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膜生物反应器(MBR)利用膜分离设备替代二沉池,实现污泥絮体和溶质分子的高效截留,是一种绿色、稳定的高效生化水处理技术。其中,PVDF膜材料因具有良好的力学、化学、生物稳定性与分离精度高等优点,受到国内外学者的高度关注。但PVDF膜疏水性较强,在过滤过程中易吸附水中疏水性蛋白质及胶体物质而加剧滤饼沉积污染,从而缩短膜的使用寿命和清洗周期。因此,研究合适的膜表面改性方法,以改善PVDF超滤膜的亲水性,是强化膜耐滤饼层污染性能的有效手段。本文采用仅等离子体(PT)、等离子体引发气相接枝(PIGGP)、混合等离子体化学沉积(MPCVD)及等离子体引发液相接枝(PIGLP)四种改性方法对PVDF中空纤维超滤膜进行改性。研究了改性前后膜表面官能团信息、形态形貌、ζ电位及膜通量变化;通过改性膜与原膜在MBR中的运行效果,比较了不同改性膜的耐污染性能,分析膜运行阻力构成及清洗效果,明确了膜的污染类型;采用滤饼压密模型,探究了改性膜性质变化对膜滤饼压密现象的影响,并探讨恒压下不同气水比和恒定气水比不同跨膜压差对滤饼层的影响规律和作用机理。得出以下实验结论:FT-IR表征结果说明,PIGGP、MPCVD与PIGLP改性膜表面元素含量发生变化,成功引入了羟基和羧基官能团。SEM图像显示N2等离子体改性增加了改性膜表面的粗糙程度,接枝聚合物以块状形态平铺或叠加在PIGGP与MPCVD改性膜表面,遮蔽膜孔。纯水通量测试发现,等离子体改性降低了膜的平均固有阻力Rm,且降低率与膜面ζ电位变化规律完全一致,大小排序为MPCVD>PIGLP>PT>PIGGP,证实了接枝丙烯酸聚合物能够改善膜表面的电离及水化程度。对改性膜与PVDF原膜在MBR中的运行效果进行平行对比实验,结果表明:各膜比通量衰减特征及滤饼层结构的演变与临界压力结果基本一致,耐污染性能大小为PIGGP>PIGLP>MPCVD>原膜>PT;膜静态吸附性污染阻力由大到小依次为PIGLP>原膜>PIGGP>PT>MPCVD;膜阻力分布及清洗效果表明,膜运行阻力以可逆沉积阻力为主,且PIGGP与MPCVD改性对膜的可逆阻力和残留污染有明显的改善;膜经污染及清洗后的ζ电位变化表明,PIGGP和MPCVD改性膜的膜面膜孔ζ电位污染前后变化较小且清洗后的ζ电位值与实验前基本相当。综合膜比通量衰减、阻力分布、清洗效果及ζ电位变化情况,PIGGP与MPCVD改性膜具有最佳的分离效果和更为稳定的物理化学性能。根据滤饼压密模型探究改性方法对滤饼层的影响,测得滤饼压密性排序为:PIGLP>PT>原膜>PIGGP>MPCVD;通过气水比考察膜滤饼层的过滤性表明,实验所用PVDF超滤膜在气水比17:1~24:1之间存在一个最经济的曝气量,可有效缓解滤饼层污染;分析不同气水比下EPS组分发现,多糖较蛋白质更易引起滤饼阻力的增加;探讨恒定气水比下不同跨膜压差对滤饼层的影响,表明过高或过低的跨膜压差均会加剧滤饼层污染,降低混合料液的过滤性;而且PIGGP和MPCVD改性膜在实验中均获得更小的滤饼比阻。综上表明,PIGGP和MPCVD改性方法不仅降低膜过滤中由化学热力学行为引发的吸附污染和膜表面区域的截留污染,更重要的是将对改性膜表面动力学引发的滤饼层形成进程及结构的演变产生显著影响,致使PIGGP和MPCVD改性膜有利于阻碍污染颗粒靠近并沉积在膜表面,有利于形成更薄、结构更疏松的滤饼沉积层,有利于强化膜面滤饼层的传质及渗透性能。