【摘要】：膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)是一種結(jié)合膜技術(shù)和活性污泥工藝的新興技術(shù)。膜生物反應(yīng)器(MBR)已成為廢水處理領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一,這主要是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的活性污泥法(CASP)相比MBR技術(shù)具有占地面積小、處理效率高、污泥剩余產(chǎn)量低等優(yōu)勢(shì)。因此,膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)近年來(lái)在廢水處理和回收領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。雖然MBR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯著的,然而,不可避免的膜污染嚴(yán)重阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。在污泥懸浮液中同時(shí)存在溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMPs)和污泥顆粒和其他污染物導(dǎo)致MBR中的膜污染機(jī)制非常復(fù)雜。人們普遍認(rèn)為SMPs和污泥顆粒是決定MBR中膜污染程度的主要污染物質(zhì)。本研究啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(SMBR),深入研究膜生物反應(yīng)器中典型污染物質(zhì)(以SMPs和污泥絮體為代表)的污染行為和潛在機(jī)制。本研究旨在為典型污染物的污染行為提供完整的熱力學(xué)理論框架。首次通過(guò)點(diǎn)陣結(jié)合三角處理方法成功在Matlab中重構(gòu)出連續(xù)的真實(shí)膜表面,并基于XDLVO(Extended-Derjiaguin-Verwey-Overbeek)界面熱力學(xué)理論研究污染物顆粒與真實(shí)膜表面的界面相互作用。同時(shí),基于Flory-Huggins和Flory-Rehner高分子溶液理論,提出了完整的凝膠污染機(jī)制并重點(diǎn)研究了凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和凝膠彈性對(duì)于膜污染的影響。最后,根據(jù)研究不同類(lèi)型污染物與膜表面之間的粘附行為以此揭示凝膠層和濾餅層形成的內(nèi)在機(jī)制,從而為膜污染控制的研究提供了新視角。主要研究結(jié)果如下:(1)基于原子力顯微鏡(AFM)表征和三角化處理技術(shù)首次重建了連續(xù)的真實(shí)膜表面形態(tài)并成功構(gòu)建出了污染物顆粒與重建膜表面之間的空間關(guān)系。對(duì)MBR中污染物顆粒與真實(shí)膜之間的界面相互作用進(jìn)行了理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以數(shù)值的方式闡明了MBR中的界面相互作用。(2)將污染物和重建的真實(shí)膜之間的空間關(guān)系結(jié)合表面元素積分(SEI)方法來(lái)建立量化界面相互作用的方法。并對(duì)該方法進(jìn)行了案例研究,通過(guò)對(duì)污染物和膜的表面表征,根據(jù)復(fù)合Simpson規(guī)則并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程首次量化了污染物顆粒與真實(shí)膜形態(tài)之間的界面相互作用。量化結(jié)果顯示粗糙的膜形態(tài)延長(zhǎng)了界面相互作用,表明膜表面形態(tài)在與膜污染相關(guān)的界面相互作用研究中的深遠(yuǎn)作用。(3)以瓊脂作為凝膠層中多糖的模型物質(zhì)并開(kāi)展系列研究。研究了瓊脂凝膠極高的比過(guò)濾阻力(SFR)和凝膠彈性的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明,在膜生物反應(yīng)器中與濾餅層和真實(shí)凝膠層相比,瓊脂凝膠層具有極高的比過(guò)濾阻力(SFR為7.94×10~(17)m~(-1)·kg~(-1))。同時(shí),污染物質(zhì)的表征結(jié)果顯示凝膠污染物易結(jié)合水,瓊脂凝膠同真實(shí)凝膠層結(jié)構(gòu)相似都具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);由于結(jié)合水占據(jù)了凝膠網(wǎng)絡(luò)中的空隙導(dǎo)致真實(shí)凝膠層的孔隙非常小,上述結(jié)果定性地解釋了凝膠層異常高SFR的形成原因。(4)推導(dǎo)出基于Flory-Huggins和Flory-Rehner理論的機(jī)制來(lái)描述瓊脂凝膠的高SFR產(chǎn)生的真實(shí)原因。相關(guān)機(jī)理模型的模擬結(jié)果表明:混合化學(xué)勢(shì)和彈性化學(xué)勢(shì)變化引起的SFR總和接近于瓊脂凝膠,表明推導(dǎo)模型的可行性。在該研究中,凝膠彈性占瓊脂凝膠總SFR的約13%。該研究令人滿(mǎn)意地解釋了瓊脂凝膠極高SFR的來(lái)源并提出了數(shù)學(xué)模型來(lái)定量描述凝膠彈性在凝膠層形成SFR過(guò)程中的作用。本研究的發(fā)現(xiàn)改善了人們對(duì)膜污染的基本理解,并為MBR中污染控制的研究做出了貢獻(xiàn)。(5)本文表征了MBR的初始操作期間典型污染物質(zhì)的污染行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然SMPs的含量較低,但SMPs比污泥絮體優(yōu)先附著在膜表面形成凝膠層。而且,SMPs的比過(guò)濾阻力(SFR)是污泥絮體的比過(guò)濾阻力(SFR)的數(shù)百倍。根據(jù)能量平衡原理,提出了SMPs污染行為的熱力學(xué)機(jī)制。熱力學(xué)分析表明,SMPs與膜之間的界面相互作用強(qiáng)度是污泥絮體與膜之間界面相互作用的3700倍左右,很好地解釋了SMPs具有比污泥絮體更高粘附能力的原因。(6)同時(shí),通過(guò)對(duì)凝膠層過(guò)濾過(guò)程的建模并將其模擬為熱力學(xué)過(guò)程。模擬結(jié)果顯示,約90%的SFR源自過(guò)濾期間的混合自由能變化。這樣的結(jié)果令人滿(mǎn)意地解釋了凝膠層比濾餅層更高SFR的形成原因。SMPs污染行為的熱力學(xué)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)顯著加深了研究者們對(duì)膜污染的理解,并促進(jìn)了膜污染有效控制策略的發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：X703

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