膜生物反應器中膜污染的界面熱力學機制及調控研究.pdf

1、膜生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)是在傳統(tǒng)的活性污泥法基礎上增設了膜分離單元的一種新興污水處理技術。雖然MBR技術發(fā)展的時間短，但是在其自身優(yōu)勢（出水質量標準高、投資成本降低和技術認可度提升）和外部大環(huán)境（全球水資源短缺、污水排放立法放標準日益嚴格、中水回用質量要求提高以及現(xiàn)有污水處理廠亟需更新升級）的驅動下，發(fā)展迅速，市場潛力巨大。然而不可避免的膜污染卻帶來了操作上的最大難題:生產(chǎn)率降低，由于空氣和沖刷，增

2、加對能源的需求，需要頻繁的清洗恢復膜的通透性，從而阻礙了其普及和廣泛應用。因此，有必要從膜污染機理層面展開研究，尋求高效的污染控制策略。
　　本課題啟動并運行一個實驗室規(guī)模的浸沒式膜生物反應器400天以上，深入探究了MBR中膜污染潛在機制和影響因素。基于Flory-Huggins高分子溶液理論，本文首次提出一種凝膠污染新機制，具有首創(chuàng)性。并通過XDLVO(Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overb

3、eek)界面熱力學理論分析污泥絮體粒徑、膜表面性質（膜表面電子供體張力分量γ-、zeta電位）等因素對膜污染的影響，從而提出膜污染控制策略。主要研究結果如下:
　　(1)根據(jù)Flory-Huggins高分子溶液理論，凝膠層過濾過程中存在化學勢差。將化學勢差與凝膠層過濾阻力聯(lián)系起來，提出以Flory-Huggins理論為基礎的膜凝膠污染機制，對凝膠污染造成的高過濾阻力的原因進行闡釋。建立數(shù)學模型，并對模型進行擬合，擬合結果與實驗結果

4、高度吻合，模型具有可行性。
　　(2)將瓊脂作為凝膠層形成過程中的多糖模擬物質，開展系列過濾實驗，驗證了Flory-Huggins理論機制的存在的真實性;同時得出高分子的體積分數(shù)（ψ2）和Flory-Huggins相互作用參數(shù)(x)是影響瓊脂凝膠層特性過濾阻力(SFR)的關鍵因素:SFR隨著的ψ2增大而增大，隨著x的增大而減小。而pH和離子強度對凝膠層過濾阻力無影響。本文所提出的新機制還能從結合水的角度來證明:化學勢差使得水結合在

5、聚合物的官能團上，使得整個體系的化學勢最低的，凝膠具有最大限度的熱化學穩(wěn)定性。Flory-Huggins理論能很好的解釋了凝膠層的高過濾阻力得原因，并為探索凝膠層污染機制提供了新的視角。
　　(3)通過研究MBR中污泥的黏附性能及濾餅層的過濾阻力，明確污泥絮體粒度對膜污染的影響。對膜和污泥的表面性質進行表征，發(fā)現(xiàn)膜生物反應器(MBR)中的懸浮液的絮體粒度幾乎都大于1μm。污泥絮體粒度對膜孔阻塞污染沒有明顯且直接的影響。
　　

6、(4)基于XDLVO理論計算出污泥——膜之間的相互作用力，從熱力學角度描述了污泥絮體粘附到膜表面的機制:污泥絮體由遠及近黏附到膜的過程中，存在第二最小能量值和能量壁壘。第二能量最小值的存在顯示污泥有黏附到膜表面形成凝膠層的可能性，但是由于能量壁壘的存在，污泥顆粒絮體要克服能量壁壘才能在膜表面沉積粘附，說明形成濾餅層要經(jīng)歷一個力的作用過程，這個過程是緩慢長期的。
　　(5)探究污泥絮體尺寸對膜和污泥絮體之間的熱力學作用力的影響。同時

7、開展系列過濾實驗，研究污泥絮體尺寸對濾餅層過濾阻力的影響。熱力學分析顯示，膜與污泥絮體之間的特性相互作用能壘會隨著污泥絮體粒徑的減小略微增大，而在接觸時(距離為0.158nm)的吸引力卻大幅提高了，因此小顆粒污泥的黏附性更強。污泥懸浮液中若有生物聚合物組分存在，能顯著提高濾餅層的過濾阻力。這種現(xiàn)象不能用Carman-Kozeny方程解釋，卻可以用滲透壓機制解釋:包括EPSs、SMPs和BPCs在內的生物聚合物組分都有帶負電荷的官能團，由

8、于體系宏觀電中性的規(guī)則，生物高聚物中的反離子被截留在濾餅層中，濾餅層中的水的化學勢比濾液中的水的化學勢要低得多。水從濾餅層中過濾像是從低化學勢的一側拖拽到高化學勢一側，導致滲透壓過濾阻力的產(chǎn)生。滲透壓機制產(chǎn)生的過濾阻力會隨著污泥絮體粒徑的減小而增大。
　　(6)本文基于XDLVO理論對膜——污染物之間界面作用力進行精細數(shù)學建模，結合表面元積分(SEI)法，優(yōu)化了復合Simpson法則的高性能計算方法，系統(tǒng)地評估了三種不同模型（凝膠