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膜生物反应器(MBR)是将生物反应器和膜分离技术结合的一种高效水处理技术,膜污染一直是限制其广泛应用的瓶颈。微生物代谢产生的胞外聚合物被认为是造成MBR膜通量下降,跨膜压上升的主要因素,其中多糖和蛋白质是造成膜污染的主要因素。许多研究表明MBR反应器运行工艺条件(如水力停留时间,污泥龄,溶解氧等),进/出水水质(如组成和浓度等)等影响MBR的运行和膜污染,但鲜有涉及多污染因素联合作用下MBR膜污染的微观过程,对其中涉及的膜污染机制尚无定论。尽管影响MBR膜污染的因素众多,且这些条件也对微生物代谢产物的组成和浓度产生影响,然而在膜分离界面上,主要污染物如颗粒物、微生物代谢产物等,及主要污染物之间的相互作用对膜污染产生直接影响。本文重点考察MBR主要膜污染物组成成分(颗粒物、蛋白质和多糖)浓度及比例变化对膜污染的影响,采用3D-激光共聚焦显微等分析手段,探索MBR膜污染发生、生长、形成的微观形态及其变化过程,并解析主要污染物之间的相互作用机制,这对于更全面的认识MBR膜污染发生机理具有重要意义,取得了以下研究结果：
⑴考察不同蛋白质和多糖浓度和比例对3种典型微滤膜材料(PVDF、PES和PC)膜污染性能的影响。膜污染饼层的形成是膜污染的主要类型,而膜材料的孔隙率和粗糙度是造成膜污染过程差异的重要原因。膜孔吸附产生阻力的大小依次为PC>PES>PVDF,对于PVDF和PES膜,最终膜污染速率与不可逆污染阻力(Rcp)有很好的相关性；蛋白质的截留率高于多糖,从高到低依次为PC>PES>PVDF。
⑵建立小型活塞流曝气MBR,研究了运行过程中反应器内污泥上清液中溶解性细胞产物(SMP)污染物的浓度和荧光光谱随污泥龄(SRT)的变化,考察了SMP中蛋白质/多糖(PN/PS)比例对膜污染的影响。结果表明:PN/PS的比例在蛋白质和多糖的相互作用中起到了关键作用,当PN/PS比例低时,多糖物质倾向于粘附于膜孔内部,形成不可逆(Rf)阻力；而当蛋白质大量存在,PN/PS值高时,蛋白质将与多糖共同作用,形成膜污染滤饼层,使R+值变小。SMP中主要成分蛋白质、多糖和腐殖酸在膜上的吸附量随着PN/PS比例的升高而升高；与微生物产物相关区域(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)FRI荧光指数的变化与PN/PS值有很好的相关性。
⑶通过正交实验,应用SPSS16.0分析了3种膜污染因子蛋白质(PN)、多糖(PS)和颗粒物(SS)(酵母菌)对膜污染阻力的影响,并利用CLSM图像详细分析了膜污染层的结构。结果表明：PVDF膜可逆/不可逆(Rcp/Rf)阻力比值随着多糖浓度的升高而升高,Rf阻力随着多糖浓度的升高而降低,却与蛋白质的浓度呈正比；通过T检验(a=0.05)可得,PN和PS是PVDF膜孔堵塞的主要原因,PN和SS对PC膜的总阻力有显著作用,膜污染层主要是PN和SS的共同作用；激光共聚焦(CLSM)图像表明,PVDF表面,大分子物质围绕在颗粒物周围共同形成污染层,PC膜表面酵母菌的存在形成筛子状,蛋白质起到连接架桥作用。
⑷通过C++编程,对CLSM分层图像进行数值计算,可得到污染物之间的相互作用关系。对于2种膜材料来说,污染物之间的作用主要有单独存在、相互包裹、以及相互交叉3种形式。根据截留率和阻力分析可知,对PC膜来说,蛋白质与酵母菌之间结合力强于蛋白质与多糖,蛋白质结合在酵母菌外部增大了污染层阻力；多糖物质的存在增大了膜孔堵塞的程度。对于PVDF膜来说,蛋白质和多糖之间作用力>多糖和膜材料的作用力>多糖和酵母菌的作用。