曝气和微电场相互作用对MBR膜污染缓解机理的研究

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膜污染的发生限制了膜生物反应器(MBR)的广泛应用,采用有效的控制方法至关重要。将MBR与微生物燃料电池(MFC)耦合,MFC产生的微电场对MBR膜污染有一定的控制作用,同时,MFC的废水处理性能得到提升。然而曝气作为系统运行的必要条件,微电场与曝气共同存在情况下的膜污染状况有待进一步探索。针对以上问题,本研究构建了环形MFC-MBR耦合系统,考察了曝气和微电场对膜污染产生的影响,并通过混合液污泥性质和膜表面的变化,对膜污染的缓解机理进行解析。MFC-MBR耦合系统的启动与运行分析表明:MFC经两个月的梯度驯化,电压保持相对稳定的连续输出状态,MFC驯化成功。然后将MFC与MBR耦合,当水力停留时间(HRT)为36 h时,耦合系统的出水化学需氧量(COD)浓度明显降低,COD去除率均在94%以上,该系统能够长期稳定运行。曝气和微电场对膜污染的影响分析表明:MFC-MBR耦合系统的膜污染速率比C-MBR对照系统低34%、35%和8%,微电场的作用有利于膜污染速率的降低。当曝气强度较低时,MFC-MBR耦合系统的饼层阻力降低了 30.7%和26.7%。但在曝气强度为2.5 L/min的条件下,MFC-MBR耦合系统的饼层阻力降低了 13.2%。这可能是由于高曝气的干扰,微电场对饼层污染的缓解被削弱。同时,由于饼层阻力对总阻力的贡献更大,且膜孔阻力主要受曝气强度的影响,高曝气作用下膜污染速率的降低幅度变小可能是由于饼层污染的缓解被削弱。结合系统处理性能,曝气强度为1.5 L/min时,COD去除率的提升效果最好(5.8%),该工况条件是系统的最佳运行条件。MFC-MBR耦合系统的膜污染特性研究表明:MFC-MBR耦合系统达到25 kPa所需时间延长了 16天,污染物在膜上的附着更少,更松散,膜污染得到缓解。MFC-MBR耦合系统膜表面无机元素、多糖和蛋白质等物质的减少表明,微电场的作用减少了污染物在膜表面的附着。MFC-MBR耦合系统中,膜组件附近的SMP和LB-EPS含量降低,这可能是由于静电斥力、电中和以及微生物的降解作用引起。同时,LB-EPS中蛋白质和多糖含量分别下降了 38.5%和50.1%,多糖的大幅度减少使其在生物凝胶层上的粘附性降低,对MFC-MBR耦合系统的膜污染有一定程度的缓解。膜组件附近带负电荷基团的减少导致zeta电位绝对值降低,污泥颗粒之间的排斥力也随之下降,污泥絮凝性进而得到提升。此外,微电场的诱导下TB-EPS增加,TB-EPS的增加也会产生更稳定的污泥絮凝体。污泥絮凝性的升高使得MFC-MBR耦合系统的平均粒径升高,混合液中小粒子所占比例减少,膜通量的下降速率减缓,MFC-MBR耦合系统膜污染得到缓解。
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