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【中國環(huán)保在線 技術前沿】MBR是一種較為新型的污水處理和回用技術，但是其因為自身膜污染和膜投資成本等問題在推廣應用中遇阻。正因為此，國內(nèi)外的相關研究10余年未曾懈怠，中山大學從污染源入手，建立了膜污染評估新方法，提出了有效的MBR反洗方法，研發(fā)了具有脫氮功能、低膜污染速率和低成本特點的新型MBR，并開展了應用和中試研究。
中山大學研發(fā)新型MBR技術 構(gòu)建膜污染評估新方法
MBR是由活性污泥和膜分離耦合而成的一種較為新型的污水處理和回用技術。鑒于膜的固液分離作用，MBR具有占地少、污泥濃度高、出水水質(zhì)好等顯著技術優(yōu)勢，因此，該技術在范圍被廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，MBR污水處理總量的市場增長率一直保持在10%以上。隨著MBR技術的成熟和運營經(jīng)驗的積累，越來越多的大規(guī)模MBR工藝(>10萬噸/天)被用于市政污水處理。例如，在瑞典斯德哥爾摩將投產(chǎn)世界大MBR污水廠，設計處理規(guī)模達86萬噸/天。顯然，MBR技術將在污(廢)水處理領域扮演重要角色。
膜污染和膜投資是困擾MBR推廣應用的重要問題
作為一種新興技術，MBR仍然存在自身的缺陷。在MBR運行過程中，污泥混合液中的微生物、有機物等會在膜表面沉積，引起膜污染，進而導致產(chǎn)水量大大降低、工藝運行不穩(wěn)定見。國內(nèi)外科研人員和工程管理人員對MBR膜污染問題開展了10余年的研究工作，取得了顯著進展。但是，在MBR膜污染方面依然有許多科學和技術問題尚未得到徹底解決？傮w來看，“膜污染物來源多(污水、生物大分子、微生物)、形成途徑復雜(膜截留、生物生成、生物降解等)”和“膜污染控制方法不成熟、機理不明確”是困擾MBR膜污染識別、表征及控制的關鍵。另外，過高的膜投資成本無疑會限制MBR在污(廢)水處理領域的應用。因此，研發(fā)高性能膜材料或采用低成本過濾介質(zhì)有望降低膜的投資成本。然而，如何確保新型膜材料和低成本過濾介質(zhì)的穩(wěn)定運行值得探究。
膜污染物的源解析
中山大學環(huán)境科學與工程學院孟凡剛教授課題組一直從事膜污染和新型MBR反應器的研究工作。微生物細胞表面的胞外聚合物(EPS)及其釋放所產(chǎn)生的溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)一直被認為是膜污染物的主要來源。EPS和SMP組成(多糖、蛋白質(zhì)和腐殖酸等)和形成機制(微生物分泌和基質(zhì)降解等)的復雜性導致人們對膜污染機制的認識一直不明確。研究發(fā)現(xiàn)：不同分子尺寸范圍的SMP具有顯著不同的膜污染行為。在0.45 µm-10萬Da尺寸范圍內(nèi)的 SMP(主要由多糖組成)會在膜表面沉積，成為關鍵的膜污染物；而小于10萬Da的SMP會透過膜，成為膜出水有機物的主要成分。同時，借助蛋白質(zhì)組學的研究方法，研究發(fā)現(xiàn)：在膜污染的初期(TMP發(fā)生跳躍前)，SMP是膜污染物中蛋白質(zhì)的重要貢獻者；而在嚴重膜污染階段(TMP發(fā)生跳躍后)，胞外聚合物(EPS)逐漸成為膜污染物中蛋白質(zhì)的主要來源。此外，生物降解實驗和多組分生物降解模型(G models)的研究結(jié)果表明：SMP中的多糖和膜污染物(TMP跳躍后)中的多糖具有非常相似的生物降解行為；而EPS中的蛋白質(zhì)和膜污染物中的蛋白質(zhì)具有相似的降解行為。以上研究表明，膜表面微生物自身分泌的EPS和污泥上清液的SMP分別是膜污染物(嚴重膜污染階段)中蛋白質(zhì)和多糖的根本來源。這些研究結(jié)果一方面揭示了膜污染物的來源及形成規(guī)律，另一方面為MBR膜污染控制方法的優(yōu)化(如反洗等)提供了重要理論依據(jù)。
膜污染物的光譜表征
構(gòu)建膜污染物的原位表征新方法對膜污染的預測與控制具有極為重要的意義。研究發(fā)現(xiàn)：熒光光譜(EEM)和紫外-可見光譜(UV-vis)技術在表征溶解性有機物(DOM)性質(zhì)及其水環(huán)境行為方面具有潛在優(yōu)勢。例如：EEM可以有效識別DOM不同組分間(如：蛋白質(zhì)類和腐殖質(zhì)類組分)的相互作用機制，為復雜成分溶液(如：SMP或DOM)膜污染機理的解析提供了理論依據(jù)；而基于UV-vis掃描所獲得的特征光譜參數(shù)(DSlope325-375、S275-295、SR)不但可以表征不同水環(huán)境中(pH、鈣離子、鋁離子)DOM聚集體分子尺寸變化情況，而且能夠準確預測膜污染趨勢及膜污染過程中膜截留能力的變化。這些研究為MBR中污泥混合液SMP的原位檢測及其膜污染趨勢的預測提供了理論和技術支持。
