MBR膜污染层胞外多糖性质分析、污染特征及膜污染防治研究

论文摘要

为完善膜生物污染的有关理论,加深对膜生物污染层的构造及成因的进一步认识,本文研究考察了膜生物反应器中膜污染层胞外多糖的性质与结构、胞外多糖的膜过滤特征,膜生物反应器中膜污染及膜通量恢复研究。主要研究内容及结果如下:探讨了膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）膜污染层胞外多糖的分离提取及纯化方法。采用80℃水浴法提取,胞外多糖含量为86.0%,粗多糖经酶解+Sevag法去除蛋白质。通过DEAE-纤维-52离子交换层析纯化、透析、冷冻干燥得到白色蓬松状胞外多糖样品。紫外光谱扫描鉴定该胞外多糖样品中核酸及蛋白质等杂质已基本去除,胞外多糖含量为97%。采用HPLC、GC、FT-IR及SEM等手段对其性质进行分析。结果表明,所得胞外多糖的平均分子量Mn为2.6×106,红外光谱分析其具有典型的多糖特征吸收峰。糖苷键类型主要为1-3和1-6型,该胞外多糖是一种由葡萄糖、鼠李糖、木糖、甘露糖等组成、具有高度分枝状结构的杂多糖。SEM及AFM观察显示胞外多糖主链呈纤维状,具有复杂分枝的化学结构,多糖分子间通过氢键相互作用缠绕成股,交错成网络结构。终端过滤实验考察胞外多糖对聚偏氟乙烯膜的污染特征。膜相对通量随过滤时间呈指数衰减趋势,多糖浓度增加,膜过滤阻力上升,胞外多糖溶液为中性（pH7）时膜污染程度相对较低。操作压力越大,相对通量衰减越快,高的操作压力导致沉积阻力增大,压力增加会加剧膜污染。最初很短时间内膜污染受膜孔堵塞模型控制,之后受沉积层阻力模型控制,后一阶段是膜污染的主要控制阶段。膜阻力分布实验表明,膜孔阻塞所引起的污染阻力（Rf）远小于沉积阻力（Rc）,沉积层阻力占总阻力的90%,膜的主要污染形式为胞外多糖在膜表面的沉积。研究了MBR中的膜污染及通量恢复情况。运行过程污泥浓度上升至13g/L,胞外聚合物在反应器和膜表面均积累,引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加,混合液中胞外聚合物浓度达90mg/gMLSS。研究发现混合液粘度和胞外聚合物含量之间存在很好的相关性（r=0.9903）,膜过滤阻力随混合液中胞外聚合物浓度、混合液粘度的增加而增加。胞外聚合物具有较高的膜污染倾向,是影响膜污染的优势污染物质,是影响膜生物反应器膜过滤性能的重要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 膜生物反应器在污水处理中的应用研究进展
• 1.1.2 膜生物污染研究进展
• 1.2 胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances）与膜污染关系的研究进展
• 1.2.1 胞外聚合物对污泥性质影响研究
• 1.2.2 胞外聚合物对膜污染的影响研究
• 1.2.3 胞外多糖的结构和特性研究
• 1.2.4 目前研究中存在的问题
• 1.3 研究目的与意义
• 1.4 研究内容
• 第二章 MBR 中膜污染层胞外多糖的分离提取
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 模拟废水
• 2.2.2 一体式MBR 装置
• 2.2.3 一体式MBR 运行
• 2.2.4 胞外多糖提取方法研究
• 2.2.5 胞外多糖去蛋白方法研究
• 2.2.6 分析项目及测定方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 膜生物反应器中的污染物去除特性
• 2.3.2 膜生物反应器的通量行为
• 2.3.3 胞外多糖提取方法的选择
• 2.3.4 Sevag 法去除胞外多糖中的蛋白
• 2.3.5 酶解+Sevag 法去除胞外多糖中的蛋白
• 2.3.6 TCA 法去除胞外多糖中的蛋白
• 2.4 小结
• 第三章 MBR 中膜污染层胞外多糖的纯化及其结构表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 胞外多糖层析纯化
• 3.2.2 胞外多糖的纯度鉴定
• 3.2.3 胞外多糖分子量分布测定
• 3.2.4 胞外多糖单糖组分分析
• 3.2.5 胞外多糖红外光谱分析
• 3.2.6 胞外多糖微观结构分析
• 3.2.7 胞外多糖理化性质
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 胞外多糖层析纯化
• 3.3.2 胞外多糖纯度鉴定
• 3.3.3 胞外多糖分子量分布
• 3.3.4 胞外多糖的单糖组成分析
• 3.3.5 胞外多糖的官能团分析
• 3.3.6 胞外多糖微观结构分析
• 3.3.7 胞外多糖的理化性质
• 3.4 小结
• 第四章 胞外多糖对PVDF 膜的污染特征
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 分析项目与测定方法
• 4.2.3 胞外多糖浓度对PVDF 膜过滤行为的影响
• 4.2.4 pH 对胞外多糖溶液膜过滤行为的影响
• 4.2.5 操作压力对膜过滤行为的影响
• 4.2.6 胞外多糖膜污染模型的拟合
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 胞外多糖浓度对膜过滤行为的影响
• 4.3.2 pH 对胞外多糖溶液膜过滤行为的影响
• 4.3.3 操作压力对胞外多糖溶液膜过滤行为的影响
• 4.3.4 胞外多糖膜污染模型的拟合
• 4.4 小结
• 第五章 MBR 中的膜污染及膜通量恢复研究
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 污泥混合液性质对膜污染的影响
• 5.2.2 胞外聚合物对膜污染的影响
• 5.2.3 膜污染清洗方法对比研究
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 污泥混合液性质与膜污染的关系
• 5.3.2 胞外聚合物对膜污染的影响
• 5.3.3 膜通量恢复研究
• 5.3.4 膜污染清洗前后对比研究
• 5.3.5 膜污染防治方法讨论
• 5.4 小结
• 第六章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表论文情况