膜生物反应器中膜污染的界面热力学机制及其调控研究

膜污染问题是膜分离技术领域急待解决的关键科学问题，极大制约了膜及膜生物反应器技术的广泛应用。本项目在前期发现独特的曲面条件下污染物粘附行为和渗透压效应的基础上，提出揭示这些污染行为的界面热力学机制，并以之指导膜制备及膜污染控制的新思路。在项目执行期间，课题组建立了和验证了一整套膜污染界面作用力定量计算方法体系，研究了系列因子通过影响界面作用力而影响膜污染的机制。同时将高分子体系的热力学机制引入到膜污染研究领域，较完整阐述了膜面污染层过滤过程中的热力学机制，建立了数学模型，并揭示了相关影响因子的影响途径。最后提出了基于界面热力学的膜污染控制策略。本项目在膜污染基础理论方面取得了一定的突破。基于这些工作，本项目科研成效较突出，共发表SCI论文37篇和申报专利7项，其中SCI一区论文19篇，二区论文18篇，总影响因子超过240，单篇平均影响因子超过6.0。 2100433B

膜污染问题是膜分离技术领域急待解决的关键科学问题，极大制约了膜及膜生物反应器技术的广泛应用。在刚结题的国家自然科学基金青年项目的资助下，发现曲面条件下的污染物粘附行为与平面条件下的行为明显不同；同时膜面污泥层过滤存在显著的渗透压效应，是过滤阻力的主要来源。这些发现的内在机制和调控方法急待进一步研究。基于这些发现，课题组提出对曲面条件下膜与污染物之间的界面作用力进行定量计算，并以之指导抗污染超滤膜的设计的新思路。课题组拟采用AFM、CLSM等技术对膜、污染物和污泥层的表面性质及结构进行表征，采用数理计算方法结合超级计算机技术对表面形态进行建模并实现曲面条件下热力学的定量计算，同时深入揭示渗透压效应机制，最后提出界面作用力和渗透压效应的调控方法。本项目的研究不仅是揭示MBR中的膜污染机理和构建高效膜污染控制方法的一条新途径，也是对高效污水处理和回用技术的进一步发展，具有重要的科学意义。

膜污染问题限制了膜生物反应器的更广泛利用。本研究的重点在于从膜污染因子变化影响膜面滤饼层微观结构和渗透性能的角度剖析膜污染机理，建立数学模型，对不同工况下的膜污染程度做出预测。采用的方式为将分形理论与膜污染控制研究相结合。以分形理论和自动图像分析技术为依托，得到膜面滤饼层微观结构和渗透性能的定量化表征；对膜生物反应器中膜污染因子间相关性及其对滤饼层微观结构和渗透性能的影响进行系统研究，解析膜污染形 2100433B

膜生物反应器（MBR）是一种高效的污水处理和回用技术，但膜污染问题成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目从膜过程和膜面污泥层控制的角度出发，提出结合正渗透（FO）膜过程和超声波技术控制膜污染的新思路。我们对膜污染机制进行了系统的分析研究，提出了两种新的膜污染机制和理论：膜面污泥层过滤的渗透压效应，和曲面条件下膜污染的界面热力学机制。以这些理论为基础，对主要膜污染影响因子进行识别，分析和理清了主要因子影响膜污染的作用方式和途径。同时给出了相关膜污染机制的数学模型，为膜污染控制提供了理论指导。本项目还研究了超声波对膜、污泥和反应器性能的影响，优化了操作条件。项目执行期间，共发表学术论文37篇，其中34篇SCI论文，SCI 影响因子总和为141，发表SCI长篇综述论文3篇，被认为是MBR领域的经典著作。 2100433B