MBR中溶解性微生物产物膜污染界面微距作用机制定量解析

膜生物反应器(MBR)中溶解性微生物产物(SMP)造成的膜污染问题，严重影响了MBR运行的稳定性和经济性，限制了MBR在污水资源化领域的推广应用。目前，国内外对MBR中SMP膜污染问题的研究尚处于以实验探索为主体的初级阶段，基本研究思路是通过对设定条件下取得的各类实验数据进行综合分析，定性推测膜污染机理，尚未展开更深层次的定量解析。由于缺少基础理论方面的验证与支撑，所得研究结论不具备普遍适用性。本课题将以理论研究为基础，运用胶体与界面化学研究领域的XDLVO理论，从界面微距(< 20nm)作用机制层面深入探究MBR中SMP膜污染机理；定量解析范德华力、静电力及疏水性力相互作用对复杂溶液环境中不同"SMP-膜材料"系统膜污染趋势、速率、程度和可逆性的影响；明确XDLVO理论预测值与膜污染实验测定值的相关关系；创建SMP膜污染机理的量化理论评价体系；揭示MBR中SMP膜污染现象的一般性规律。

本课题利用extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论，定量解析不同溶液环境下有机物微滤膜污染过程中的界面微距作用。依据所测定的有机物与微滤膜的接触角和Zeta电位，分别计算膜-污染物之间的粘附自由能及污染物-污染物之间的粘聚自由能，定量分析各种界面微距作用，分析预测不同溶液环境（pH值、离子强度和二价离子）下有机物微滤膜污染行为，并在相应条件下进行微滤实验和膜清洗实验以评价XDLVO理论的有效性。理论分析结果表明：极性作用力对有机物微滤膜污染起决定性作用，范德华作用力贡献较小而双电层作用力的影响可以忽略。因此，改善膜与有机污染物表面亲/疏水性是控制有机物微滤膜污染的关键。微滤过程初始阶段及后期阶段膜污染趋势分别与膜-污染物之间的粘附自由能及污染物-污染物之间的粘聚自由能具有良好的线性负相关性。在膜-污染物界面作用所控制的初始过滤阶段，相比于亲水性膜，疏水性膜污染趋势更为严重；而在污染物-污染物界面作用控制的后期过滤阶段，亲水性膜与疏水性膜的污染行为差别不大。蛋白质类物质牛血清白蛋白（BSA）微滤膜污染随溶液pH值的变化趋势为pH 10 < pH 7 < pH 3 < pH 4.7，即pH值为BSA的等电点4.7时，膜污染最为严重。多糖类物质海藻酸钠（SA）微滤膜污染趋势随着pH值的降低、离子强度的升高而加重，而当钙离子存在时，增大离子强度反而有利于减轻SA膜污染。不同浓度配比的腐殖酸HA-SA混合物对微滤膜的污染随着SA比例的增大而加重，说明有机污染物中的多糖类物质比腐殖酸类物质具有更强的膜污染能力。相应条件下的微滤膜污染实验结果与XDLVO理论分析结果一致，证明XDLVO理论能够合理有效分析预测不同溶液环境下的有机物微滤膜污染行为。此外，与以往XDLVO理论膜污染研究不同，本研究首次尝试对初期/后期膜污染行为与粘附/粘聚自由能之间的线性关系进行定量分析。结果表明，界面微距作用的变化对过滤初期膜孔堵塞污染的影响显著大于后期滤饼过滤污染，说明XDLVO理论对膜污染行为的定量分析预测应与具体的污染机制相结合。界面微距作用对初期膜污染影响较大，而初期膜污染又是整个过滤过程中污染最严重的阶段，因此初期膜-污染物之间界面微距排斥作用的加强将明显减轻膜污染。总体而言，本研究对有机物微滤膜污染过程中的界面微距作用机制进行了