MBR中表面形态对膜污染影响的界面作用机制研究

摘要

膜生物反应器(MBR)是一种结合膜分离技术和生物处理技术的新型污水处理和回用技术，相比传统的污水处理工艺具有独特的优点。然而，膜污染问题极大地限制了MBR技术的广泛应用和推广。通常认为，膜污染主要是由于污染物在膜表面的粘附或沉积造成的。污染物与膜表面在短程距离范围内的界面相互作用是导致污染物在膜表面粘附或沉积的主要原因。此外，表面形态是MBR中膜及其相关污染物最主要的性质之一，同时，表面形态对污染物和膜表面之间的界面相互作用有显著地影响。基于此，本研究采用热力学方法深入探究了表面形态对膜污染影响的界面作用机制。
　　根据MBR中污染颗粒和膜表面在自然状态下的粗糙特点，该研究分别采用周期性正弦球函数模型和正弦膜表面函数模型构建了规则粗糙的污染颗粒和规则粗糙的膜表面模型。然后，以XDLVO理论为基础，结合SEI方法、复合辛普森规则和微分几何提出了适用于量化规则粗糙颗粒之间及其与膜表面之间界面相互作用的新方法，并验证了新方法的正确性和可行性。之后，应用新方法定量化计算了规则粗糙表面之间的界面相互作用，并分析了规则粗糙表面粗糙度参数对界面相互作用及膜污染的影响。结果显示，相比光滑表面之间的界面作用能（DA方法），XDLVO相互作用在粗糙表面之间的作用趋势没有发生改变，但作用强度变弱。同时，随着规则粗糙颗粒表面振幅和规则粗糙膜表面振幅的增加，颗粒与膜表面之间具有吸附作用的总相互作用逐渐变小。当膜表面粗糙周期加大时，总的界面相互作用呈单峰模式变化。随着颗粒表面粗糙频率的减小和颗粒半径的增加，颗粒之间的吸附作用逐渐加强。这些证实了表面形态可以显著影响粗糙表面之间的界面相互作用和污染颗粒在膜表面的粘附行为。此外，还讨论了新方法在膜污染及界面行为中的应用前景。
　　通过AFM和SEM进一步分析膜和污染颗粒的表面形态发现:膜和污染颗粒的表面是无序且随机粗糙的，具有典型的分形特征。该研究引入了以优化的双变量WM函数表示的分形理论对膜和污染颗粒进行表面建模，并分别借助功率谱法和静态光散射法获取膜和污染颗粒表面的分形参数，从而构建了随机粗糙的分形膜表面和污染颗粒表面模型。通过比较发现，重建的膜和污染颗粒表面与真实表面非常接近。然后，示例了随机粗糙污染颗粒与随机粗糙膜表面之间的界面作用场景。结合XDLVO理论、SEI方法、复合辛普森规则及微分几何发展了适用于量化随机粗糙污染颗粒与随机粗糙膜表面之间界面相互作用的新方法。应用新方法量化了随机粗糙污染颗粒与随机粗糙膜表面之间界面相互作用，并探究了分形维数(Df)对膜污染的影响。同时，基于热力学新方法，选取SMPs和污泥絮体为典型的膜污染物质，探究了表面形态对不同类型的污染物在膜表面粘附行为的影响。结果发现:Df是影响膜表面形态的重要参数，随着Df的增大，膜表面粗糙度会显著降低。同时，随着Df的减小，污染颗粒和膜之间总的相互作用会显著增强，污染颗粒更易于粘附在膜表面。此外，证实SMPs这类分散的污染物比污泥絮体这类颗粒污染物更易于粘附在膜表面上。同时，表面形态对不同类型污染物与膜之间相互作用的影响效果不同，越粗糙的表面形貌，越有利于分散污染物(SMPs)在膜表面的粘附。

目录

摘要

第一章绪论

1．2．1 MBR基本原理

1．2．2 MBR分类

1．3 MBR膜污染

1．3．1膜污染形成

1．3．2膜污染分类

1．3．3膜污染的影响因素

1．4本研究的提出、目的与意义和内容

1．4．1研究的提出

1．4．2研究目的与意义

1．4．3研究内容

第二章规则粗糙表面之间的界面作用机制

2．1前言

2．2实验材料与分析方法

2．2．1实验装置与操作条件

2．2．2样品制备与测试

2．2．3 XDLVO理论

2．3结果与讨论

2．3．1规则粗糙表面模型的构建

2．3．2规则粗糙颗粒与光滑膜表面

2．3．3规则粗糙颗粒与规则粗糙膜表面

2．3．4规则粗糙颗粒与规则粗糙颗粒

2．4小结

第三章随机粗糙表面之间的界面作用机制

3．1前言

3．2实验材料与分析方法

3．2．1实验装置与操作条件

3．2．2实验数据测定

3．2．3 XDLVO理论

3．2．4分形理论

3．3结果与讨论

3．3．1随机粗糙表面模型的构建

3．3．2量化随机粗糙面之间界面相互作用的新方法及应用

3．4小结

第四章基于热力学分析表面形态对MBR中膜污染的影响

4．1前言

4．2实验材料与分析方法

4．2．1实验装置与操作条件

4．2．2样品准备与测定

4．2．3 XDLVO理论

4．2．4分形理论

4．3结果与讨论

4．3．1分形维数(Df)对膜污染的影响

4．3．2表面形态对粘附污染的影响

4．4小结

第五章全文总结

参考文献

附录1 膜和污泥颗粒表面随机数

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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