（环境工程专业论文）xdlvo理论解析溶解性微生物产物微滤膜污染机制.pdf

原创性声明 本人关隧重声明：彦程至蚕g 匀肖勿c i 2 敝，是本人茗e j 导师睁羽訾导下，貔k 立杰师研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容夕 ，本论文不包含任何其他个人 或集体已经毵耘姑鬈菲措睇橱蹦澡。对本文i 珈刃究作出重要贡献的个人和集 体均已在文中以明确防爿棚。席声明的法律责任由本人辱扫。 一，f 论蝌徽：圭坐e l 期：2 2 垒! 羔。is 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学瘸乡褓留、使用学l 位娩皮的颊窿，同意学校保留或 向国家有关都门或机构送安蚊的复印件和电子版，允许论文被圣阅和借阅； 本人授权山东大与坷眺盼栏剃赫幻瑚鲻醋阿瑚j 分内容编入有关数据摩逆圣f 亍检 索，可绷影印、缩印藐斟嵫貅孵锻保存迦妇硼豸衬酵位论文。 淼：王0 黜：型l 日期：卫乜姐 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要 a b s t r a s t 第章文献综述1 1 1 引言一 1 2 膜生物反应器 1 2 1 概述一一一一一1 1 2 2 研究现状一3 1 2 3 膜材料一一3 1 2 4 膜污染一4 1 2 5 膜清洗方式9 1 3 溶解性微生物产物一一一10 1 3 1 溶解性微生物产物的概念和分类一1 0 1 3 2 研究现状 1 4 微滤膜溶解性微生物产物污染机理一1 2 1 4 1 研究现状 1 4 2 存在的问题一一13 1 5 研究目的和内容一 1 5 1 研究目的一 1 。5 。2 研究内容一 第二章实验材料与方法一 2 1x d l v o 理论 2 1 1x d l v o 理论的发展过程 r - r 14 2 1 2x d l v o 理论15 2 2 测试项目及方法一 2 2 1 接触角一 2 2 2z e t a 电位 1 7 2 2 3 傅里叶变换红外光谱一18 山东大学硕士学位论文 2 2 4 原子力显微镜a f m 2 3 实验材料 2 4 粒径和粘度 2 5 膜污染与清洗实验 2 6 膜阻力与膜污染趋势分析方法 2 7 过滤过程的分段 第三章微滤膜海藻酸钠膜污染机理的研究 3 1 海藻酸钠与膜面性质 3 1 1 分子式、接触角和z e t a 电位 3 1 2 膜面粗糙度和傅里叶变换光谱( f t i r ) 3 1 3 海藻酸钠与膜面的表面性质 3 1 4 粒径分布 3 1 5 粘度 3 2 海藻酸钠膜过滤实验及污染机理 3 2 1 过滤实验 3 2 2 过滤过程分段 3 2 3 污染趋势与界面相互作用能的拟合 3 3 膜清洗实验及机理 3 3 1 物理清洗及化学清洗机理 3 3 2 物理清洗与化学清洗阻力去除率 3 4 小结 第四章微滤膜牛血清蛋白( b s a ) 膜污染机理的研究 4 1b s a 性质与膜性质 4 2 b s a 膜过滤实验一 4 3 膜清洗实验及机理 4 4 小结 一一4 5 第五章结论及建议一 5 1 结论 5 2 建议 参考文献 一4 8 - - 一- - - 一一一- 一一- - - - 一- - - - 一- - - - - 一- 一- 一一- - - - - 一5 3 9 9 9 0 2 4 4 4 5 6 o o o 0 1 4 6 6 o 2 3 3 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 山东大学硕士学位论文 致谢一5 9 攻读学位期间发表论文情况一6 0 山东大学硕士学位论文 c o n te n t s c l l i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a s t 一一一一一i i i c h a p t e rir e v i e wo f r e l a t e dl i t e r a t u r e - 一- 1 1 1 i n t r o d u c t i o n 一一l 1 2m e m b r a n eb i o r e a c t o r 一- 1 1 2 1s u m m a r i z e - 一 1 2 2r e s e a r c hs t a t u s 一3 1 2 3m e m b r a n em a t e r i a l - - 3 1 2 4m e m b r a n ef o u l i n g 1 2 5m e m b r a n ec l e a n i n g 一一9 1 3s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t - - - - - - - - - - - - - 1 3 1c o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no fs m p 1o 1 3 2r e s e a r c hs t a t u so fs m p 1 4 f o u l i n gm e c h a n i s mo fs m p 1 1 1 4 1r e s e a r c hs t a t u so fs m p f o u l i n gm e c h a n i s m - 12 1 4 2p r o b l e mo fs m p r e s e a r c h 一1 3 1 5 p u r p o s ea n dc o n t e n t so ft h er e s e a r c h 1 5 1r e s e a r c hp u r p o s e - l4 1 5 2r e s e a r c hc o n t e n t s 一 c h a p t e ri im a t e r i a l sa n dm e t h o d s 一一l 5 2 1x d l v ot h e o r y 一l5 2 1 1d e v e l o p m e n tp r o c e s so fx d l v 0t h e o r y 一l5 2 1 2x d l v o t h e o r y 一一15 2 2 e x p e r i m e n ta n dm e t h o d 17 2 2 1c o n t a c ta n g l e - 17 2 2 2z e t ap o t e n t i a i - l8 2 2 3f i t r 一一一l8 2 2 4a f m 一一一一一19 2 3 e x p e r i m e n tm a t e r i a l s l9 2 4p a r t i c l es i z ea n dv i s c o s i t y 19 2 5m e m b r a n ef o u l i n ga n dc l e a n i n ge x p e r i m e n t 19 v 山东大学硕士学位论文 2 6 a n a l y t i c a lo fm e m b r a n e r e s i s t a n c ea n df o u l i n gp o t e n t i a l - 2 7 s t a g eo ff i l t r a t i o np r o c e s s c h a p t e ri i im e c h a n i s mo fm f m e m b r a n ef o u l i n gb ya l g i a n t e ， 3 1c h a r a c t e ro fa l g i a n t ea n dm e m b r a n e s 3 1 1f o r m u l a ，c o n t a c ta n g l ea n dz e t ap o t e n t i a l 3 1 2r o u g h n e s sa n df t i r 3 1 3s u r f a c ec h a r a c t e ro fa l g i n a t ea n dm e m b r a n e s 3 1 4p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n 3 1 5v i s c o s i t y 3 2f i l t r a t i o ne x p e r i m e n to fa l g i a n t e 3 2 1f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t 一 3 2 2d i v i s i o no f t w os t a g e s 3 2 3c o r r e l a t i o no ff o u l i n gp o t e n t i a la n df r e ee n e r g y - - 3 3 e x p e r i m e n ta n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n ec l e a n i n 3 3 1m e c h a n i s mo fb a c k w a s h i n ga n dc h e m i c a lc l e a n i n g 3 3 2r e s i s t a n c er e m o v a lo fm e m b r a n ec l e a n i n g 一 c h a p t e ri vm e c h a n i s mo fb s a m fm e m b r a n ef o u l i n g 4 1c h a r a c t e ro fb s aa n dm e m b r a n e 3 4 一一3 6 4 2f i l t r a t i o ne x p e r i m e n to fb s a - - - - - 4 3 e x p e r i m e n ta n dm e c h a n i s mo fm e m b r a n ec l e a n i n g 4 4 s u m m a r y 3 6 4 0 4 2 4 3 4 3 c h a p t e rv c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s - 5 1c o n c l u s i o n s 5 2 s u g g e s t i o n s r e f e - r e n c e - - - - - a c k n o w l e d g e m e n t s p u b l i s h e dp a p e r s 4 5 4 8 4 9 5 1 5 2 5 9 o 2 4 4 4 5 6 o o d d 力 z 2 2 2 2 2 3 3 3 3 山东大学硕士学位论文 中文摘要 膜污染严重限制了微滤膜的广泛应用，而溶解性微生物产物( s m p ) 作为一 种主要污染物，在膜过滤的过程中能够造成严重的不可逆污染。用e x t e n d e d d e r j a g u i n l a n d a u v e r w e y o v e r b e e k ( x d l v o ) 理论定量解析s m p 微滤( m f ) 膜污 染过程中的界面相互作用，探究不同溶液p h 对s m p 微滤膜污染的影响，以及 三种界面相互作用在s m p 微滤膜污染中所起的作用。 研究结果表明，对海藻酸钠来说，在实验所涉及到的p h 范围内，三种界面 自由能中，在粘附阶段和粘聚阶段，极性力界面自由能( a g a b ) 都起主导作 用，决定总界面自由能的正负性质。范德华力界面自由能( a g l w ) 绝对值较 小，静电力界面自由能( a g e l ) 绝对值最小，对膜污染影响微弱。所以，可推 断g a b 的改变对p h 影响系统界面自由能起主导作用。疏水性的聚偏氟乙烯 ( p v d f ) 膜与海藻酸钠之间的作用是引力作用，而亲水性的聚醚砜( p e s ) 膜 与海藻酸钠之间的作用是斥力作用，从而导致了物理清洗中p e s 膜的阻力去除 率高于p v d f 膜。 p h 主要通过改变极性作用力自由能影响微滤膜的海藻酸钠污染行为，对同 一种膜，在粘附阶段，随p h 值升高，占主导作用的极性力作用能a g n o a b 升高， 从而使得总作用能g a d t a t 升高，表现为微距作用范围内界面间的引力减弱， 斥力增强。在粘聚阶段，随p h 升高，藻酸钠的亲水性增强导致占主导作用的极 性力作用能, a g c o a b 升高，藻酸钠与藻酸钠之间的粘聚作用能a g t o t 升高。不 同p h 下的同一种膜的海藻酸钠过滤实验粘附阶段污染趋势( k ) 为p h5 p h7 p h 8 p h9 ，这与膜海藻酸钠之间的粘附自由能( a g a 0 阳1 。) 有较好的相关性。粘聚 自由能( a g c o t 0 1 ) 则与过滤实验的粘聚阶段的膜污染趋势有较好的相关性。粘 附自由能为引力的p v d f 膜的不可逆污染更为严重，而且不可逆污染主要发生在 粘附阶段。这说明x d l v o 理论可以预测微滤膜的海藻酸钠污染趋势。 对b s a 来说在实验所涉及到的p h 范围内，三种界面自由能中，在粘附阶 段和粘聚阶段，极性力都起主导作用，决定总界面自由能的正负性质。范德华力 界面自由能绝对值较小，静电力界面自由能绝对值最小，对膜污染影响微弱。所 山东大学硕士学位论文 以，可推断极性力作用能的改变对p h 影响系统界面自由能起主导作用。p h 主 要通过改变极性作用力自由能影响微滤膜的b s a 污染行为，对同一种膜，在粘 附阶段，在不同的溶液p h 条件下，占主导作用的极性力作用能变化规 律为p h l0 p h 7 p h 3 p h 4 7 ，从而使得总作用能a g a d m l 也具有相同的变化规 律，表现为微距作用范围内p h 4 7 时界面间的引力最强，斥力最弱，p h1 0 时界 面间的引力减弱，斥力增强。在粘聚阶段，b s a 的亲水性随p h 的变化导致占主 导作用的极性力作用能x g c o a b 的变化规律为p i l l 0 p h 7 p h 3 p h 4 7 ，当p h 4 7 时，a g c o a b 最低，b s a 与b s a 之间的粘聚作用能g c 也最低。根据粘附 自由能和粘聚自由能预测的膜污染趋势分别与过滤实验的粘附阶段和粘聚阶段 的膜污染趋势有较好的相关性，这说明x d l v o 理论可以预测微滤膜的b s a 污 染趋势。粘附自由能为引力的p v d f 膜的不可逆污染更为严重，而且不可逆污染 主要发生在粘附阶段。 关键词：微滤膜；膜污染；x d l v o 理论；溶解性微生物产物 山东大学硕士学位论文 a b s t r a s t m e m b r a n ef o u l i n gr e s t r i c t st h ea p p l i c a t i o no fm fm e m b r a n e ，a n ds o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c tw a sak i n do ff o u l a n tw h i c hc a u s e si r r e v e r s i b l ef o u l i n gi nt h em f m e m b r a n ef i l t r a t i o n i no r d e rt os t u d yt h er o l eo fi n t e r f a c i a li n t e r a c t i o n si nt h em f m e m b r a n ef o u l i n g ，t h ex d l v ot h e o r yw a su s e dt oc a l c u l a t et h ei n t e r r a c i a lf r e e e n e r g y o fm e m b r a n e - f o u l a n ta n df o u l a n t f o u l a n t ，a n dt h em e m b r a n ef i l t r a t i o n e x p e r i m e n tw a sa l s op e r f o r m e d ，w i t ht h ev a r i e ds o l u t i o np h f o ra l g i n a t ef o u l i n g ，i nt h ep he x t a n ti n v o l v e db yt h ee x p e r i m e n t ，a m o n gt h e t h r e ei n t e r a c t i o n s ，t h ea bi n t e r f a c i a lf r e ee n e r g y ( a g m ) p l a y sad o m i n a t er o l eo n m e m b r a n e a l g i n a t ei n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yo fa d h e s i o na n da l g i n a t e a l g i n a t ei n t e r f a c i a l f r e ee n e r g yo fc o h e s i o n ，a n dd e t e r m i n e st h ea t t r a c t i v eo rr e p u l s i v ec h a r a c t e ro ft h e t o t a li n t e r f a c i a le n e r g y t h ea b s o l u t ev a l u eo fl wi n t e r f a c i a lf r e ee n e r g y ( a g l w 、i s m i n o r , a n dt h ea b s o l u t ev a l u eo fe li n t e r f a c i a lf r e ee n e r g y ( a o e 、i sm i n i m u m a sa r e s u l t ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea bi n t e r a c t i o np l a y sad o m i n a t er o l ei nt h e i n f l u e n c eo fi n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yb yp h t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh y d r o p h o b i c p v d fm e m b r a n ea n da l g i n a t ei sa t t r a c t i v ew h i l et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh y d r o p h i l i c p e sm e m b r a n ea n da l g i n a t ei sr e p u l s i v e ，a n dt h i sr e s u l t si nt h eh i g h e rr e s i s t a n c e r e m o v a lb yb a c kw a s h i n go ff o u l e dp e sm e m b r a n e t h ed i f f e r e n c eo fa l g i n a t ef o u l i n g p e r f o r m a n c ea td i f f e r e n ts o l u t i o np hi si n f l u e n c e db yt h ec h a n g eo fa bi n t e r f a c i a lf r e e e n e r g y f o rt h es a m em e m b r a n e ，a sp hr a i s e d g a d t 凹w a sr i s i n gb e c a u s et h er i s i n g a g a d a ba ta d h e s i o ns t a g e ，a sar e s u l t ，t h ei n t e r f a c i a la t t r a c t i o ne n h a n c e da n dt h e i n t e r f a c i a lr e p u l s i o nw e a k e n t h e r ei sas i m i l a rs i t u a t i o na tt h ec o h e s i o ns t a g e t h e f o u l i n gp o t e n t i a l ( k ) o fa d h e s i o ns t a g ef o ro n em e m b r a n ei na l g i n a t ef i l t r a t i o n e x p e r i m e n ta td i f f e r e n ts o l u t i o np hi sp h5 p h7 p h8 p h9 ，a n dt h e r ei sas t r o n g c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dm e m b r a n e - a l g i n a t ef r e ee n e r g yo fa d h e s i o na n dt h e f i r s ts t a g ef o u l i n gp o t e n t i a la n dt h es e c o n ds t a g ef o u l i n gr a t ep o t e n t i a li si n f l u e n c e db y t h ea l g i n a t e - a l g i n a t ef r e ee n e r g yo fc o h e s i o n t h ei r r e v e r s i b l e f o u l i n g c a nb e 山东大学硕士学位论文 e x p l a i n e db yt h ex d l v ot h e o r y t h ea t t r a c t i v ep v d fm e m b r a n e - a l g i n a t ef r e ee n e r g y o fa d h e s i o nc a u s e dl o w e rf l u xr e c o v e r yo fb a c kw a s h i n g ，w h i l et h er e p u l s i v ep e s m e m b r a n e a l g i n a t ef r e ee n e r g yo fa d h e s i o nc a u s e dh i g h e rf l u xr e c o v e r y t h ef o u l i n g p e r f o r m a n c eo fa l g i n a t ef i l t r a t i o nc a nb ed e m o n s t r a t e db yx d l v ot h e o r y f o rb s a f o u l i n g ，i nt h ep he x t a n ti n v o l v e db yt h ee x p e r i m e n t ，a m o n gt h et h r e e i n t e r a c t i o n s ，t h ea bi m e r f a c i a lf r e ee n e r g y ( ag m ) p l a y sad o m i n a t er o l eo n m e m b r a n e b s ai n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yo fa d h e s i o na n db s a b s ai m e f f a c i a lf r e e e n e r g yo fc o h e s i o n ，a n dd e t e r m i n e st h ea t t r a c t i v eo rr e p u l s i v ec h a r a c t e ro ft h et o t a l i n t e r f a c i a le n e r g y t h ea b s o l u t ev a l u eo fl wi m e r f a c i a lf r e ee n e r g y ( g l w ) i sm i n o r , a n dt h ea b s o l u t ev a l u eo fe li n t e f f a c i a lf r e ee n e r g y ( a g e l ) i sm i n i m u m a sar e s u l t ， i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ea bi n t e r a c t i o np l a y sad o m i n a t er o l ei nt h ei n f l u e n c eo f i n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yb yp h i na d h e s i o ns t a g e ，t h ev a l u eo fd o m i n a t i n ga b i n t e r r a c i a lf r e ee n e r g ya g a d a bi s p h l 0 p h t p h 3 p h 4 7 ，a n dc a u s e dt h es a m e s e q u e n c eo ft o t a li m e r f a c i a lf r e ee n e r g ya g 心硒a n dt h i sm e a n st h ea t t r a c t i o ni s m a x i m u ma tp h4 7 ，a n dt h er e p u l s i o ni n c r e a s e sa tp h10 i nc o h e s i o ns t a g et h e s e q u e n c ei ss i m i l a r t h e r ei sc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef o u l i n gp o t e n t i a la n dt h et o t a l i n t e r r a c i a lf r e ee n e r g yi nb o t l la d h e s i o ns t a g ea n dc o h e s i o ns t a g e t h ei r r e v e r s i b l e f o u l i n go fp v d fm e m b r a n ei sm o r es e v e r et h a np e sm e m b r a n ef o rt h ea t t r a c t i v e i n t e r f a c i a lf r e ee n e r g yi na d h e s i o ns t a g e ，a n dt h ei r r e v e r s i b l ef o u l i n gm a i n a yt a k e s p l a c ei na d h e s i o ns t a g e k e yw o r d s ：m i c r o f i l t r a t i o n ( m f ) m e m b r a n e ，m e m b r a n ef o u l i n g ，x d l v ot h e o r y , s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t ( s m p ) i v 山东大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 水是社会经济发展的命脉，随着人口的增长与经济的发展，对水资源的需求 不断增加，但水环境却在不断恶化，水资源紧缺已成为一个全球共同关注的问题。 日益加剧的水资源短缺问题正严重制约我国经济的可持续发展。国内外水环境恢 复与水资源再生的实践经验证明，只有污水深度处理及回用，才能实现健康的水 循环。将水量稳定的城市污水开辟为非常规水源，通过深度处理使其达到回用标 准，实现水的闭路循环利用，已成为保障城市供水安全的一条重要途径卜2 1 。 1 2 膜生物反应器 1 2 1概述 膜生物反应器m b r ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 是由膜分离技术和生物反应器 相结合而形成的一种生物化学反应系统，它是利用微生物对反应基质进行生物转 化，利用膜组件分离反应产物并截留生物体【3 1 。它是利用微生物对反应基质进行 生物转化，利用膜组件分离反应产物并截留生物体。膜生物反应器作为一种先进 的深度污水处理工艺，具有容积负荷高、污泥产量低等优点。其出水水质优良稳 定，满足市政杂用水回用要求，日渐成为污水资源化领域的主体工艺【4 1 。它产 生于上世纪6 0 年代末，经过4 0 多年的技术研究和产业化推广，目前在国外一些 发达国家，m b r 已被大规模推广应用。 与常规废水生物处理工艺相比，膜生物反应器具有以下优点【6 】： ( 1 )占地面积小。在常规的生物处理中需要用占地面积较大的二沉池才能 实现的功能，利用m b r 用一个膜分离装置就可以实现，而且工艺流程简单，由 于在生物反应器内具有较高浓度的微生物量，容积负荷高，使系统更为紧凑，占 地面积变小。特别是s m b r 在一个反应器能够同时实现生物降解和泥水分离。 与传统活性污泥法水处理工艺比，m b r 工艺能至少节省一半占地面积。 ( 2 ) 处理水质优良稳定。m b r 对有机物的去除机理可以分为两个方面：一 方面在生物反应器内的悬浮微生物对有机物进行降解作用；另一方面多孔膜对反 山东大学硕士学位论文 应器内的有机物大分子具有截留作用。膜的高效固液分离作用使得其分离效果远 优于传统的二沉池，经m b r 处理后的出水极清澈，悬浮物和浊度接近于零，同 时细菌和病毒被大幅去除，出水水质较高，可以直接作为非饮用市政杂用水进行 回用。同时多孔膜的截留作用可以将大分子物质的停留时间延长，使m b r 更易 处理难降解有机物。与此同时，由于微生物粒径大于膜孔径，微生物被完全被截 留在反应器内，这就使系统内能够维持着较稳定且较高的微生物浓度，不但提高 了对污染物的整体的去除效率，在保证良好出水水质的同时，对进水的水质及水 量等变化也能够适应良好，更耐冲击负荷。m b r 中泥水分离不是依靠污泥的重 力沉降，所以可以杜绝污泥膨胀的影响，包括出水的水质及微生物处理系统。 ( 3 ) 容积负荷高，抗冲击能力强。在m b r 中，水力停留时间( h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 和污泥停留时i 司( s l u d g er e t e n t i o nt u n e ，s r t ) 是完全分离的， 所以在设计中可以根据所需的实际情况分别对h r t 和s r t 进行设计，在较短的 h r t 下可以满足较长s r t 的运行条件，可以维持反应器的足够高的污泥浓度。 m b r 中如果具有较高的污泥浓度，可提高m b r 的容积负荷，还能增强系统抵 抗冲击负荷的能力以及抵御有毒有害物质的能力，增强了系统运行的稳定性。 ( 4 ) 剩余污泥量少。m b r 中的高污泥浓度能够在反应器具有高容积负荷的 同时可以保持较低污泥负荷。在此情况下，进入m b r 的生物基质将主要用在维 持微生物的最低营养需求上面，进而使得微生物的增殖量能够保持在较低的水平 上，剩余污泥量大大减少。从理论上，m b r 能够将污泥全部截留在反应器内部， 从而能够实现不排泥操作。m b r 排出的剩余污泥量较为稳定，在污泥处理的过 程中，可以不进行污泥消化，直接脱水，污泥处理费用将大大降低。 ( 5 ) 脱氮效果高，能够用于去除难降解的有机物。s r t 的增加有利于增殖 慢的细菌( 比如硝化细菌等微生物) 在反应器中的繁殖和积累。而硝化作用的改善 不仅因为m b r 可以维持较长的s r t ，还源于m b r 中污泥颗粒较小，具有更大 的周长面积比，氧传质阻力减小，硝化速率提高。另外，m b r 中污泥浓度高， 因而易在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可在同一反应器中实现 去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果【7 】。同时，难降解的有机物在反应器中的 停留时间增长，有利于提高对难降解有机物的降解效率。 ( 6 ) 操作简便，易于实现自动控制。m b r 由于构筑物少，系统结构紧凑， 2 山东大学硕士学位论文 非常容易：j n - r 为成套设备，便于运输和安装，可大大缩短施工期。且水力停留时 间( h i 玎) 与污泥停留时间( s i 玎) 的完全分离，运行控制更加灵活稳定，是污 水处理中容易实现装备化的新技术，可实现自动控制，从而使操作管理更为方便， 大大节约了人工费。 但是m b r 也有着诸多不足，其中膜污染成为严重制约膜生物反应器大规模 推广应用的障碍。 1 2 2研究现状 微滤膜在生物技术、食品工业、制药工业、污水处理等领域中应用广泛，尤 其是在污水处理中，可用于固液分离【8 9 】。然而在膜过滤过程中由膜与污染物的作 用而产生的膜污染会导致膜通量的急剧下降，限制了微滤膜的广泛应用。深入研 究微滤膜污染的原因是控制膜污染、优化膜工艺的关键。 m b r 在废水处理领域中的应用研究始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 6 年，美国的 d o r r o l i v e r 公司首先将m b r 用于废水处理的研究【1 0 】。1 9 6 8 年，s m i t h 等将好氧 活性污泥法与超滤膜相结合的m b r 用于处理城市污水，该工艺具有减少活性污 泥产量、保持较高活性污泥浓度、减少污水处理厂占地面积等优点。但当时由于 受膜生产技术所限，膜的使用寿命短，水通透量小，使其在实际应用中遇到障碍 1 1 1 。7 0 年代后期，日本研究者根据本国国土资源紧张、地价高的特点对膜分离 技术在废水处理中的应用进行了大力开发和研究，m b r 开始走向实际应用。经 过几十年的发展，2 0 0 6 年在全球范围内运行的m b r 污水处理厂已达2 2 5 9 处， 广泛分布在美国、日本、德国、英国、新加坡、法国和埃及等十多个国家 1 2 - 1 3 】。 我国对m b r 污水处理技术的研究工作始全面开始于1 9 9 5 年【1 4 】，迄今为止 已取得很大进展。目前采用m b r 处理的废水包括市政废水”1 引、石油焦化污水 1 9 - 2 0 】、含高浓度有机物和氨氮的废水 2 1 - 2 2 】、医药废水陟2 6 1 、电镀废水【2 7 1 、造纸 污水1 2 8 - 3 0 】、印染废水3 1 1 等。对不同污水的处理效果、系统的稳定运行、操作条 件的优化等进行研究，同时针对不同废水的水质特点，将m b r 与其它生物处理 工艺相结合，在充分利用m b r 优势的同时，强化生物处理的作用与效果。 1 2 3 膜材料 膜的最佳物理结构是：膜材料的厚度要薄，孔径尺寸分布要窄，表面孔隙率 要高。根据膜材料的组成，通常将膜分为有机膜( 聚合物) 和无机膜( 陶瓷与金 山东大学硕士学位论文 属) 两类。有机高分子膜又分为聚砜膜( p s ) 、聚醚砜膜( p e s ) 、硝化纤维素膜 ( c n ) 、醋酸纤维膜( c a ) 、硝化纤维素醋酸纤维混合膜( c n c a ) 、聚乙烯膜 ( p e ) 、聚丙烯纤维膜( p p ) 、聚丙烯腈纤维膜( p a n ) 和聚偏氟乙烯膜( p v d f ) 等【3 2 1 。不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲疏水性 能。 在m b r 的应用中，膜材料的选择是由减少膜污染或者相关问题的需求决定 的。膜污染的性质和程度取决于进水性质和膜分离系统的某些特性。在m b r 工 艺中，膜材料种类强烈地影响其耐污染性。 1 2 4 膜污染 膜污染是指在过滤过程中，被过滤料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积 导致膜渗透量下降的现象，包括膜孔吸附小分子溶质、膜孔被大分子溶质堵塞以 及膜表面形成滤饼层引起膜过滤阻力的增加【”，3 3 1 。严重的膜污染会导致跨膜压 力急剧增大，膜渗透通量严重下降，膜组件更换和膜清洗频率增加，反应器运行 费用增加。膜污染从污染性质可以分为可逆污染和不可逆污染，分别对应过滤过 程中形成的污泥层和凝胶层造成的膜过滤阻力的升高。从污染物的来源可分为无 机污染、有机污染、微生物污染三种【3 4 1 。 m b r 中的膜污染现象十分复杂，本质上是污泥混合液中的各类物质与膜材 料之间发生相互作用，在膜表面和膜孔内吸附沉积的结果。近期的研究工作表明， m b r 混合液中的可溶性有机物( d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e r ) ，尤其是溶解性微生 物产物s m p ( s o l u b l em i c r o b i a lp r o d u c t s ) ，是造成不可逆膜污染的主要物质，严 重影响m b r 的运行稳定性和膜组件的使用寿命【3 孓3 9 1 。因此，s m p 膜污染问题已 经引起国内外专家学者的广泛关注，逐渐成为m b r 领域一个重要的研究方向。 1 2 4 1 膜污染的影响因素。 长期以来，膜污染影响因素的分析一直是m b r 领域的研究热点。影响膜污 染因素的研究对于控制或延缓膜污染至关重要。国内外对这一领域的研究主要围 绕3 个方面展开：膜材料与膜组件结构、反应器运行条件、进水和活性污泥混合 液特性。由于这些因素之间互相影响，因而有必要对影响膜污染的3 个方面分别 进行论述分析【4 0 1 。 ( 1 ) 膜的性质与膜组件结构 4 山东大学硕士学位论文 膜的性质主要包括膜孔径及分布、孔隙率及膜表面粗糙度、膜材质及其亲水 性等膜本身的物理及化学性质，这些性质都会直接影响膜污染。前期研究表明： 膜的最佳物理结构应该是：膜材料厚度薄，孔径尺寸分布范围小，表面孔隙率高 4 0 1 o 膜孔径对膜污染的影响与污泥混合液中颗粒大小有关，如果污泥混合液中的 颗粒尺寸小于膜孔径，膜孔堵塞将不可避免。从这个角度而言，似乎超滤膜要比 微滤膜更加抗污染，然而l e c l e c h 等对1 1 个实验结果比较中发现，膜孔径与膜 阻力之间并没有直接的相关性【4 1 1 。例如，在较低的错流流速( c f v ) 下，微滤膜 产生的膜阻力大约是超滤膜的2 倍，然而在较高的c f v 下，实验结果并未证实 微滤膜所产生的阻力大于超滤膜。c h o i 等通过比较超滤和微滤膜对溶解性有机 物( d o c ) 的截留效果发现，