渗透膜-生物反应器生物污染层形成机制的解析研究

渗透膜-生物反应器（OMBR）是具有很大潜在应用价值的污水处理及回用技术。本课题以目前普遍应用的Hydration Technologies 公司的三醋酸纤维素FO膜，架构处理模拟生活污水的小试规模OMBR装置，以其膜表面所形成的污染层为基本素材，展开如下研究：借助荧光标记结合激光共聚焦显微镜方法，原位解析多糖、蛋白质和微生物在膜污染层中的分布及迁移转化规律、微生物种群的更替规律和生物膜结构的变化，在微尺度水平上表征有机物与微生物在膜面的动态变化过程；通过研究以钙离子为代表的无机离子与有机物和微生物的协同作用，阐明无机离子对生物污染层形成的强化作用机理；探明OMBR过程中关键运行参数对生物污染层形成的影响机制，进一步加深对生物污染层形成机制的认识。本项目的研究成果可以丰富和加深对FO膜污染机理的认识，并对OMBR的运行优化和膜污染清洗及控制具有一定的指导作用。

基于正渗透（FO）膜对污染物的高效截留和膜污染趋势小的特点，国外学者于2008年将FO技术与活性污泥法相结合提出了一种新颖的工艺——渗透膜-生物反应器（OMBR）。虽然OMBR与MBR相比具有出水水质好和膜污染趋势小的特点，但是仍然存在着通量过低的问题，严重制约了其应用。除了FO膜本身存在的浓差极化问题，盐度积累和膜污染也是导致通量低的重要原因。因此，我们的研究紧紧围绕盐度积累和膜污染这两个关键问题来展开。本研究构建了浸没式和分置式两种OMBR装置，运行结果表明总有机碳（TOC）的去除率大于98%，氨氮的去除率大于99%，膜污染主要是可逆污染，且通过物理清洗就可以恢复初始水通量；借助溶质的物料平衡，获取了OMBR中盐度的变化规律，并发现改变水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）可以控制盐度的变化；借助改变SRT创造了两种盐度环境，发现减小SRT可以减缓盐度的积累，盐度积累形成的高盐度环境是造成FO通量衰减的主要原因，且对活性污泥性质和微生物的活性有负面影响，最终导致微生物对氨氮去除率的下降；首次提出了借助微滤（MF）技术来实现盐度控制的方法，有效的缓解了OMBR中盐度的积累，稳定时的盐度被控制在了5 mS/cm左右，水通量由原来的2 L/(m2 h)左右提高到了5.5 L/(m2 h)左右；成功构建了多重荧光染色耦合激光共聚焦显微镜（CLSM）技术平台，借助该技术平台发现β-D-glucopyranose多糖比α-D-glucopyranose多糖更容易在FO膜表面沉积，微生物除了在生物污染层最初形成的时候起到重要的作用之外，在3 d之后几乎无法在污染层的上部观察到，EPS对生物污染层的形成具有重要作用，以此为基础提出了FO膜面生物污染层形成的三阶段理论；在我们开展研究的过程中，新的商用TFC材质的FO膜出现了，对TFC和CTA膜运行情况和膜污染的对比结果表明，虽然TFC可以在一定程度上减少盐度积累，但是由于其表面比较粗糙，其膜污染也更重。通过本研究掌握了OMBR中盐度积累的形成过程及其对OMBR运行、微生物种群和膜污染的影响，解析了FO膜表面生物污染层的形成机制，并借助MF技术实现了OMBR中盐度的有效控制，成功解决了盐度积累的问题，对今后OMBR的运行优化和膜污染的清洗及控制具有一定的指导作用。