复杂性。
在电絮凝的过程中伴随着许多其它的复杂反应，每一种反应都会对电絮凝系统的反应速率起到限制作用[10]。
电絮凝机理主要包括如下两个方面[11]：
（a）吸附－电中和；
通过带正电的水解物质的投加来达到电荷平衡，降低絮凝过程中的静电斥力；
（b）压缩絮凝；
在水解物质的浓度维持在20~50mg·
L-1、pH值在6.2~8.2的条件下，金属离子以氢氧化物的形式沉淀。
当达到等电点的时候，对胶体颗粒的吸附发生。
在沉降过程中，该金属盐氢氧化物将和胶体颗粒一起沉降。
1.3.3电絮凝的影响因素
1.3.3.1电极材料
电絮凝技术中所采用的电极材料通常为铝和铁。
由于铁电极的价格相对便宜，通常将铁电极用于污水处理，铝电极用于给水处理。
当然铝电极同样单独或与铁电极联合使用用于污水处理。
电极可取材于铁或铝的锻造、切割工厂。
在电极的制作和选取中，需要保证没有重金属合金在板材中，同时需要对电极表面进行定期清洗。
当水中有大量Ca2+和Mg2+存在的情况下，阴极材料推荐选用不锈钢。
1.3.3.2电流密度
电絮凝反应器所需的电量取决于所需释放的Al3+和Fe3+数量。
为保证电絮凝系统长时间运行无需维护，电流密度建议控制在20~25A·
m-2，同时定期对电极进行清洗。
电流密度需要和其它参数相结合如pH值，温度和流速以保证较高的电流效率。
电流效率取决于电流密度以及阴离子种类。
在没有已知经验值的情况下，电流密度和电荷负荷可以通过试验确定。
另外电流密度存在一个临界值，当电荷负荷达到临界电流密度的时候，出水水质不会随着电流的增加取得明显的提高[12]。
1.3.3.3pH的作用
pH在水和废水电絮凝处理中的作用体现在影响电流密度和金属氢氧化物的溶度积。
研究发现在酸性和碱性条件下，相同电流产生的电流密度高于中性条件下。
由于电导率的原因，在中性pH值下的能耗最大。
在电导率很高的情况下，pH的影响作用并不显著。
经过电絮凝反应器后的酸性原水pH值将升高[13]碱性原水pH值将下降，从而使pH趋于中性，这是该工艺的优势之一。
酸性原水处理后pH值的升高是因为阴极氢气释放的作用。
阴极氢气释放造成的pH的提高将或多或少的被阳极释放的H+补充。
碱性原水pH的下降是由于氢氧根离子与其它阳离子结合生成沉淀。
1.3.3.4温度
温度对电絮凝效率的影响主要针对铝电极进行了研究。
铝电极的电流效率随温度的升高而升高，在60℃的时候获得最大的电流效率，温度进一步增加，电流效率下降[14]。
电流效率随温度升高而增加是由于铝电极的氧化层的不断破坏。
当温度太高的时候，Al（OH）3胶体的大孔洞出现收缩，导致更为紧密的絮体产生，该絮体更易于沉降在电极表面。
较高的温度提供了较高的电导率因此获得了较低的能耗。
1.3.3.5氯离子的作用
在给水和污水处理中，碳酸盐和硫酸盐离子的存在将导致Ca2+和Mg2+的沉降，并在电极表面形成钝化层。
该钝化层将使得电极间的电压升高，导致了明显的电流密度的下降。
而氯离子的存在可显著降低其它离子如HCO-和SO42-离子的负面作用。
因此可通过投加氯化钠来解决电极钝化问题。
同时氯离子存在情况下有利于电荷的运移，提高水的电导率使电能消耗下降。
在其它阴离子存在的条件下，保证20%的氯离子含量有助于电絮凝的正常运行。
当有氯离子存在的情况下，下列反应将发生：
2Cl−−2e→Cl2（1-1）
Cl2+H2O→HOCl+Cl−+H+（1-2）
HOCl→OCl−+H+（1-3）
同时由电化学产生的次氯酸根离子具有高效的消毒作用[15]。
1.4膜生物反应器介绍与应用
膜生物反应器（Membranebioreactor，MBR），即将膜分离技术与生物反应器相结合的生物化学反应系统。
膜生物反应器的工作原理是生物反应器中的活性污泥对污染物进行生物降解，同时由于膜两侧压力差的作用，水和小于膜孔径的溶液透过膜形成出水，微生物及大分子溶质被膜截留。
膜生物反应器按照其膜组件的放置方式可以分为外置式膜组件和浸没式膜组件；
按照是否需要氧气可以分为厌氧膜生物反应器和好氧膜生物反应器[16]。
在膜生物反应器中，膜组件取代了传统活性污泥法中的沉淀池，同时膜生物反应器实现了水利停留时间和污泥停留时间的分离，保证了反应器中的活性污泥浓度，能够使废水中有机物的生物降解更彻底[17]。
此外膜生物反应器还具有处理效率高，出水水质好，排泥周期长，运行管理简单等优点。
MBR技术实现的水力停留时间和污泥停留时间可分别控制。
膜生物反应器较为重要的单元为膜元件，使用的膜通常为微滤膜或超滤膜。
膜生物反应器由于具有对污染物去除率高，出水水质好且稳定,剩余污泥少等优点，是近年来水处理领域的一研究热点。
而我国对膜生物反应器污水处理工艺的研究起步较晚。
目前，膜生物反应器被广泛应用在生活污水和市政污水的处理上，并且逐渐被应用在了工业废水的处理上，如制药、制革、食品、化工等行业的有机废水处理。
膜生物反应器的出水一般可用在灌溉、洗涤、环卫等非饮用功能上。
目前膜生物反应器出水也向着高质量回用水方向发展。
膜生物反应器在未来水处理领域将有很强的竞争力。
1.5本课题研究内容及目的
本课题的研究内容是以生活污水为研究对象，用电絮凝技术与膜生物反应器相结合的工艺进行处理，同时设计对比实验，研究该工艺对生活污水主要污染指标（浊度、pH、COD）的去除效果。
验证该工艺的优越性。
本课题的研究目的在于应用水处理领域新兴的处理技术和方法，针对目前生活污水整体处理效果不尽理想的情况，找到一个处理生活污水的新工艺，解决生活污水处理问题。
2实验材料与方法
2.1实验材料
2.1.1实验用水
本实验的实验用水采用校区外污水处理厂的废水，配制完成后经过测定，模拟生活污水各项初始指标如表1所示。
表1模拟生活污水水质初始指标
Tab1Theinitialindicatorofsimulationdyeingwastewater
（themethylenebluesolution）
浊度NTU
氨氮mg•L-1
COD值mg•L-1
pH值
98.7
24.54
487.98
7.51
2.1.2实验装置
本实验采用自制电絮凝装置和平板式膜生物反应器组成的集成设备。
自制电絮凝装置如图1所示，将两块长10cm宽6cm厚3mm的铝片与SK1700系列直流单路可调式稳压电源相接，并配以容积为18L的水桶承装生活污水。
电絮凝反应原理是铝片在通过直流电条件下分离出铝离子，三价的铝离子与生活污水中的氢氧根离子反应，生成氢氧化铝沉淀，同时三价的铝离子具有很好的吸附能力，可以有效的去除生活污水中的污染指标。
Al+3e→Al3+（2-1）
2H2O+2e→H2+2OH-（2-2）
4Al+10H2O+O2→4Al（OH）3+4H2（2-3）
图1电絮凝反应设备
Fig.1Theelectrocoagulationequipment
平板式膜生物反应器为三达膜科技（厦门）有限公司生产，型号TG-220型。
该设备充分将生物法和膜技术结合，能对废水中的主要污染物进行有效的处理。
图2平板式膜生物反应器
Fig.2Theflattypeofmembranebioreactor
2.1.3实验试剂与设备
表2实验试剂
Tab2Theexperimentreagent
试剂名称
规格
厂家
NH4Cl
AR500g
汕头市西陇化工厂有限公司
Fe2（SO4）3
硫酸
硫酸银
AR100g
重铬酸钾
汕头市达濠精细化学品公司
硫酸亚铁铵
表3实验设备
Tab3Theexperimentequipment
设备名称
平板式膜生物反应器
TG-220型
三达膜科技（厦门）有限公司
直流单路可调式稳压电源
SK1700系列
上海三科仪器有限公司
微机浊度仪
SGZ-2P型
上海悦丰仪器仪表有限公司
紫外可见分光光度计
725型
上海光谱仪器有限公司
低速离心机
SC-2556型
安徽中科中佳科学仪器有限公司
pH精密酸度计
PB-10型
德国赛多利斯
空气压缩机
ACO-009型
广东海利集团有限公司
电子分析天平
YP601N型
上海精密科学仪器有限公司
TE124S型
双层铁皮电炉
1000W
浙江嘉兴市枫桥电热器厂
2.2实验方法
本实验充分利用了实验室现有条件，对活性污泥进行培养和驯化生活污水，同时设计组装电絮凝设备和平板式膜生物反应器，做小型实验验证该工艺的可行性。
在前期工作准备就绪之后，将生活污水投入电絮凝设备中进行反应，每间隔一段固定时间取水样进行测定，当水样主要测量指标趋于稳定时，电絮凝反应终止。
随后将电絮凝处理过的生活污水用抽吸泵抽入已投加活性污泥的平板式膜生物反应器中进行生化反应，每间隔一段时间取水样进行测定，当水样主要测量指标趋于稳定时，膜生物反应器反应终止。
设计对比实验，将生活污水不通过电絮凝反应直接进入平板式膜生物反应器进行处理，对比两个工艺的处理情况差别，从而验证电絮凝技术与膜生物反应器相结合的优越性。
电絮凝膜生物反应器工艺的最终出水水质指标参照城市污水综合排放标准一级（GB8978-1996）。
2.2.1污泥驯化
污泥驯化开始时将适量干化污泥倒入曝气桶中，并注入适量清水。
利用空气压缩机进行24h不间断曝气，同时取样品测量污泥的COD值，发现污泥COD初始值较高。
整个污泥驯化过程必须保证曝气不间断，直至驯化结束。
2.2.2电絮凝反应阶段
电絮凝反应总历时180min，将10L生活污水倒入自制的电絮凝反应装置中进行反应。
通过前期定性实验发现，当恒流稳压电源电压过低时，电絮凝反应不明显，当横流稳压电源电压过高时，电絮凝反应过于剧烈，导致絮状物由于气浮作用无法沉降，影响效果。
最终确定本次实验时恒流稳压电源电压控制在10V。
反应期间每隔20min对废水进行采样，测量水样的浊度、氨氮、COD值和pH值。
2.2.3膜生物反应器反应阶段
通过电絮凝反应处理的生活污水用抽吸泵导入平板式膜生物反应器中继续反应，膜生物反应器反应阶段采用序批式进水方式，控制曝气量为1L/min。
膜生物反应器反应阶段总历时24h，每隔相应反应时间，通过蠕动泵抽吸出水测量出水的浊度、氨氮、COD和pH值。
2.2.4对比实验
电絮凝膜生物反应器工艺同时，设计一个对比实验。
在处理水样和反应条件相同的情况下，单独应用平板式膜生物反应器对生活污水进行处理，测量浊度、氨氮、COD和pH值，对比分析两个工艺的处理效果差异。
2.3分析项目及方法
2.3.1COD的测量
本实验COD的测量采用重铬酸钾氧化法。
取20.00mL水样，加入10.00mL重铬酸钾标准溶液和沸石，加入30mL硫酸--硫酸银溶液，加热回流2h，冷却后加90mL蒸馏水和三滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定。
标定准确吸取10.00mL重铬酸钾标准溶液于500mL锥形瓶中，加水稀释至110mL左右，缓慢加入30mL浓硫酸，摇匀，冷却后加入3滴试亚铁灵指示液（约0.15mL），用硫酸亚铁铵溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。
测定水样中加如一定量的重铬酸钾和催化剂硫酸银，在强酸性介质中加热回流2h冷却后，用90.00mL水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶。
溶液再度冷却后，加3滴试亚铁灵指示液，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。
测定水样的同时，取20.00mL重蒸馏水，按同样操作步骤作空白实验.记录滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量。
原理：
在强酸性溶液中，准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热回流，将水样中还原性物质（主要是有机物）氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液回滴，根据所消耗的重铬酸钾标准溶液计算水样化学需氧量。
（2-4）
式中：
c—硫酸亚铁铵标准溶液的溶度mg·
L-1
V—硫酸亚铁铵标准溶液的用量mL
（2-5）
c—硫酸亚铁铵标准溶液的溶度，mg·
V0—滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液用量，mL
V1—滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量，mL
V—水样的体积，mL
8—氧（1/20）摩尔质量，g·
mol-1
2.3.2浊度的测量
本实验浊度的测量采用SGZ-2P型微机浊度仪测量。
（2-6）
—浊度去除率，%
B0—初始浊度，NTU
B1—测定浊度，NTU
2.3.3pH值的测量
本实验pH的测量采用PB-10型pH精密酸度计测量。
3结果分析与讨论
3.1运行效果及分析讨论
整个过程开始于2011年12月20日，结束于2012年1月05日，经过污泥驯化。
并且进行活性污泥法处理的对照试验，测定出水的COD、pH值和浊度的变化，以确定生活污水中浊度、氨氮和COD的去除效果。
3.2电絮凝反应阶段
3.2.1浊度的去除效果
生活污水的初始浊度为98.7NTU，在电絮凝装置中的反应过程中，如图3所示，随着反应的进行生活污水的浊度下降明显，当反应时间到达80min后生活污水的浊度在2.4
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