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膜生物反应器(MBR)利用膜分离取代活性污泥法中的二沉池,保障了二级生化出水水质的稳定性。然而,大量研究表明悬浮液中的活性污泥及其特性是影响膜污染的重要因素,限制了MBR的广泛应用。本文将膜分离过程与生物膜法相结合,利用生物膜系统中较高的生物量、较长的污泥龄与生物链、以及较低的上清液有机物浓度,在保证出水水质的前提下,解析膜污染行为并研究控制膜污染的有效途径。在不同填料条件下,考察了生物膜-MBR系统中生物膜含量对污染物去除与膜污染行为的影响特征,系统分析了生物膜特性与反应器中上清液有机物成分对膜污染的相关性,识别造成膜污染的主要物质。在此基础上,提出了臭氧化控制上清液膜污染物质的方法,通过侧流臭氧化技术实现膜污染控制目标。在不同生物膜/MBR(BF/MBR)系统中,考察填料总表面积与膜丝面积之比(R1 2.5:1、R2 5:1、R3 10:1、R4 18:1)在相同的有机物容积负荷下对污染物去除能效、膜污染发展、混合液比阻等MBR运行特征的影响。长期实验研究结果表明:填料面积差异不会导致BF/MBR系统中有机物降解与氨氧化效率的显著差异,COD与氨氮平均去除率为92%与95%。较大的填料面积会导致较高的生物量,进而造成较高的比基质利用速率,表明较高的填料面积可在一定程度上改善系统中的微生物活性。不同填料面积也会影响BF/MBR中的污泥性状,较高的填料面积(R4)会造成悬浮污泥平均粒径的增加,间接的提高膜表面由于污泥絮体造成的剪切力,进而在一定程度上降低膜表面颗粒的沉积速率。不仅如此,BF/MBR中由于生物膜的优势生长,使得膜丝表面聚集的絮体结构较为松散,形成的滤饼层孔隙率较高且厚度较小,显著的减缓膜过滤过程中的滤饼层的形成速率。BF/MBR中膜污染速率显著低于传统的MBR系统,且混合液比阻与上清液中的溶解性微生物产物(SMP)与生物高聚物簇体(BPC)呈显著正相关。研究结果表明,较高的填料面积(R4)中跨膜压差(TMP)增长速率显著低于传统MBR,原因主要是其中的混合液SMP和比阻较低。对BF/MBR中混合液特性与膜污染的相关性研究表明,混合液比阻与TMP增长速率之间呈正相关,R1和R4中SMP和BPC对混合液比阻都呈显著正相关(平均线性拟合方差分别为0.4246、0.2898),且其相关性好于传统MBR(R0)。同时,当填料面积低于10:1(R1与R2)时,SMP中的蛋白质组分是影响膜污染的主要因素。但在较高的填料面积下(R4),SMP及其组分对膜污染的影响开始减弱,而BPC成为主要的膜污染物质,但其膜污染速率显著降低。针对少量填料密度条件下(R2与R3)混合液SMP和BPC含量升高,导致膜污染严重的现象,采用侧流臭氧化控制混合液SMP浓度,实现膜污染的有效控制。研究结果表明,臭氧投加量为0.10 mg O3/mg SMP时,对污泥混合液的可生化性与比阻有明显的改善作用,同时不会影响微生物特性与絮体结构。合理的臭氧浓度对系统的污染物去除能效几乎没有影响,但可显著降低混合液的比阻,缓解膜污染。