面向萃取膜生物反应器的高效纳米纤维复合膜构建及其抗污染性能的构效关系研究

Due to the high salinity, the saline organic wastewater cannot be degraded by the traditional biological treatment. The extractive membrane bioreactor (EMBR) combines an extractive membrane process and a bioreactor, in which the organics diffuse across an extractive membrane into a bioreactor driven by the organic concentration gradient and are biodegraded in the bioreactor. The essential part in EMBR process is the highly selective extractive membrane. Two main challenges of the EMBR process are (1) the absence of effective extractive membranes with high organic mass transfer efficiency and (2) excessive biofilm accumulation on membrane surface leading to the significant increase of membrane resistance. The critical scientific issues focus on optimization mechanisms of organic mass transfer efficiency and anti-biofouling properties of the extractive membranes. This project will aim to develop and optimize nanofibrous composite membranes for EMBR processes, control the selective layer thickness and surface topologies of the composite membranes, establish the influencing mechanisms between the properties of support layers and the organic mass transfer efficiency of the resultant nanofibrous composite membranes, modify the surface of the selective layer with various anti-biofouling materials, and investigate the anti-biofouling effects of different surfaces. This study will elaborate the interactional mechanisms between the membrane surfaces and bacteria in the bioreactor by evaluating them in the long-term EMBR operation and membrane autopsy as well as investigate the biofouling phenomena on the membrane surface during EMBR operation. This project aims to fill the gap of the absence of highly efficient and biofouling resistant membranes for EMBR and provide scientific guidance for its industrial applications.

由于高盐度对微生物的抑制作用，高盐度有机废水难以通过传统生物法进行处理。萃取膜生物反应器（EMBR）兼具了膜萃取及微生物降解优势，利用有机物浓度差作为推动力，通过膜选择性地将水中的有机物萃取进入生物反应器中进行降解，而将其他物质截留在另一侧，实现高盐废水的生物处理。该过程的核心为高选择性的萃取膜，瓶颈在于商业萃取膜的低传质效率以及膜表面的微生物污染。其关键科学问题为膜效率的优化机制及膜表面微生物污染的控制机理。针对该科学问题，本项目将制备及优化用于该过程的纳米纤维复合膜，调控复合膜选择层的物化性质，探究复合膜基体材料对传质效率的影响，提出影响传质效率的关键因素；在选择层表面引入抗菌/杀菌材料，构建抗微生物污染的多梯度复合萃取膜，通过长周期EMBR测试及膜表面污染物组分分析，探究膜表面物化性能与微生物污染之间的构-效关系，为EMBR过程处理高盐度有机废水提供科学依据。

本项目针对萃取膜生物反应器（EMBR）过程中萃取膜的有机物传质效率低、膜表面微生物污染严重这两项问题，进行性能优化及机理探究。首先，本项目设计并制备了具有三层复合结构的纳米纤维复合萃取膜，并通过静电喷涂技术对复合膜选择层进行控制，得到了具有不同PDMS选择层的复合萃取膜。传质测试结果表明选择层的物理结构与其传质效率高度相关，证明选择层厚度的降低及粗糙结构的形成可优化有机传质性能，并阐释了机制机理。本项目还采用电化学阻抗谱对所制备的复合萃取膜的传质性能进行了表征，得到了膜阻抗、选择层厚度和苯酚传质速率之间的直接关系。.其次，本项目通过制备Ag-MOFs纳米粒子以及AgNPs@ZIF-8胶囊，对复合萃取膜进行改性，实现了其抗微生物污染性能的优化。Ag-MOFs改性的萃取膜在经过12天的EMBR连续测试后，传质效率仍为初始值的89%。这是由于Ag-MOFs改性实现了银离子的逐步释放，延长了膜的抗微生物污染寿命。此外，其抗微生物污染性能还得益于膜表面疏水性的降低和负电荷的提高。此外，本项目还将AgNPs封装在ZIF-8的框架内部，保证了改性材料与膜表面的良好相容性，避免了AgNPs直接暴露在材料表面。改性萃取膜在14天的EMBR测试后，传质效率可维持在初始值的96.4%，证明了其优异的抗微生物污染性能。.最后，本项目还通过制备波纹状复合萃取膜优化其抗微生物污染性能。波纹萃取膜在各种模式及流态下均表现出优异的抗微生物污染性能。在浸没式EMBR系统中表现出最优的抗污染性能，14天连续测试后传质效率仅降低为初始值的91.6%。波纹萃取膜主要依赖于其表面的波纹结构，使微生物更难找到合适的附着点，菌落之间也更难形成连结，抑制了微生物在膜表面的粘附。相较于化学改性方法，该方法可避免因抗菌材料流失或耗尽使得抗污染性能消失的弊端，为研发高效抗污染萃取膜提供了崭新的思路。.本项目的研究成果为针对EMBR过程构建具有高传质性能、抗微生物污染的复合萃取膜，提供了实验数据支持及系统理论指导，可有效推动该技术的应用。