尿液膜蒸餾性能評估與膜污染機制思考

論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:vicky 點擊次數:
論文字數:41255 論文編號:sb2021082220371037046 日期:2021-09-01 來源:碩博論文網
本文以實際尿液為研究對象,采用 MD 技術進行尿液廢水的處理,分析了尿液存儲過程中的性質變化,重點研究了 MD 裝置工藝參數的優化及 MD 性能評估,探討了 MD 膜污染形成特征及清洗措施,以期為高濃高鹽廢水的處理與研究提供技術支撐。

第 1 章 緒論

1.1  研究背景
隨著深空探測及載人航天項目的快速發展,空間站及月球基地建設已成為我國載人航天的重大戰略目標[1]。但在空間運行任務中,若長期性的地面供給消耗性資源,如水和氧等,則會產生巨大的運輸及維修費用,因此資源的回收與利用勢在必行[2]。為實現這一目標,降低地面后勤的負擔,為航天員提供水、氧、食物等必不可少的生活用品,可實現物質循環和食物自給自足的再生式密閉生保系統(CELSS)得到了廣泛關注。其中,廢水處理與回用單元是關鍵部分之一。CELSS中,廢水有包括 CO2 還原產水,降溫除濕冷凝水,生活廢水及尿液。其中尿液成分復雜,性質不穩定,含有多種有機物和無機物,包含尿素、氯化鈉、氮磷等多種污染物,是  CELSS 廢水處理環節中較為復雜及重要的一環,為此,美、俄等國家進行了大量的研究,以提高水回收率,降低系統能耗等[3]。
目前  CELSS  中廢水的主要處理思路有兩種:一是和其他廢水混合處理,二是源分離單獨處理。混合處理顯著增加廢水中 N、P 及其他污染物的含量,增加系統的處理負荷,考慮空間和載荷的限制,尿液源分離處理是當前空間站尿液處理的主要策略。針對尿液廢水組成復雜,性質多變,尤其是含有高濃度的 N、P,例如,10%的尿液廢水可貢獻市政廢水中約 80%的 N 和 50%的 P 等,還含有 NaC l、尿素及各種酸等污染物,目前的處理方法主要是基于熱法和膜法的源分離處理工藝,實現尿液的水回用[4]。近年來,空間站應用的尿液源分離的處理技術如電化學、鳥糞石結晶、生物處理技術、生態處理技術等得以研究[5-7]。但是,處理效能顯著降低,存在能耗高、效率低和結垢腐蝕等問題,需要較多的地面物質補給,顯著提高了荷載和占用空間。因此,高鹽、高有機物濃度、高 NH4+-N 廢水的處理仍然是水處理中的重要挑戰,研發高效、低荷載且低能耗的新型尿液處理技術是長期空間系統研發的重點。
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1.2  尿液處理研究與進展
1.2.1  尿液來源與用途
尿液是指從人體血液中滲濾出來的尿素、尿酸、無機鹽等復雜液體,健康成年人的尿液排放量為 1-1.5L/d。尿液中含有 90%的水分及其他各種高濃度的 N、P、K 等營養元素,在實現水回用及營養物質回收等方面具有良好的應用前景。回用水符合農業灌溉水質標準 GB5084-92,可用于灌溉農田等;回收的 N、P 等營養物質可用作植物生長所需要的氮肥、磷肥等,實現資源再利用。
1.2.2  尿液性質
尿液成分復雜,除水分外,還包括了各種無機鹽和有機物等(具體見表 1-1),其中含有:K+:863-2250mg/L,Na+:508-3730mg/L,Cl-:3000-5346mg/L,NH4+-N:254-7100mg/L,總有機碳(TOC):4506-6090mg/L,尿素:5810-8750mg/L,屬于典型的高鹽、高氨氮和高有機物廢水[11]。其中 N 的濃度和形態隨著儲存時間變化,新鮮尿液中 N 主要以尿素的形態存在,但其在細菌和脲酶作用下會進行水解,使得 pH 升高(4.88-9.3),NH4+-N 濃度增加,進而導致產生磷酸氨鎂(MAP)、羥基磷灰石等沉淀[12-14]。其次尿液性質不穩定,其成分隨人群、地域等表現出明顯的差異。且人體代謝的藥物中也可通過尿液排出,因此尿液是水處理的重點及難點。尿液儲存一定時間后會生成沉淀堵塞管道,且容易滋生細菌,具有一定的生態風險。
1.2.3  尿液處理現狀
尿液廢水中的 N、P 等營養物質經濃縮后可進行二次循環利用,因此同時具有資源性和污染性的尿液廢水更應注意高效處理和有效回收。目前,對于尿液處理集中在水回用或 N、P 回收兩方面。
傅金祥等[15]采用含磷活性污泥促進尿素水解,同時通過外源物質 Mg2+的投加實現 MAP 沉淀,以回收尿液中的 N、P 等營養物質,實驗過程中 NH4+-N 去除率為 92.5%,磷酸鹽(PO43--P)的截留率高達 90%。劉乾亮等[16]采用正滲透(FO)處理尿液,控制汲取液的濃度為 2  mol/L 時,產水通量為 6  kg/(m2·h);同時,FO 也實現了尿液中污染物的高效截留,其中 TOC、總氮(TN)和 NH4+-N 的截留率均高達 98.5%,實現了水的高效回用。因此采用不同的方法處理均可實現尿液廢水的高效處理與回用,實現資源再利用。
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第 2 章  實驗方案

2.1  實驗材料和試劑
尿液主要來源于某固定成年男性。常規指標測試方法見表 2-1,實驗中所用試劑有抗壞血酸、鉬酸胺、酒石酸鉀鈉、MH4Cl(分析純,國藥集團化學試劑有限公司);過硫酸鉀(分析純,上海優耐德引用發劑有限公司);納氏試劑(哈希,中國);KNO3(分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司);氨基磺酸、Na2CO3、尿素(分析純,西隴科學股份有限公司);福林酚(滬試,國藥集團化學試劑有限公司);安替比林、二乙酰一肟(分析純,上海三愛思有限公司)等。預處理試劑包括濃 H2SO4(優級純,國藥集團化學試劑有限公司)、椰殼活性炭(比表面積 566.5 m2/g,河南環盛炭業有限公司)和陶瓷膜(孔徑 1 μm,博鑫精陶環保公司
膜清洗所用試劑分別為:質量分數為 0.5%的 HCl,質量分數為 2%的檸檬酸,500mg/L 的 NaClO,質量分數為 0.1%的 NaO H(均為分析純,西隴科學股份有限公司)。 
表 2-1  常規指標分析方法
表 2-1  常規指標分析方法
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2.2  實驗方法
2.2.1  尿液存儲過程性質變化監控
實驗設置 4 個批次:A 組為不進行任何處理的尿液原液;B 組采用濃 H2SO4調節  pH 為 2;C 組采用陶瓷膜預處理,恒定通量模式,通量為 10 mL/min;D  組采用活性炭進行吸附,50 mL 新鮮尿液中加入 2 g 的活性炭,振蕩培養箱(MQD-S3R,上海旻泉儀器有限公司)振蕩吸附,吸附溫度為 25  ℃,轉速為 150  r/min,吸附時間設置為 24  h,以實現吸附平衡,靜置沉淀 10  min,取上清液備用。各取 50  mL預處理后的尿液于錐形瓶中,進行為時 22  d 的連續監測與水質分析,每組實驗重復兩次。
2.2.2  尿液膜蒸餾研究
實驗中搭建的 MD 裝置見圖 2-1,為考察工藝參數對 MD 的影響,開展短期MD 實驗。為考察進料側溫度對 MD 性能的影響,滲透側溫度控制為 20 ℃,分別調整進料側溫度為 35-65 ℃,同時保持冷熱兩側流速為 0.4 和 0.6 L/min;為考察流速對 MD 的影響,分別調整膜兩側流速為 0.4-0.6 L/min,同時控制冷熱兩側溫度為20 和 55 ℃;為考察膜材料對實驗的影響,分別采用 0.22 μm 的 PTFE、PVDF、PP疏水膜進行實驗,冷熱兩側流速和溫度分別控制為 0.4、0.5 L/min 和 20、55 ℃。工藝參數實驗每個條件運行 4-6 h,按照 10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h 等定時記錄產水量和電導,PTFE 膜的有效面積為 0.0075  m2。滲透通量和鹽截留率如下進行計算。
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第 3 章  尿液存儲過程性質變化及機理研究........................22
3.1  結果與討論.........................22
3.1.1 N、P 在存儲過程中的變化.........................22
3.1.2 DOM 在存儲過程中的變化.........................22
第 4 章  尿液 MD 的性能評估.........................25
4.1  結果與討論.........................25
4.1.1 MD 工藝參數優化.........................25
4.1.1.1  溫度對 MD 的影響.........................25
4.1.1.2  流速對 MD 的影響.........................25
第 5 章  尿液 MD 過程污染物的削減特征.........................36
5.1  結果與討論.....................36
5.1.1  尿液 MD 過程 P 的變化特征.....................36
5.1.2  尿液 MD 過程 DOM 的變化特征.....................36

第 6 章  膜污染控制機制研究

6.1  結果與討論
6.1.1  污染膜形貌分析
圖 6-1 污染膜表面的 SEM 圖
圖 6-1 污染膜表面的 SEM 圖 
為分析污染后的膜表面形貌,采用FE-SEM對污染膜進行觀察。由圖6-1可知,經三種預處理后的尿液 MD 的膜表面污染程度較重,膜表面富集有大量的顆粒物和絲狀物質,部分顆粒物較大甚至出現了類似晶體狀物質,可能是尿液中的無機鹽和有機物在膜表面沉積所致。但不同預處理方式和不同方向的膜的污染差異也較大,按進料方向對污染膜進行分解,依次劃分為上、中、下三個位置,并進行膜污染分布特征的考察。膜進口處即膜的上部分因濃水流速的沖擊,膜污染程度相對較輕;膜出口處也就是膜的下部分,污染物因流速的下降而沉積,膜污染程度最為嚴重。此外,尿液 MD 的膜表面多為膠連狀態的聚集性污染物,使得膜孔幾乎被完全堵塞,從而降低產水通量;經陶瓷膜預處理的尿液 MD(MD-T)的膜表面附著一層污染物,多為片狀結晶和無定型的污染物,可能是尿液 MD 在運行過程中的鹽結垢;但其孔間距略大于尿液 MD 的污染膜膜孔,進一步驗證了陶瓷膜預處理可有效去除尿液中的污染物,使得 MD-T 的運行時間更長,膜的使用壽命更久。而加酸預處理的尿液 MD(酸+MD)被一層不規則且粗糙的污染物附著,主要呈現松散堆疊狀,其孔間距更大,因此產水通量最高。進一步研究發現,各個污染膜上都存有密集的桿狀或短桿狀物質,表明污染膜上有微生物生長,即存在一定程度的微生物污染。
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結論與建議

結論
本論文面向空間站廢水處理與應用,針對 CELSS 中有限空間及荷載、能耗高等問題,系統的進行了 MD 處理尿液廢水的研究,并以陶瓷膜、濃 H2SO4 等作為預處理進行批次實驗。本文以實際尿液為研究對象,采用 MD 技術進行尿液廢水的處理,分析了尿液存儲過程中的性質變化,重點研究了 MD 裝置工藝參數的優化及 MD 性能評估,探討了 MD 膜污染形成特征及清洗措施,以期為高濃高鹽廢水的處理與研究提供技術支撐。得到的主要結論如下:
(1)針對尿液在存儲過程中的性質易變的問題,采取不同的預處理方式,以考察尿液在存儲過程中的性質變化特征及機制,結果表明:尿素分解使得 pH 升高、NH4+-N 累積,進而促進磷酸鹽沉淀的生成及其向鳥糞石沉淀的轉換。同時,酸預處理通過抑制尿素的水解實現尿液性質的穩定,陶瓷膜和活性炭預處理則通過過濾和吸附作用實現對 DOM 特別是外源性有機物的有效去除。因此尿液在存儲過程中,尿素、蛋白類物質及低分子有機物含量降低,而芳香性有機物濃度升高。
(2)尿液 MD 可實現穩定產水和高污染物截留率,但膜污染與膜潤濕是 MD運行過程中的重大阻礙,采用 MD 處理尿液廢水,進行工藝參數的優化及 MD 性能的評估,并采取適當的預處理以緩解膜污染水平,研究發現:尿液的最優操作條件為控制冷、熱兩側流速 0.4 和 0.5 L/min,兩側溫度 20 和 55 ℃;MD 連續實驗中,對 TOC、P 和鹽類的截留率分別可達到 92%、99%和 99.1%,具有明顯的污染截留效率。簡單的膜清洗可實現 MD 的長期穩定運行,但適當的預處理可在減少清洗頻率的基礎上減緩膜污染,實現 MD 的長期運行。
(3)為考察尿液 MD 過程中污染物的削減特征,分析了 P 類物質和 DOM 的變化情況,系統地闡明了 N 的存在形態及分布特征。結果表明:尿液中含有高濃的 N 元素,溶解態有機氮為主要的存在形態。MD 處理可高效截留 P 類物質,陶瓷膜預處理對 P 和腐殖質類有機物都有較好的去除效果,經 MD-T 處理后,滲透側的有機物主要以蛋白類物質為主。
參考文獻(略)

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