NaClO在线清洗引发MBR生物膜污染行为解析

摘要

与传统活性污泥工艺相比，膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）具有众多优势，已成为污水处理与回用领域的一项极具竞争力的工艺。然而在MBR运行过程中，膜污染会降低膜通量、缩短膜的使用寿命、提高运行成本。与物理清洗相比，化学清洗能够有效去除可逆和不可逆污染，维持膜通量稳定。然而，在线膜清洗过程中，NaClO泄露而引发的污泥混合液特性变化，将导致严重的生物膜污染发生。 本研究重点考察在线清洗条件下NaClO引发的MBR生物膜污染，主要研究内容及结果包括： （1）考察MBR在线清洗过程中，NaClO和脱落污染物归趋以及污泥热力学特性的变化。实验结果表明：约20.25%的NaClO释放到污泥混合液中，显著改变原污泥的表面性质，如表面电子供体（γ-）减少和表面疏水性增加。与原污泥相比，NaClO冲击后的污泥粘附能和内聚能分别增加了3.20和8.19倍。基于XDLVO（Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论和批式过滤实验结果，脱落污染物优先与冲击后的污泥聚集，形成重构污泥，而不是附着在膜表面。重构污泥的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）中蛋白质（protein，PN）含量明显增加，膜污染潜势增加。 （2）在NaClO在线清洗条件下，考察最初膜污染快速形成的原因。实验结果表明，NaClO冲击后引发了快速的最初膜污染增加（23.80和10.60kPa/d）。与原污泥相比，冲击后的污泥EPS空间分布发生显著变化，不同EPS层中PN含量明显增加，污泥的过滤性能恶化。基于XDLVO理论，NaClO冲击显著改变污泥的表面特性，表面γ-减小，然而污泥表面疏水性增加。与原污泥相比，冲击后的污泥与膜的粘附能较强，并且污泥的内聚能提高，从而导致最初严重的膜污染发生。 （3）考察MBR长期运行条件下，NaClO冲击对MBR运行效能的影响。实验结果表明，膜污染速率（13.70、23.50和23.30kPa/d）在清洗后增加显著，然而在清洗2d后膜污染速率（6.40、-0.20和3.50kPa/d）迅速下降，这表明NaClO冲击后的污泥具有快速自我恢复能力。随着运行时间的增加，污泥中EPS含量也呈现先增加后降低的趋势，并伴随着污泥可滤性能逐渐改善，导致膜污染减缓。热力学分析表明，污泥表面性质，包括絮体表面γ?、疏水性及粘附能和内聚能等指标，在运行至14d恢复至原污泥水平，冲击后的污泥膜污染潜势降低显著。

目录

第1章 绪 论

1.1 MBR技术

1.2 MBR膜污染与控制

1.2.1 MBR膜污染

1.2.2 化学清洗对膜污染控制

1.3 NaClO在线清洗国内外研究现状

1.3.1 NaClO在线清洗机理及其对微生物代谢行为影响

1.3.2 胞外组分空间分布对MBR生物膜污染影响机制

1.3.3 胞外组分空间分布对生物絮凝影响

1.4 研究目的及意义

1.5 主要研究内容

第2章 材料与方法

2.1 实验装置

2.2 膜清洗实验

2.3 NaClO冲击实验

2.4 批式过滤实验

2.5 膜清洗效率及阻力分布实验

2.6 EPS提取及分析

2.7 三维荧光光谱分析

2.8 接触角和zeta电位测定

2.9 PSD和MFI测定

2.10 XDLVO理论

第3章 在线清洗条件下NaClO和膜上污染物的归趋

3.1 离线清洗下MBR运行效能

3.2 NaClO释放规律

3.3 NaClO冲击后污泥表面特性变化

3.4 脱落污染物的组成及归趋

3.5 重构污泥的特性分析

3.6 本章小结

第4章 NaClO引发最初膜污染快速形成分析

4.1 不同工况下TMP变化

4.2 EPS组成及污泥可滤性变化

4.3 絮体表面热力学特性变化

4.4 本章小结

第5章 在线清洗条件下MBR运行效能分析

5.1 在线清洗条件下污染物去除率及膜污染的变化

5.2 在线清洗条件下EPS组成及污泥可滤性变化

5.3 在线清洗条件下絮体表面热力学特性变化

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢