膜蒸馏生物反应器中膜的生物污染形成机理与控制研究

Membrane distillation bioreactor (MDBR) is a new type of membrane bioreactor which can combine the two processes of wastewater treatment and pure water production in one step. However membrane biofouling has become a bottleneck for wide-spread application of MDBR technology. To tackle this problem, fouling mechanism study and control strategy development are extremely important. Therefore, this proposal aims to investigate the influence of micro-organisms and their microbial production on mass transfer resistance during membrane distillation of the thermophilic activated sludge. The bio-fouling layer will be characterized by using Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM), Emission Electron Microscope (EEM) and other microscopic techniques. Moreover, determination of sludge components and optimization of operating conditions will also be conducted in order to have an in-depth understanding on membrane biofouling. With a focus on distribution and deposition of pollutants on membrane surface, it is expected that this study will provide new insights on identifying the interactions between the thermophilic activated sludge and membrane biofouling, and therefore establish an effective fouling control strategy. The success of this project will promote the application of MDBR for wastewater treatment, and provide a new method for wastewater reclamation.

膜蒸馏生物反应器是一种可以实现对污水进行处理并回用的新型膜生物反应器，然而膜的生物污染问题已成为制约膜蒸馏生物反应器技术广泛应用的重要因素，问题的关键在于研究生物污染的形成机理及其控制策略。因此，本项目拟针对嗜热好氧微生物及其代谢产物与膜相互作用形成生物污染这一科学问题，结合共聚焦激光显微镜（CLSM）、发射式电子显微镜（EEM）等表征手段，通过研究生物污染层的组成及结构特点、嗜热好氧活性污泥的性质以及膜蒸馏生物反应器的操作条件，着重考察微生物及其代谢产物在膜蒸馏温差驱动特定条件下对膜通量的影响，从污染物分布状态和吸附优先性的角度分析膜生物污染形成的机理，深化宏观研究的微观理论基础。研究工作可望在膜生物污染方面建立新的研究方法，获取通过改变嗜热好氧活性污泥性质降低膜生物污染的原理，有助于实现污水处理与资源循环利用的附加效益，为污水的资源化利用提供新路。

膜蒸馏生物反应器可以在实现微生物去除污染物的同时获得蒸馏水，是一种很有潜力的污水深度处理技术。然而膜的生物污染严重，已经成为制约膜蒸馏生物反应器技术广泛应用的重要瓶颈。本项目在实验室建立了膜蒸馏生物反应器实验及蒸馏膜改性分析测试平台，重点开展了膜蒸馏生物反应器中膜生物污染层组成及结构特点、微生物及其代谢产物对膜污染的影响以及预处理/膜改性方法减缓膜污染等三个方面的研究。研究发现，膜污染层主要由蛋白质、多糖和腐殖酸类等有机物为主，这些污染物与活性污泥上清液高度同源。膜污染层中微生物种类比反应器活性污泥多，微生物种群结构变化会影响活性污泥絮体结构和代谢产物浓度，从而改变膜表面生物污染倾向。聚合氯化铝/大孔树脂吸附可以有效降低蛋白质、腐植酸和富里酸浓度，并抑制无机碳酸钙沉淀的形成，因此可以作为有效预处理手段。此外课题组通过纳米SiO2表面涂覆与氟硅烷表面修饰的方法，成功制备出具有良好抗生物污染性能的复合膜，并采用响应面法对合成条件进行了优化。本项目的成果阐明了膜蒸馏生物反应器中膜生物污染的特点和形成机制，有针对性的提出了预处理及表面抗污染调控方法，对于进一步推广膜蒸馏生物反应器具有重要意义。