膜集成技术在乳品废水资源化中的应用
乳品废水富含蛋白质和乳糖等营养物质。根据国家节能减排的战略需求，从乳品废水中回收营养物质和水是未来废水处理的发展方向。如今，膜技术，如纳滤和反渗透等，在废水回用中扮演着极其重要的角色，但膜污染和浓缩液的处理一直是阻碍其大规模工业化应用的瓶颈。
中国科学院过程工程研究所万印华研究员团队针对上述关键科学技术问题，提出了基于纳滤分离和发酵技术的集成工艺用于乳品废水的资源化，并详细研究了紧密型纳滤膜物化性质对分离性能的影响，为纳滤技术在食品废水资源化的工业应用提供理论基础和工艺指导。
我们首先提出等电点沉淀－纳滤－厌氧发酵集成工艺处理和资源化利用模拟乳品废水。等电点沉淀可回收酪蛋白并大幅减轻纳滤膜污染。相比直接采用乳品废水进行发酵，以不含酪蛋白的纳滤浓缩液为底物进行厌氧发酵，挥发性脂肪酸中乙酸与丁酸比例更高（pH更低，更适用于乳品废水的等电点沉淀），生物燃气中氢气比例更高。基于上述结果，进一步建立了等电点沉淀－超滤－纳滤－乳酸发酵集成工艺回收模拟乳品废水中水、酪蛋白、乳清蛋白以及发酵菌体与乳酸，以解决膜污染、污泥产生和浓缩液处理等难题。通过等电点沉淀和超滤预处理后，纳滤膜污染明显降低且浓缩倍数大幅提高。采用本试验室自行筛选的菌株B. coagulans IPE22将不含蛋白质的纳滤浓缩液进行乳酸发酵，可得到更高浓度的乳酸和菌体。
最后系统研究了九种商品化纳滤膜物化性质与其分离性能的内在联系，实验结果表明NF270（陶氏）、DF30（碧水源）和NF40-I（杭州水处理中心）三种纳滤膜的乳糖截留率高、盐截留率低、跨膜压力低且几乎不存在不可逆污染，更适合处理乳品废水。进一步研究发现，这些纳滤膜的孔径与平均跨膜压力对不可逆污染的影响可以忽略，而高粗糙度和高接触角则会导致严重膜污染，表明该体系中主要污染机理是表面吸附，而不是膜孔堵塞（受孔径大小影响）或凝胶层形成（受跨膜压力影响）。我们还发现紧密型纳滤膜对乳糖与电导率的截留均受空间位阻作用主导。
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