膜生物反应器中胞外聚合物的膜污染机理研究

论文摘要

研究了胞外聚合物在膜生物反应器正常运行及发生污泥膨胀后对膜污染的影响,确定多糖为主要污染物,进而研究微生物胞外多糖的膜污染机理。鉴于膜生物反应体系的复杂性,各种微生物产生的胞外多糖在体系内相互作用形成多糖聚合体,无法分离提取到某种微生物产生的胞外多糖。活性污泥体系中存在的枯草芽胞杆菌和假单胞菌均在代谢过程中产生果聚糖,本文选用该微生物多糖考察其在静态及动态条件下对聚偏氟乙烯膜的污染研究。全文研究内容包括如下:⑴膜生物反应器正常运行条件下,反应器中的污泥和膜污染层胞外聚合物均以多糖为主,污泥胞外聚合物中多糖与蛋白质的比值平均为2.9,膜污染层中该比值则为5.3。MBR反应器内发生的污泥膨胀属于非丝状菌膨胀,主要是由于反应器内累积的高浓度多糖类胞外聚合物所致。发生污泥膨胀后,污泥膨胀对EPS的组成产生一定影响,污泥和膜污染层中的多糖比值略有增加,分别为4.5和5.8。随着多糖含量的增加,污泥混合液粘度增大,多糖在一定程度上会影响污泥混合液粘度。正常运行期膜通量下降平缓,发生污泥膨胀后,5天内通量由7.8 L/m2·h降至3 L/m2·h。MBR反应器内发生的污泥膨胀后,对出水水质的影响不大,COD去除率仍维持在92%左右,NH3-N的去除率也维持在94%左右。⑵研究了静态条件下,溶液化学特性（包括pH、离子强度和给液浓度）对果聚糖在聚偏氟乙烯膜上吸附的影响。果聚糖在聚偏氟乙烯膜上的吸附可在60 min内达平衡。随溶液pH值的增大,果聚糖吸附量先降低后增加,在7.0处取得最小值,为20 mg/m2。而吸附量随离子强度的变化趋势则是先增加后降低,在0.004处取得最大值,为39 mg/m2。果聚糖在聚偏氟乙烯膜表面的吸附等温线遵循兰格缪尔方程,果聚糖吸附到PVDF膜的过程中,静电力和范德华力可能起着较为关键的作用,其吸附为物理吸附,是可逆的,且主要受吸附反应的控制。⑶终端过滤实验考察果聚糖对聚偏氟乙烯膜的污染特征。果聚糖溶液pH=7.0时,初始和最终膜相对通量最高,膜污染相对比较轻。果聚糖浓度的变化对膜的污染影响比较大,不同浓度果聚糖过滤过程中,膜通量开始5 min内膜通量下降比较快,10 min膜通量值降至稳定,果聚糖浓度影响膜通量变化,果聚糖浓度越高膜通量下降趋势越小且稳定通量值越低。20 mg/L果聚糖溶液膜过滤60 min,稳定通量始终高于其他浓度果聚糖溶液过滤时的稳定通量。压力对多糖膜过滤初始通量影响较大,压力越高初始通量越大,沉积阻力随压力增大而增大,增大压力会加剧膜污染。果聚糖膜污染整个过程较好的符合沉积定律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 膜生物反应器
• 1.1.1 膜生物反应器的优势
• 1.2 国内外膜生物反应器膜污染研究进展
• 1.2.1 国外膜生物反应器膜污染研究进展
• 1.2.2 国内膜生物反应器膜污染研究进展
• 1.3 EPS 对MBR 污染机理的研究现状
• 1.3.1 微生物产生的胞外聚合物
• 1.3.2 胞外聚合物对膜污染的研究现状
• 1.4 目前研究中存在的问题
• 1.5 论文的研究意义、研究目标和主要研究内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 胞外聚合物对膜生物反应器中膜污染的影响研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 原水水质
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 接种污泥
• 2.2.4 分析项目及方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 MBR 运行分析
• 2.3.2 不同时期反应器内污泥胞外聚合物主要成分的对比
• 2.3.3 不同时期不同部位胞外聚合物主要成分的对比
• 2.3.4 污泥膨胀对混合液粘度的影响
• 2.3.5 不同时期膜通量的对比分析
• 2.3.6 膜生物反应器中的污染物去除特性
• 2.3.7 SEM 观察
• 2.4 本章 小结
• 第三章 果聚糖静态吸附行为
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验材料
• 3.2.3 分析项目与测定方法
• 3.2.4 静态吸附实验
• 3.2.5 果聚糖吸附等温线的绘制
• 3.2.6 果聚糖吸附反应的自由焓和自由能的测定
• 3.2.7 果聚糖静态吸附速率测定
• 3.2.8 果聚糖静态吸附控制分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 静态吸附动力学
• 3.3.2 溶液离子强度对果聚糖吸附行为的影响
• 3.3.3 溶液pH 对果聚糖吸附行为的影响
• 3.3.4 吸附等温线
• 3.3.5 果聚糖吸附反应的自由焓和自由能
• 3.3.6 果聚糖静态吸附速率
• 3.3.7 果聚糖静态吸附控制
• 3.3.8 力-曲线
• 3.3.9 原子力显微镜照片
• 第四章 果聚糖在PVDF 膜上的过滤行为
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 分析项目与测定方法
• 4.2.3 pH 对果聚糖溶液膜过滤行为的影响
• 4.2.4 果聚糖浓度对PVDF 膜过滤行为的影响
• 4.2.5 操作压力对膜过滤行为的影响
• 4.2.6 果聚糖膜污染模型的拟合
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 pH 值对果聚糖过滤行为的影响
• 4.3.2 0.10 Mpa 下不同浓度果聚糖浓度对膜过滤行为的影响
• 4.3.3 0.10 Mpa 下不同浓度果聚糖的膜总阻力的变化
• 4.3.4 操作压力对果聚糖溶液膜过滤行为的影响
• 4.3.5 果聚糖过滤过程中的污染控制
• 4.4 本章 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：硕士期间发表论文情况