MBR中膜上污垢在实际膜分离过程（过滤+溶胀+溶解）中的发展演变规律性

The membrane bioreactor (MBR) owing to combination of membrane filtration and biological treatment is becoming one of the preferred ways to solve the problems of city water shortage. However, in practical applications, the major obstacle to MBR is membrane fouling. The accumulation/removal mechanism of pollutants on/from membrane surface or in pores of the membrane and its evolution is one of the key issues in large-scale industrial applications of MBR technology. In this project, commonly used in MBR UF and MF membranes were used as filtration medium, actual/ model EPS solution or MBR suspension were used as feed solution, the accumulation/removal mechanism of pollutants on/from membrane surface or in pores of the membrane and its evolution were studied. Based on mass conservation, the accumulation/removal mechanism of pollutants on/from membrane surface or in pores of the membrane and its evolution was studied and their observations and simulations were achieved. This result will provide reliable scientific basis for optimization, strengthen and scal-up for industrial membrane device and processes.

膜生物反应器(MBR)技术的众多优点使其成为目前解决城市缺水问题的首选方法，但膜污染是影响其大规模稳定运行的瓶颈。膜分离过程中膜上（膜孔内及膜表面）污垢的发展演变规律性对膜过滤行为(膜通量、出水质量)起决定性作用, 同时也是改善膜污染的重要理论依据。 膜上（膜表面+膜孔内）污垢在膜分离（过滤+溶胀+溶解）过程中的发展演变规律性的定量观测和模拟构成了MBR技术大规模工业应用的关键科学问题之一。本项目拟选用MBR中常用的多孔微/超滤膜，以胞外聚合物模拟/真实溶液和MBR悬浮液作为进料液，进行膜分离实验，采用TEM、SEM、AFM 、EDX、Zeta电位等手段对膜上（膜表面+膜孔内）污垢发展演变规律性和物质传递现象进行研究。在此基础上，结合质量守恒定律，从本质上深刻理解其发展演变规律性，并实现对其量化观测和模拟,为工业膜装置的长期稳定运行和膜分离过程的优化、强化和放大提供可靠的理论依据

膜生物反应器（MBR）技术的众多优点使其成为目前解决城市缺水问题的首选方法，但膜污染是影响其大规模稳定运行的瓶颈。因此了解膜分离过程中膜上（膜孔内及膜表面）污垢的发展演变规律性对提高膜的过滤效率起着重要的作用。本项目取得以下主要成果：1.以BSA为污染物，在研究孔堵塞和滤饼同时存在的复杂膜污染过程中通量随时间的变化规律的基础上，提出了过滤过程中堵孔面积的理念，建立了恒压完全孔阻塞-滤饼过滤过程的复合机理通量预测数学模型，其预测偏差1.83%，高于世界上同类最好的复合机理通量预测数学模型（预测偏差5.54%）。2.首次将普通过滤的基本理论应用到膜过滤过程，通过实验与计算相结合的方式证明了膜面上污垢层的紧靠膜面的紧密结构和远离膜面的疏松结构。这解决了困扰膜界近半个世纪的膜上污垢层的结构问题，完成了从最初的理论推测到半经验的推测到最后的证明过程。3.以三种不同碳氮比驯化的污泥悬浮液为研究对象，在恒压模式下进行了一系列短期的死端微过滤，阐明滤饼层形成的早期机理（初始阶段和伪稳定阶段）。在初期，污泥是关键物质，而胶体物质则是后期的主要物质。基于所形成滤饼的不均匀结构，提出了一种动态横移机理，揭示了胶体物质通过污泥表面形成的孔而聚集在膜表面。同时，建立了累积过滤体积与过滤时间的分段函数数学模型。还确定了膜污染过程中边界层通量与次边界污染速率. 针对胞外聚合物模拟溶液（蛋白质、海藻酸钠、葡聚糖或它们的混合液）、MBR悬浮液和从MBR 中提取的真实EPS溶液为进料液，开展了相应的物理清洗（水力清洗、反洗和联合清洗）和化学清洗（柠檬酸、氢氧化钠、次氯酸钠等），并结合活性污泥和其他污染物的溶解和溶胀行为，建立了相应的膜污染及清洗通量预测模型。5. 开展了膜在使用海藻酸钠、葡聚糖和不同染料时的抗污实验。本项目共建立污染和清洗数学模型 13个，发表SCI源期刊论文25 篇（一区10篇），国际会议论文3篇，出版著作1部，中文核心期刊1篇，培养研究生9人。