正渗透膜—生物反应器对银纳米颗粒的去除及其过程中的膜污染机制研究

发布时间：2017-12-05 04:15

  本文关键词：正渗透膜—生物反应器对银纳米颗粒的去除及其过程中的膜污染机制研究

  更多相关文章： 银纳米颗粒 蛋白质 正渗透膜 正渗透膜生物反应器 膜污染

【摘要】：近年来,纳米颗粒由于其独特的物理化学性质在多个领域得到广泛应用,其中银纳米颗粒(Ag NPs)在抗菌杀毒方面是最有前景的金属纳米材料之一,微量的Ag NPs即可对生物造成毒害影响。含有Ag NPs的产品在使用过程中会释放出部分Ag NPs,且最终汇聚到进入自然环境的最后一道屏障--污水处理厂。考虑到Ag NPs对环境的潜在危害,在污水处理过程中有效的去除Ag NPs就成为污水处理工艺的新要求。然而,目前传统的污水处理工艺难以实现纳米颗粒的高效去除。近年来,正渗透(FO)过程及其与生物处理结合的正渗透膜-生物反应器(OMBR)工艺,由于具有截留性能好、膜污染趋势小、能耗低等优势,在海水淡化和污水回用等领域得到了广泛关注。考虑到FO膜的高截留性能,FO及其组合工艺被认为可以有效地从污水中去除Ag NPs。然而,目前尚未有关于FO膜对Ag NPs的去除效率及其影响因素和去除过程中膜污染机制的研究报道。基于此,本文借助FO实验装置考察了FO膜对Ag NPs的截留效果,分析了Ag NPs与特征有机污染物牛血清白蛋白(BSA)单一及复合时FO膜的污染机制,并进一步研究了Ag NPs对FO膜与生物技术结合的OMBR运行性能、微生物种群和FO膜污染的影响,主要内容及结论如下:(1)构建小试规模的FO连续运行装置,考察FO膜对Ag NPs的截留效果。结果表明,聚酰胺复合薄膜(TFC)和三醋酸纤维膜(CTA)膜在处理1.0 mg/L和5.0 mg/L的Ag NPs时,对Ag NPs的截留率均高达99.4%以上。关于Ag NPs对FO膜运行性能的影响结果表明,1.0 mg/L的Ag NPs对TFC和CTA膜的运行通量影响不大,但当浓度提高至5.0 mg/L时通量水平整体较低,下降趋势更明显,且TFC膜较CTA膜通量衰减更严重。(2)选取BSA为特征有机物,考察Ag NPs和BSA单一及复合对FO膜运行性能的影响以及Ag NPs和BSA之间的相互作用。结果表明,在单一Ag NPs作为原料液时,FO膜通量在实验开始时即有明显的下降趋势,且随着Ag NPs浓度的增加,沉积在FO膜面的Ag NPs的量增多,通量衰减更严重。然而,随着原料液中BSA的添加,FO膜通量的衰减减小,且沉积在膜面Ag NPs的量也减少,有效缓解了Ag NPs引起的膜污染。这主要是由于Ag NPs表面纳米颗粒-蛋白冠的形成,通过空间位阻效应可防止Ag NPs团聚沉积。同时,激光共聚焦显微镜(CLSM)结果表明,沉积在膜面的BSA在加入Ag NPs后,含量变少且仅呈点状分布,这可以归因于Ag NPs在BSA表面的吸附破坏了BSA部分α-螺旋二级结构。此外,BSA和Ag NPs之间的相互作用不仅存在于溶液中,而且发生在FO膜表面。(3)以处理生活污水的耦合微滤(MF)膜的OMBR为依托,选取性能优良的TFC材质的FO膜,同时运行空白对照组和投加1.0 mg/L的Ag NPs组,结果表明,MF膜的引入可有效缓解OMBR的盐度累积问题。Ag NPs的连续加入导致污泥上清液中NH4+-N浓度增加,同时反应器内的EPS含量持续增加,但MF和FO的出水整体较稳定。Ag NPs投加后,FO膜的整体通量保持在较高水平,污染膜表面的总细胞、蛋白质、ɑ-D-吡喃多糖及β-D-吡喃多糖等有机和生物污染物都显著减少,可以有效缓解FO膜面的生物和有机污染。微生物种群的分析结果表明,Ag NPs的加入导致反应器内的生物群落的丰度减少,但多样性有所增加;而膜面生物群落的丰度和多样性都大幅度减小。Ag NPs在反应器内分布的测定结果表明,污泥上清液中并未有明显的Ag NPs富集现象,大部分的Ag NPs被活性污泥吸附。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703

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本文编号：1253518