膜生物反应器中多孔膜清洗的机理量化研究及动力学建模

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，但膜污染是影响其稳定运行和大规模应用的瓶颈。虽然许多措施已用于膜污染的改善，但膜污染始终都无法避免，因此，科学的膜清洗十分必要并且其经济效益可观。.MBR中膜表面及膜孔中物质的清洗机理和清洗动力学构成膜清洗过程的基础科学问题。高效节能膜清洗的关键问题是确定膜清洗动力学规律性，其前提条件是深入了解膜的不同清洗机理并量化其在清洗过程中的贡献大小。本项目使用MBR中常用的多孔（微滤或超滤）膜作为研究对象，用MBR的EPS真实（模拟）溶液和MBR悬浮液作为进料液，进行过滤及物理清洗（水力漂洗和反冲洗）和化学清洗实验，并运用各种表征方法（SEM、AFM等）及实验结果来深入研究膜污染及清洗机理，量化其在清洗过程中的贡献，建立清洗动力学数学表达式，从本质上把握膜清洗对于缓解膜污染的作用，为MBR实际工业应用提供重要的理论依据。

膜技术是解决目前城市缺水问题的首选方法，但膜污染是影响MBR长期稳定运行和大规模应用的瓶颈，膜清洗是目前解决中这一难题的根本方法。.本项目针对MBR中造成膜污染的主要物质（海藻酸钠（SA）、牛血清蛋白（BSA）、腐殖酸（HA）、EPS真实/模拟溶液和MBR活性污泥悬浮液等），采用不同的微滤膜，在死端过滤装置中探究了不同过滤操作条件（浓度、pH、温度、搅拌速度、压力、钙离子浓度、离子强度等）下的污染情况并确定了上述物质的污染机理、操作条件对膜污染的影响。之后分别采取了物理清洗（水力清洗、反洗和联合清洗）和化学清洗（柠檬酸、草酸、盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠、EDTA等），考察了不同清洗条件与膜清洗效果之间的关系并研究了膜污染及清洗过程的通量预测模型。主要结论如下：.1、BSA在PVDF膜上的吸附量随pH、离子强度和浓度的变化；Langmuir 和Freundlich等温式能够很好地描述BSA在PVDF膜上的吸附量。增加转速、减少钙离子浓度和增大pH均可减轻HA在PVDF膜上的污染。搅拌速度是影响PAN膜过滤SA的主要因素，温度是清洗过程的主要影响因素。建立了海藻酸钠膜污染的水洗动力学模型。2、三元EPS模拟混合物能够较好地模拟真实EPS溶液。SA的存在是模拟真实EPS溶液的必要条件。真实EPS的膜污染机理主要是滤饼过滤。确定了操作条件对其累计过滤体积的贡献率及顺序；用QCM仪证明了次氯酸钠的清洗效果最好。建立了关联膜上吸附的真实EPS质量与清洗剂浓度和清洗时间之间的数学模型。3、探究了活性污泥临界通量的影响因素。活性污泥在微滤膜上的污染机理为滤饼过滤并建立了相应的污染模型。确定了五种不同清洗方式（化学清洗、反洗、反洗和水洗联合清洗、水洗、无清洗）的清洗效率顺序。用熵权法确定了各清洗操作条件对水洗清洗效率的影响顺序。确定了不同化学清洗操作条件对累计渗透体积的平均变化率的影响顺序。此外，还建立了关联化学清洗剂的浓度和清洗时间的化学清洗数学模型。4、还用PVDF超滤膜对模拟含聚合物油田废水进行过滤时的临界通量及其影响因素进行了研究。利用支持向量机方法成功实现了少样本实验时通量的准确预测。此外，还开展了比阻、传质系数、模型参数变化规律等方面的研究工作。本项目共建立污染和清洗数学模型8个，发表SCI源期刊论文12篇（一区2篇），国际会议论文9篇，中文核心期刊2篇，培养研究生7人