膜生物反应器—蠕虫床耦合系统中EPS的膜污染行为研究

论文摘要

膜生物反应器（MBR）与蠕虫床组合工艺能够充分发挥MBR污水处理效能高、污泥产率低的优势，并可利用蠕虫捕食对污泥高效减量、改良改性的作用，实现污水与污泥的协同处理。值得关注的是蠕虫捕食过程能够引起微生物胞外聚合物（EPS）特性的改变，EPS是关键的膜污染物质，捕食后的污泥回流至MBR可能对其膜污染进程产生重要影响。本研究主要针对MBR与蠕虫床耦合工艺内EPS的膜污染行为，利用FTIR和EEM等技术分析耦合工艺内EPS组成和数量，采用序批式过滤实验，借助CLSM和AFM等技术研究耦合工艺内EPS污染潜力，利用XDLVO理论考察耦合工艺内EPS特性与污泥聚集性的关系，利用PCR-DGGE，16sRNA等技术解析耦合工艺内微生物种群变化规律，从而探究耦合MBR中膜污染延缓的机理。对照MBR和耦合MBR中膜污染及EPS特性对比研究表明，捕食污泥回流延缓了耦合MBR中过膜压力（TMP）增长速度，改变了耦合MBR中溶解性EPS特性，降低了结合态EPS中糖和蛋白质含量，使结合态EPS的浓度减少了11.6mg/g MLSS，结合态EPS中色氨酸类蛋白质的荧光强度减弱了41%，同时，其荧光峰位置向波长短的方向发生偏移。对照MBR和耦合MBR中结合态EPS膜污染潜能分析表明，捕食污泥回流降低了耦合MBR中结合态EPS中蛋白质的吸附效率，减少了耦合MBR中结合态EPS中的蛋白质类物质在膜表面累积的体积，提高了耦合MBR中结合态EPS在膜表面形成的污染层孔隙率，降低了耦合MBR中结合态EPS与膜表面之间的作用能，使耦合MBR中结合态EPS造成的通量下降减少9%。对照MBR和耦合MBR中溶解性EPS膜污染潜能研究表明，捕食污泥回流减少了溶解性EPS中的芳香性蛋白质，减弱了溶解性EPS疏水性，降低了溶解性EPS与膜之间及溶解性EPS自身之间的关系能，提高了溶解性EPS形成的污染层的孔隙率，降低了溶解性EPS形成的污染层的体积和厚度，使耦合MBR中溶解性EPS引起的通量下降减少19.2%。对照MBR和耦合MBR中污泥聚集性及微生物种群变化分析表明，捕食污泥回流使耦合MBR中slime，LB-EPS和TB-EPS第二最低位能减少及能量壁垒增加，降低了耦合MBR中初始污泥的絮凝能力，同时，捕食污泥回流减少了耦合MBR中Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria类微生物，改变了Alphaproteobacteria类微生物种类，造成了微生物种群发生改变。通过以上分析可以看出，由捕食污泥回流引起的耦合MBR中结合态EPS浓度的降低，溶解性EPS和结合态EPS组成的改变，溶解性EPS和结合态EPS污染潜力的减弱，污泥聚集性的降低和微生物种群的改变对膜污染减轻起重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 膜生物反应器技术发展现状
• 1.2.1 膜生物反应器发展
• 1.2.2 膜生物反应器污泥减量
• 1.3 蠕虫捕食污泥减量技术发展现状
• 1.4 膜污染研究现状
• 1.4.1 膜污染基本理论
• 1.4.2 膜污染分类
• 1.5 EPS对膜污染的影响及控制策略
• 1.5.1 结合态EPS与膜污染的关系
• 1.5.2 溶解性EPS与膜污染的关系
• 1.6 课题研究意义与内容
• 1.6.1 课题研究意义
• 1.6.2 课题来源
• 1.6.3 课题研究内容
• 第2章 实验及分析方法
• 2.1 膜生物反应器+蠕虫床耦合系统
• 2.2 膜污染物的提取及其污染潜力分析
• 2.2.1 溶解性EPS和结合态EPS的提取
• 2.2.2 EPS不同组分的提取
• 2.2.3 膜表面污染物的提取
• 2.2.4 序批式过滤污染实验
• 2.2.5 吸附污染实验
• 2.2.6 膜过滤阻力分析
• 2.2.7 膜过滤过程的模拟
• 2.3 污泥絮体不同组分和膜关系能的计算
• 2.3.1 表面热力学参数的计算
• 2.3.2 表面关系能参数的计算
• 2.3.3 EPS不同组分对污泥聚集性的影响研究
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 常规分析检测方法
• 2.4.2 接触角的测量
• 2.4.3 膜表面污染物的识别
• 2.4.4 膜表面污染物的特征表征
• 2.4.5 膜表面污染层的荧光染色
• 2.4.6 膜表面形态的表征
• 2.4.7 聚集性测试方法
• 2.4.8 微生物种群分析
• 第3章 耦合系统中膜污染及EPS特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 工艺运行分析
• 3.2.1 污水COD去除效果分析
• 3.2.2 膜污染趋势分析
• 3.2.3 膜污染阻力分析
• 3.3 溶解性EPS特性研究
• 3.3.1 溶解性EPS含量分析
• 3.3.2 溶解性EPS的FTIR分析
• 3.3.3 溶解性EPS的EEM分析
• 3.4 结合态EPS特性研究
• 3.4.1 结合态EPS含量分析
• 3.4.2 结合态EPS的FTIR分析
• 3.4.3 结合态EPS的EEM分析
• 3.5 膜表面污染物组成分析
• 3.5.1 膜表面污染物的FTIR分析
• 3.5.2 膜表面污染物的EEM分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 耦合系统中结合态EPS膜污染特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 结合态EPS膜污染潜力研究
• 4.2.1 结合态EPS过滤特性分析
• 4.2.2 结合态EPS过滤过程的模拟分析
• 4.2.3 结合态EPS过滤过程的阻力分析
• 4.3 结合态EPS组分吸附特性研究
• 4.3.1 结合态EPS污染膜表面的FTIR分析
• 4.3.2 结合态EPS组分吸附效率分析
• 4.4 膜表面污染层结构特征研究
• 4.4.1 结合态EPS组分吸附体积分析
• 4.4.2 结合态EPS污染膜孔隙率分析
• 4.5 结合态EPS界面关系研究
• 4.5.1 结合态EPS和膜的物化特性分析
• 4.5.2 结合态EPS和干净膜之间的关系能分析
• 4.5.3 结合态EPS与污染膜之间的关系能分析
• 4.6 膜和结合态EPS之间关系能曲线分析
• 4.6.1 结合态EPS和干净膜之间的关系能曲线分析
• 4.6.2 结合态EPS与污染膜之间的关系能曲线分析
• 4.7 结合态EPS污染膜表面形态分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 耦合系统中溶解性EPS膜污染特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 溶解性EPS膜污染潜力研究
• 5.2.1 溶解性EPS过滤特性分析
• 5.2.2 溶解性EPS过滤过程的模拟分析
• 5.3 膜表面污染层结构特征研究
• 5.3.1 溶解性EPS和膜之间的关系能分析
• 5.3.2 膜表面污染层结构分析
• 5.4 溶解性EPS组分吸附特性研究
• 5.4.1 溶解性EPS污染膜表面的FTIR分析
• 5.4.2 溶解性EPS组分吸附效率分析
• 5.5 溶解性EPS组成特性研究
• 5.5.1 溶解性EPS中蛋白质和糖类比值分析
• 5.5.2 溶解性EPS的EEM分析
• 5.5.3 溶解性EPS的UV分析
• 5.6 溶解性EPS对不同微滤膜的污染研究
• 5.6.1 溶解性EPS对不同微滤膜的污染潜力分析
• 5.6.2 溶解性EPS和不同膜之间的关系能分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 耦合系统中膜污染延缓的机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 污泥聚集性改变机制研究
• 6.2.1 污泥聚集性分析
• 6.2.2 EPS分层组分对污泥聚集性的作用
• 6.2.3 EPS对污泥聚集性的作用
• 6.3 EPS分层组分特征分析
• 6.3.1 EPS分层组分组成分析
• 6.3.2 EPS分层组分EEM分析
• 6.4 EPS分层组分的污染特性分析
• 6.4.1 EPS分层组分的吸附特性分析
• 6.4.2 EPS分层组分污染膜的AFM分析
• 6.5 微生物种群变化的分析
• 6.5.1 污泥活性分析
• 6.5.2 微生物种群分析
• 6.6 本章小结
• 结论、创新点及展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历