水处理膜过程污染机理及其控制

本书以水处理中的膜污染为主线，主要介绍了天然有机物的膜污染行为与机理、生物大分子的膜污染行为与机理、膜污染的微生物生态机制和膜污染控制四个方面的内容，旨在深入解读水处理膜过程的污染机理及提出高效、绿色的膜污染控制方法，最终为膜工艺特别是膜生物反应器应用于水处理过程的节能降耗与可持续发展提供理论依据与技术支撑。 本书具有较强的技术应用性和可操作性，可供从事废水处理及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、市政工程、生态工程及相关专业师生参阅。

孟凡刚，教授，博士生导师，广东省环境污染控制与修复重点实验室副主任，自2019年起担任Journal of Water Process Engineering（IF3.173）杂志的副主编。 在大连理工大学获得环境工程专业博士学位（2007.4），随后在德国洪堡基金的资助下到柏林工业大学从事研究工作（2007.5-2018.12），于2009年5月到中山大学环境学院开展研究工作。 工作期间，候选人曾获得国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目和青年基金以及广东省自然科学基金杰出青年基金等项目的资助，主要围绕MBR膜污染的识别与控制和高效脱氮MBR技术的研发开展工作。

第1章 概述 001 1.1 水污染及膜处理技术 001 1.2 膜生物反应器 002 1.2.1 膜生物反应器简介 002 1.2.2 膜生物反应器的应用与研究现状 003 1.2.3 膜生物反应器主要膜组件构型及其供应商 005 1.3 膜生物反应器膜污染评价与表征方法 009 1.3.1 膜污染评价方法 009 1.3.2 膜污染表征手段 011 1.4 膜生物反应器膜污染机理 013 1.4.1 膜污染类型及关键污染物 013 1.4.2 膜污染机理及其动态变化过程 014 1.5 膜生物反应器膜污染控制 015 1.5.1 膜污染影响因素 015 1.5.2 膜污染控制方法 016 参考文献 018 第2章 腐殖酸的超滤膜污染行为 019 2.1 关键技术手段 019 2.2 Ca2+ 对HA 的UV-vis 吸收光谱的影响 020 2.3 UV-vis 光谱参数表征HA 膜污染行为 028 2.4 UV-vis 光谱特征参数表征膜出水中HA 分子量 032 参考文献 035 第3章 自然光照对腐殖质膜污染行为的影响 036 3.1 关键技术手段 036 3.2 自然光照对HS 性质的影响 037 3.3 自然光照对HS 与Ca2+ 相互作用的影响 039 3.4 光照/ 遮光条件下HS 在超滤膜上的吸附情况 041 3.5 光照/ 遮光条件下HS 的超滤膜污染情况 042 参考文献 045 第4章 UV-vis 光谱在絮凝- 超滤过程中的应用 046 4.1 关键技术手段 046 4.2 氯化铝对DOM zeta 电位和尺寸的影响 047 4.3 氯化铝对DOM 的UV-vis 光谱特征参数的影响 048 4.4 铝絮凝对DOM 膜污染的影响 054 4.5 氯化铝对DOM 截留率的影响 059 参考文献 060 第5章 UV-vis 光谱表征超滤膜化学清洗效能 061 5.1 关键技术手段 061 5.2 NaClO 对AHA 溶液的UV-vis 和EEM 光谱的影响 062 5.3 NaClO 对AHA 膜污染物中含碳基团的影响 072 5.4 NaClO 对AHA 膜污染行为的影响 075 5.5 使用UV-vis 光谱特征参数评估NaClO 的清洗效能 078 参考文献 079 第6章 生物大分子的分子尺寸特征 080 6.1 关键技术手段 080 6.2 BMM 在膜生物反应器中的浓度分布 082 6.3 BMM 的分子量分布 083 6.4 BMM 的荧光光谱特性 084 6.5 BMM 的核磁共振谱图 087 6.6 冻干BMM 的形态结构 089 参考文献 090 第7章 生物大分子的蛋白质组学表征 092 7.1 关键技术手段 092 7.2 膜组件的运行情况 094 7.3 滤饼层的组成成分 094 7.4 滤饼层中蛋白质的表达 096 7.5 滤饼层中差异蛋白的识别 099 参考文献 103 第8章 大肠埃希菌溶解性微生物产物的形成机制及膜污染行为 104 8.1 关键技术手段 104 8.2 SMP 的生化特性研究 105 8.2.1 大肠埃希菌的生长曲线 105 8.2.2 SMP 的UV-vis 检测分析 107 8.2.3 SMP 的液相色谱有机碳联用检测分析 109 8.2.4 不同碳源下SMP 中荧光组分的动态变化 110 8.2.5 SMP 在不同生长阶段的分子组成 113 8.3 SMP 的膜污染特性分析 116 8.3.1 膜污染特性 116 8.3.2 膜污染机理 118 8.4 SMP 在环境界面的吸附沉积行为 121 参考文献 122 第9章 菌株胞外聚合物的官能团特征与膜污染行为 124 9.1 细菌特性与鉴定 125 9.2 菌株EPS 的红外光谱 127 9.3 纯培养菌株的膜污染潜能 128 9.4 钙离子介导的细菌膜污染行为 130 9.5 钙离子与细菌EPS 官能团的相互作用 131 参考文献 135 第10章 混合菌生长周期对溶解性微生物产物的影响 137 10.1 关键技术手段 137 10.2 微生物生长状态对SMP 累积的影响 138 10.3 微生物生长状态对SMP 分子尺寸的影响 140 10.4 微生物不同生长期SMP 的荧光光谱性质 141 10.5 微生物不同生长期SMP 的产生潜能 143 参考文献 144 第11章 基于三组分模型的生物大分子降解机制 146 11.1 关键技术手段 146 11.2 BMM 的生物降解过程 147 11.3 BMM 的降解动力学模拟 149 11.4 生物降解对BMM 分子尺寸的影响 149 11.5 生物降解对BMM 荧光组分的影响 151 参考文献 154 第12章 基于活性连续体模型的溶解性微生物产物降解及微生物响应机制 156 12.1 关键技术手段 156 12.2 SMP 转化过程的活性连续体模型模拟 158 12.3 SMP 转化过程中的组分变化 160 12.4 SMP 转化过程中的微生物群落多样性和结构的响应 160 12.5 SMP 转化过程中的微生物群落组装 164 12.6 SMP 转化过程中的微生物种间作用 165 12.7 SMP 的反应活性与其微生物降解群落的相互作用 170 参考文献 173 第13章 膜污染微生物群落的组装机制 177 13.1 关键技术手段 177 13.2 MBR 运行性能及膜污染变化 180 13.3 生物滤饼层的微生物组成与多样性 181 13.4 滤饼层微生物群落组装的确定性与随机性过程 185 13.5 滤饼层微生物生态网络的拓扑学特征 187 13.6 滤饼层微生物群落的关键物种 189 13.7 滤饼层微生物群落组装受多重因素的共同调控 192 参考文献 195 第14章 好氧MBR 与厌氧MBR 膜污染行为的对比研究 197 14.1 AeMBR 与AnMBR 的运行效果及膜污染情况 198 14.2 污泥混合液不同组分的过滤性能及膜污染潜力 204 14.3 污泥上清液和膜污染物上清液的尺寸分布 205 14.4 膜表面有机物的官能团特征 207 14.5 膜表面微生物的微生物组成及溯源分析 208 14.6 膜表面滤饼层中微生物演替过程及种间相互作用 211 参考文献 215 第15章 有机负荷率对AnMBR 游离菌及其膜污染行为的影响 218 15.1 关键技术手段 219 15.1.1 AnMBR 的搭建与运行 219 15.1.2 污泥上清液游离菌的荧光染色及显微观察 220 15.2 AnMBR 的运行效果 220 15.3 污泥上清液的尺寸分布及游离菌形貌 225 15.4 OLR 对游离菌的群落结构及生物演替的影响 227 15.5 不同OLR 下游离菌对于膜污染的影响 230 15.6 游离菌的微生物种间关系 232 参考文献 235 第16章 实际MBR 污水厂的膜污染特性分析 237 16.1 膜组件TMP 变化情况 237 16.2 膜污染分析 239 16.2.1 膜丝SEM 表征 239 16.2.2 膜污染物组成及浓度 240 16.2.3 膜污染物显微红外表征 241 16.3 膜表面污染物的微生物特性 243 16.3.1 微生物多样性及其组成 243 16.3.2 微生物代谢功能特征 249 第17章 化学清洗药剂对生物大分子理化性质和分子结构的影响研究 250 17.1 化学清洗剂对生物大分子流变性能的影响 250 17.2 化学清洗剂对生物大分子分子尺寸的影响 252 17.3 化学清洗剂对生物大分子表面电荷的影响 254 17.4 化学清洗剂作用下生物大分子的EEM 光谱 256 17.5 化学清洗剂作用下生物大分子的FTIR 光谱 257 17.6 化学清洗剂作用下生物大分子的XPS 光谱 260 参考文献 264 第18章 NaClO 对聚醚砜膜的作用机制 266 18.1 NaClO 清洗后PES/PVP 膜的ATR-FTIR 光谱 267 18.2 二维红外相关光谱揭示PES/PVP 膜的老化过程 269 18.3 NaClO 清洗后PES/PVP 膜的性能 277 18.4 NaClO 处理后PES/PVP 膜污染行为 278 参考文献 281 第19章 NaClO 对多糖的作用机制 283 19.1 NaClO 作用下海藻酸盐的FTIR 光谱 284 19.2 二维红外相关光谱揭示NaClO 对海藻酸盐的作用 285 19.3 NaClO 作用下海藻酸盐的膜污染行为 288 参考文献 292 第20章 高频率低浓度NaClO 维护反洗对膜污染的控制 294 20.1 MBR 运行情况 295 20.2 TMP 动态变化 297 20.3 生物聚合物的变化 300 20.4 膜污染层微生物群落结构变化 301 20.5 膜性质的变化 302 参考文献 305 第21章 NaOH 在线化学反洗在膜污染控制中的应用 306 21.1 MBR 运行情况 306 21.2 NaOH 反洗对pH 值的控制 308 21.3 NaOH 反洗对膜污染的控制 309 21.4 反洗过程中膜污染物的脱落 311 21.5 NaOH 反洗对膜表面滤饼层组成的影响 312 21.6 NaOH 反洗对膜结构的影响 313 21.6.1 膜表面和截面的SEM 图 313 21.6.2 膜自身阻力的变化情况 314 21.6.3 膜表面FTIR 分析 314 参考文献 315 第22章 群体淬灭细菌Rhodococcus sp. BH4 对生物膜生长的差异化作用 316 22.1 污泥分离菌株的生物膜 317 22.2 种间作用对生物膜生长及其组成的影响 317 22.3 Rhodococcus sp. BH4 对细菌生长速率的影响 321 参考文献 324 第23章 生物相分离AnMBR 对游离菌的调控及膜污染行为的影响 326 23.1 关键技术手段 327 23.2 两相AnMBR 的运行效果 328 23.3 不同生物相污泥混合液过滤性能的差异 332 23.4 不同生物相污泥上清液的尺寸分布及游离菌的形貌特征 334 23.5 不同生物相污泥上清液游离微生物群落的差异 335 参考文献 340 附录 341 附录1 主要缩写对照表 341 附录2 膜生物反应器通用技术规范 343