膜生物反應(yīng)器中膜污染的界面熱力學(xué)機(jī)制及調(diào)控研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)是在傳統(tǒng)的活性污泥法基礎(chǔ)上增設(shè)了膜分離單元的一種新興污水處理技術(shù)。雖然MBR技術(shù)發(fā)展的時(shí)間短，但是在其自身優(yōu)勢(shì)（出水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、投資成本降低和技術(shù)認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格、中水回用質(zhì)量要求提高以及現(xiàn)有污水處理廠亟需更新升級(jí)）的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)展迅速，市場(chǎng)潛力巨大。然而不可避免的膜污染卻帶來(lái)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(duì)能源的需求，需要頻繁的清洗恢復(fù)膜的通透性，從而阻礙了其普及和廣泛應(yīng)用。因此，有必要從膜污染機(jī)理層面展開(kāi)研究，尋求高效的污染控制策略。
　　本課題啟動(dòng)并運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器400天以上，深入探究了MBR中膜污染潛在機(jī)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(jī)制，具有首創(chuàng)性。并通過(guò)XDLVO(Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overb

3、eek)界面熱力學(xué)理論分析污泥絮體粒徑、膜表面性質(zhì)（膜表面電子供體張力分量γ-、zeta電位）等因素對(duì)膜污染的影響，從而提出膜污染控制策略。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)根據(jù)Flory-Huggins高分子溶液理論，凝膠層過(guò)濾過(guò)程中存在化學(xué)勢(shì)差。將化學(xué)勢(shì)差與凝膠層過(guò)濾阻力聯(lián)系起來(lái)，提出以Flory-Huggins理論為基礎(chǔ)的膜凝膠污染機(jī)制，對(duì)凝膠污染造成的高過(guò)濾阻力的原因進(jìn)行闡釋。建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)程中的多糖模擬物質(zhì)，開(kāi)展系列過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Flory-Huggins理論機(jī)制的存在的真實(shí)性;同時(shí)得出高分子的體積分?jǐn)?shù)（ψ2）和Flory-Huggins相互作用參數(shù)(x)是影響瓊脂凝膠層特性過(guò)濾阻力(SFR)的關(guān)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(qiáng)度對(duì)凝膠層過(guò)濾阻力無(wú)影響。本文所提出的新機(jī)制還能從結(jié)合水的角度來(lái)證明:化學(xué)勢(shì)差使得水結(jié)合在

5、聚合物的官能團(tuán)上，使得整個(gè)體系的化學(xué)勢(shì)最低的，凝膠具有最大限度的熱化學(xué)穩(wěn)定性。Flory-Huggins理論能很好的解釋了凝膠層的高過(guò)濾阻力得原因，并為探索凝膠層污染機(jī)制提供了新的視角。
　　(3)通過(guò)研究MBR中污泥的黏附性能及濾餅層的過(guò)濾阻力，明確污泥絮體粒度對(duì)膜污染的影響。對(duì)膜和污泥的表面性質(zhì)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)膜生物反應(yīng)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(duì)膜孔阻塞污染沒(méi)有明顯且直接的影響。
　　

6、(4)基于XDLVO理論計(jì)算出污泥——膜之間的相互作用力，從熱力學(xué)角度描述了污泥絮體粘附到膜表面的機(jī)制:污泥絮體由遠(yuǎn)及近黏附到膜的過(guò)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(shuō)明形成濾餅層要經(jīng)歷一個(gè)力的作用過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是緩慢長(zhǎng)期的。
　　(5)探究污泥絮體尺寸對(duì)膜和污泥絮體之間的熱力學(xué)作用力的影響。同時(shí)

7、開(kāi)展系列過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，研究污泥絮體尺寸對(duì)濾餅層過(guò)濾阻力的影響。熱力學(xué)分析顯示，膜與污泥絮體之間的特性相互作用能壘會(huì)隨著污泥絮體粒徑的減小略微增大，而在接觸時(shí)(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(qiáng)。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(guò)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(jī)制解釋:包括EPSs、SMPs和BPCs在內(nèi)的生物聚合物組分都有帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，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(xué)勢(shì)比濾液中的水的化學(xué)勢(shì)要低得多。水從濾餅層中過(guò)濾像是從低化學(xué)勢(shì)的一側(cè)拖拽到高化學(xué)勢(shì)一側(cè)，導(dǎo)致滲透壓過(guò)濾阻力的產(chǎn)生。滲透壓機(jī)制產(chǎn)生的過(guò)濾阻力會(huì)隨著污泥絮體粒徑的減小而增大。
　　(6)本文基于XDLVO理論對(duì)膜——污染物之間界面作用力進(jìn)行精細(xì)數(shù)學(xué)建模，結(jié)合表面元積分(SEI)法，優(yōu)化了復(fù)合Simpson法則的高性能計(jì)算方法，系統(tǒng)地評(píng)估了三種不同模型（凝膠