膜生物反应器中典型污染物质污染行为的热力学机制

发布时间：2020-07-19 01:27

【摘要】：膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)是一种结合膜技术和活性污泥工艺的新兴技术。膜生物反应器(MBR)已成为废水处理领域最有前景的技术之一,这主要是因为与传统的活性污泥法(CASP)相比MBR技术具有占地面积小、处理效率高、污泥剩余产量低等优势。因此,膜生物反应器(MBR)技术近年来在废水处理和回收领域得到了广泛的研究和应用。虽然MBR技术的优点是显著的,然而,不可避免的膜污染严重阻碍了这项技术的发展。在污泥悬浮液中同时存在溶解性微生物代谢产物(SMPs)和污泥颗粒和其他污染物导致MBR中的膜污染机制非常复杂。人们普遍认为SMPs和污泥颗粒是决定MBR中膜污染程度的主要污染物质。本研究启动并持续运行了一台实验室规模的浸没式膜生物反应器(SMBR),深入研究膜生物反应器中典型污染物质(以SMPs和污泥絮体为代表)的污染行为和潜在机制。本研究旨在为典型污染物的污染行为提供完整的热力学理论框架。首次通过点阵结合三角处理方法成功在Matlab中重构出连续的真实膜表面,并基于XDLVO(Extended-Derjiaguin-Verwey-Overbeek)界面热力学理论研究污染物颗粒与真实膜表面的界面相互作用。同时,基于Flory-Huggins和Flory-Rehner高分子溶液理论,提出了完整的凝胶污染机制并重点研究了凝胶网状结构和凝胶弹性对于膜污染的影响。最后,根据研究不同类型污染物与膜表面之间的粘附行为以此揭示凝胶层和滤饼层形成的内在机制,从而为膜污染控制的研究提供了新视角。主要研究结果如下:(1)基于原子力显微镜(AFM)表征和三角化处理技术首次重建了连续的真实膜表面形态并成功构建出了污染物颗粒与重建膜表面之间的空间关系。对MBR中污染物颗粒与真实膜之间的界面相互作用进行了理论推导和实验验证,以数值的方式阐明了MBR中的界面相互作用。(2)将污染物和重建的真实膜之间的空间关系结合表面元素积分(SEI)方法来建立量化界面相互作用的方法。并对该方法进行了案例研究,通过对污染物和膜的表面表征,根据复合Simpson规则并通过计算机编程首次量化了污染物颗粒与真实膜形态之间的界面相互作用。量化结果显示粗糙的膜形态延长了界面相互作用,表明膜表面形态在与膜污染相关的界面相互作用研究中的深远作用。(3)以琼脂作为凝胶层中多糖的模型物质并开展系列研究。研究了琼脂凝胶极高的比过滤阻力(SFR)和凝胶弹性的作用机制。研究结果表明,在膜生物反应器中与滤饼层和真实凝胶层相比,琼脂凝胶层具有极高的比过滤阻力(SFR为7.94×10~(17)m~(-1)·kg~(-1))。同时,污染物质的表征结果显示凝胶污染物易结合水,琼脂凝胶同真实凝胶层结构相似都具有网络结构;由于结合水占据了凝胶网络中的空隙导致真实凝胶层的孔隙非常小,上述结果定性地解释了凝胶层异常高SFR的形成原因。(4)推导出基于Flory-Huggins和Flory-Rehner理论的机制来描述琼脂凝胶的高SFR产生的真实原因。相关机理模型的模拟结果表明:混合化学势和弹性化学势变化引起的SFR总和接近于琼脂凝胶,表明推导模型的可行性。在该研究中,凝胶弹性占琼脂凝胶总SFR的约13%。该研究令人满意地解释了琼脂凝胶极高SFR的来源并提出了数学模型来定量描述凝胶弹性在凝胶层形成SFR过程中的作用。本研究的发现改善了人们对膜污染的基本理解,并为MBR中污染控制的研究做出了贡献。(5)本文表征了MBR的初始操作期间典型污染物质的污染行为。结果发现,虽然SMPs的含量较低,但SMPs比污泥絮体优先附着在膜表面形成凝胶层。而且,SMPs的比过滤阻力(SFR)是污泥絮体的比过滤阻力(SFR)的数百倍。根据能量平衡原理,提出了SMPs污染行为的热力学机制。热力学分析表明,SMPs与膜之间的界面相互作用强度是污泥絮体与膜之间界面相互作用的3700倍左右,很好地解释了SMPs具有比污泥絮体更高粘附能力的原因。(6)同时,通过对凝胶层过滤过程的建模并将其模拟为热力学过程。模拟结果显示,约90%的SFR源自过滤期间的混合自由能变化。这样的结果令人满意地解释了凝胶层比滤饼层更高SFR的形成原因。SMPs污染行为的热力学机制的发现显著加深了研究者们对膜污染的理解,并促进了膜污染有效控制策略的发展。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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