膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)是在传统的活性污泥法基础上增设了膜分离单元的一种新兴污水处理技术。虽然MBR技术发展的时间短,但是在其自身优势(出水质量标准高、投资成本降低和技术认可度提升)和外部大环境(全球水资源短缺、污水排放立法放标准日益严格、中水回用质量要求提高以及现有污水处理厂亟需更新升级)的驱动下,发展迅速,市场潜力巨大。然而不可避免的膜污染却带来了操作上的最大难题:生产率降低,由于空气和冲刷,增加对能源的需求,需要频繁的清洗恢复膜的通透性,从而阻碍了其普及和广泛应用。因此,有必要从膜污染机理层面展开研究,寻求高效的污染控制策略。本课题启动并运行一个实验室规模的浸没式膜生物反应器400天以上,深入探究了 MBR中膜污染潜在机制和影响因素。基于Flory-Huggins高分子溶液理论,本文首次提出一种凝胶污染新机制,具有首创性。并通过XDLVO(Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)界面热力学理论分析污泥絮体粒径、膜表面性质(膜表面电子供体张力分量γ-、zeta电位)等因素对膜污染的影响,从而提出膜污染控制策略。主要研究结果如下:(1)根据Flory-Huggins高分子溶液理论,凝胶层过滤过程中存在化学势差。将化学势差与凝胶层过滤阻力联系起来,提出以Flory-Huggins理论为基础的膜凝胶污染机制,对凝胶污染造成的高过滤阻力的原因进行阐释。建立数学模型,并对模型进行拟合,拟合结果与实验结果高度吻合,模型具有可行性。(2)将琼脂作为凝胶层形成过程中的多糖模拟物质,开展系列过滤实验,验证了 Flory-Huggins理论机制的存在的真实性;同时得出高分子的体积分数(φ2)和Flory-Huggins相互作用参数(χ)是影响琼脂凝胶层特性过滤阻力(SFR)的关键因素:SFR随着的φ2增大而增大,随着χ的增大而减小。而pH和离子强度对凝胶层过滤阻力无影响。本文所提出的新机制还能从结合水的角度来证明:化学势差使得水结合在聚合物的官能团上,使得整个体系的化学势最低的,凝胶具有最大限度的热化学稳定性。Flory-Huggins理论能很好的解释了凝胶层的高过滤阻力得原因,并为探索凝胶层污染机制提供了新的视角。(3)通过研究MBR中污泥的黏附性能及滤饼层的过滤阻力,明确污泥絮体粒度对膜污染的影响。对膜和污泥的表面性质进行表征,发现膜生物反应器(MBR)中的悬浮液的絮体粒度几乎都大于1μm。污泥絮体粒度对膜孔阻塞污染没有明显且直接的影响。(4)基于XDLVO理论计算出污泥--膜之间的相互作用力,从热力学角度描述了污泥絮体粘附到膜表面的机制:污泥絮体由远及近黏附到膜的过程中,存在第二最小能量值和能量壁垒。第二能量最小值的存在显示污泥有黏附到膜表面形成凝胶层的可能性,但是由于能量壁垒的存在,污泥颗粒絮体要克服能量壁垒才能在膜表面沉积粘附,说明形成滤饼层要经历一个力的作用过程,这个过程是缓慢长期的。(5)探究污泥絮体尺寸对膜和污泥絮体之间的热力学作用力的影响。同时开展系列过滤实验,研究污泥絮体尺寸对滤饼层过滤阻力的影响。热力学分析显示,膜与污泥絮体之间的特性相互作用能垒会随着污泥絮体粒径的减小略微增大,而在接触时(距离为0.158 nm)的吸引力却大幅提高了,因此小颗粒污泥的黏附性更强。污泥悬浮液中若有生物聚合物组分存在,能显著提高滤饼层的过滤阻力。这种现象不能用Carman-Kozeny方程解释,却可以用渗透压机制解释:包括EPSs、SMPs和BPCs在内的生物聚合物组分都有带负电荷的官能团,由于体系宏观电中性的规则,生物高聚物中的反离子被截留在滤饼层中,滤饼层中的水的化学势比滤液中的水的化学势要低得多。水从滤饼层中过滤像是从低化学势的一侧拖拽到高化学势一侧,导致渗透压过滤阻力的产生。渗透压机制产生的过滤阻力会随着污泥絮体粒径的减小而增大。(6)本文基于XDLVO理论对膜--污染物之间界面作用力进行精细数学建模,结合表面元积分(SEI)法,优化了复合Simpson法则的高性能计算方法,系统地评估了三种不同模型(凝胶污染物-粗糙膜、污泥污染物-光滑膜、污泥污染物-粗糙膜)的相互作用力。结果发现膜表面电子供体张力参数(Y-)是比表面亲水性更为可信的污染预测指标:当Y-大于某临界值时,膜-污染物在接触范围内总是相斥的,污染物很难粘附到膜表面。同时还发现,膜表面zeta电位对污染黏附具有一定的影响。本文在热力学分析的背景下,提出了一种通过调控膜表面性质来优化膜抗污染性能的新策略。