壳聚糖耦合四氧化三铁(Fe3O4/CS)对减缓MBR膜污染速率的应用研究

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膜生物反应器(MBR)逐渐成为一项富有创新性和前景的废水处理技术,相对于传统活性污泥法,MBR具有出水品质高、占地面积小、剩余污泥排放少等诸多优势。但是膜污染问题极大的增加了 MBR工艺能耗及运行成本,制约了其工业化运用。当前研究主要采用投加絮凝剂类药剂,通过改善活性污泥混合液性质实现膜污染控制的目的。但投加絮凝剂存在负面作用,如改变出水成分,影响微生物活性等;另一方面,为获得稳定效果,絮凝剂需要持续性投加,增加了运行成本。近年来,磁粉作为一种新型助凝剂被应用于缓解膜污染。有研究指出,磁粉的投加可强化微生物对微生物胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物产物(SMP)的利用,从而降低SMP和EPS浓度。此外,在磁粉和絮凝剂耦合投加的反应器内发现了颗粒污泥,其有效缓解了膜污染。但磁粉缓解膜污染的相关机理尚不明确,具体应用有待进一步研究。本研究利用壳聚糖改性四氧化三铁制备得到壳聚糖耦合四氧化三铁(Fe3O4/CS),其目的在于利用壳聚糖表面丰富的氨基基团优化Fe3O4表面特性,强化其对微生物的吸附能力,促进污泥颗粒化,增强Fe3O4对膜污染的控制效果。本论文通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、Zeta电位分析、N2吸附-脱附等技术对制备得到的壳聚糖耦合四氧化三铁(Fe3O4/CS)进行了性能表征。实验结果表明,采用水热合成法成功制备了具有高比表面积且表面带较高密度电荷的Fe3O4/CS;在其后的连续性试验中发现,Fe3O4/CS的最佳投加量为80 mg/L,该投加量下膜生物反应器的可持续过滤时间达到13 d,是空白对照组的2.16倍,极大的减缓了膜污染;Fe3O4/CS仍具有提高脱氢酶活性的作用,最佳投加量下脱氢酶活性高达117.5 mg/L,而空白对照组只有67.8 mg/L,使液中SMPp和EPSp浓度降低;同时由于Fe3O4/CS表面富含大量的氨基,降低混合液Zeta电位,有利于活性污泥絮体的凝聚,在体系内形成部分以Fe3O4/CS为内核的磁性颗粒污泥,进一步强化了 Fe3O4对减缓MBR膜污染的功效。此外,本论文通过傅里叶变换红外光谱、扫描显微镜、能量色散谱仪等考察了膜面泥饼层的特性,对Fe3O4/CS减缓膜污染机理进行进一步分析。
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