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      MBR工藝中膜污染現象及其防護措施

      2016年04月18日

      一、膜污染的機理
      研究表明,膜污染的發展可分為不同階段。在恒定通量操作條件下,MBR中膜污染存在“緩慢積累”和“急速發展”兩個階段。在這兩個過濾階段之前,還存在一個初始調節期。

      1.初始調解期污染階段

      在運行初期,膜面與混合液中的聚合物和溶解性有機物之間會發生黏附、電荷作用、孔內堵塞等。即使在通量為零的條件下,膠體和有機物也會發生被動吸附,過濾開始后,大分子在剪切力和擾動力的作用下脫離膜表面,留下較小的生物絮體或聚合物?拷け砻娴奈⑸锔赘街谀け砻,并對下階段污染產生影響。小于膜孔徑的顆粒物質會在膜孔中吸附,通過濃縮、結晶、沉淀及生長等作用使膜孔產生不同程度的堵塞。

      2.緩慢積累階段

      第一階段后,在膜面會形成沉積層。膜面污染層劃分為三個層次:最外層膜阻力最小,多孔結構明顯,透水能力強;中間層較外層膜阻力升高,空隙率降低,呈凝膠態;底污染層緊密覆蓋于膜面,結構密實,空隙率低,透水能力最小。膜過濾阻力的增加主要由于濾餅層的積累造成的。

      胞外聚合物(EPS)不僅在膜表面積累,也會在膜孔中積累,膜表面的EPS會直接改變沉積層的孔隙率和結構,并與細微顆粒一并沉積并吸附在膜表面,形成黏性很強的凝膠層。若繼續以恒定通量運行,將導致跨膜壓差(TMP)升高,TMP升高會促進濾餅的壓實,導致緩慢污染縮短。

      3.急速污染階段

      膜污染層在過膜推動力的作用下,結構加厚,孔隙率降低。當膜外表面局部吸附層增加到一定程度時,局部的TMP超過了臨界壓力而進入了超臨界區,導致膜污染從量變到質變的變化。在進入超臨界區的局部膜表面,混合液中的生物絮體迅速地積聚在膜表面,并引發整個膜組件各處濾餅層的快速形成,從而引起整個膜組件的平均TMP迅速線性增加。

      二、膜污染的影響因素
      影響膜污染的因素主要有:膜組件的性質、膜池中混合液特性及運行條件等。

      1.膜組件的性質

      膜組件的性質主要包括膜構型、膜孔尺寸、粗糙度、膜材質、表面電荷、親水性等。

      膜構型即膜的幾何形狀和水流方向,在大中型污水處理廠中,浸沒式MBR更常用,是由于曝氣產生的剪切力可以減輕膜污染。在浸沒式MBR中,大都采用中空纖維式或萍鄉平板式膜組件。采用平板式膜組件可以獲得更高的透水率,但在厭氧處理中,具有相同膜孔徑的膜組件對比研究中發現,平板式膜組件的污染程度比中空纖維式膜稍高。

      一般認為,截留物質分子量小于30萬時,隨孔徑的增大膜通量增大;當截留物分子量大于30萬時,膜通量變化不大;當孔徑增大到微濾時,膜通量反而減少,是由于微生物在孔徑內吸附造成不可逆污染。

      空隙率小的膜更易被堵塞。膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物增加,但同時也加劇了膜表面的撓動程度,阻礙了污染物在膜表面的沉積,因此粗糙度對膜通量的影響是兩方面因素綜合作用的效果。

      帶負電荷的陶瓷膜比不帶電或帶正電的膜的通量有很大的提高,是由于混合液中膠體多帶負電,與膜表面之間存在較強的電性斥力。

      一般認為,膜面與污泥的吸附自由能越小越好,即膜的親水性越好越耐污染。

      2.膜池中混合液性質

      MBR中膜污染主要由于膜與混合液之間的相互作用的影響;旌弦禾匦灾饕ㄎ勰嗵匦院痛x產物。污泥特性主要包括污泥濃度、沉降性能、顆粒分布、表面電荷及黏度等。微生物的代謝產物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性有機物(SMP),對膜污染有重要影響。

      一般認為污泥濃度存在一個臨界值,當污泥濃度高于該值時會對膜透水率產生不利影響。當污泥濃度小于6g/L時,增加污泥濃度可以降低污染程度;當污泥濃度高于15g/L時,增加污泥濃度則會加劇膜污染;當污泥濃度為8~12g/L時,增加污泥濃度不會對膜污染產生明顯影響。由于污泥濃度較低時,混合液中溶解性有機物濃度增加,易被膜表面吸附形成凝膠層,導致過濾阻力增加,膜通量下降。污泥濃度過高時,污泥易在膜表面沉積,引起污染。所以在中等濃度范圍內運行的膜生物反應器要比低濃度范圍內運行的系統更有效地避免吸附性污染的可能性。

      污泥的沉降性(SVI)與進水負荷(F/M)密切相關。污泥沉降性越好,濾餅的形成速率越慢,故存在一個最佳水力負荷,此條件下污泥沉降性最好,膜污染趨勢最小。

      小顆粒較大顆粒會更容易引起膜污染。與混合液中其它組分相比,上清液中微小膠體盡管數量最小,但對沉積阻力貢獻最大。

      污泥黏度與其濃度密切相關,有報道認為隨濃度的增加,黏度基本呈指數方式增長,但存在一個污泥濃度的臨界值,當污泥濃度低于該值時,黏度較低,且隨污泥濃度的增加緩慢增長;當污泥濃度高于該值時,黏度呈指數方式增長。這一臨界值通常在10~17g/L 之間。

      EPS是指存在于細胞表面之上、表面之外以及微生物絮體內的細胞間隙中的所有類型的大分子,包括碳水化合物、蛋白質、核酸、(磷)脂和其它聚合物。EPS使細菌細胞聚集為絮體或生物膜、在細菌周圍形成保護層、保持水分及使細胞附著在表面上,其黏附作用可以促進生物反應池的污泥顆;,增加污泥的沉降性,但是對膜分離系統則帶來了吸附性膜污染。一般來說,蛋白質較碳水化合物更為疏水,所以蛋白質與碳水化合物的比例越高,EPS疏水性越強。

      SP通常是指來自微生物代謝過程,并溶解于水中的有機物質,主要成分有碳水化合物、蛋白質、腐殖質、核酸、有機酸、胞外酶類固醇等。膜受上清液(即SMP)的影響要大于微生物主體的表現。

      3.運行條件

      MBR中污泥濃度高,停留時間長,污泥濃度高會引起混合液粘度的增加,從而加劇膜污染。隨著固體停留時間(SRT)的延長,微生物處于內源呼吸期,大量微生物死亡,上清液中SMP積累,會比對數增長期產生更多的細胞碎片和SMP,從而加劇膜的生物污染,因此對SRT應進行控制;過短的水力停留時間(HRT)會導致溶解性有機物的積累,吸附在膜面上而影響通量,因此應對HRT進行控制,以維持溶解性有機物的平衡。

      膜池曝氣有兩種作用:提供氧氣,創造湍流,防止膜面沉積物形成。一體式MBR中,膜通量在一定范圍內,隨著曝氣量的增加而增加;當曝氣量大到一定程度時,膜通量不再變化。因為曝氣量的增加能在膜表面形成較大錯流速度,使污染物不易在膜表面積累,而且可以加快污染物在膜表面的脫離;但曝氣量過大有可能會破壞絮體結構,減小絮體尺寸并使EPS釋放到生物反應器中,使混合液中細小污泥顆粒增多,從而導致膜孔堵塞。另外曝氣氣泡的大小也能影響膜池中液體的流動狀況。在臨界充氧強度以下,細小的空氣泡能產生最優錯流流速,能創造更強的剪切力。

      膜通量是MBR中膜污染的一個重要影響因素。膜污染速率和膜通量呈指數相關,在高通量下操作,膜污染會很快發生,在低通量下操作,膜污染發生得較緩慢,但是過低的通量意味著膜的處理能力降低,在實際工程應用中則需要更大的膜面積。

      升高液體溫度有利于膜的過濾分離過程。溫度升高1℃可引起膜通透量變化2%,是由于溫度變化引起料液黏度的變化所致。隨著溫度的升高,COD,BOD的去除效率都有所增加。但溫度升高會加大能耗,應將溫度控制在一定的范圍內;钚晕勰辔⑸镒钸m宜的pH值范圍是6.5-8.5,pH值過高或過低時,都會影響微生物活性,特別是硝化和反硝化細菌的活性。

      三、MBR膜污染防護措施
      1.膜組件的選取

      在選擇膜材料時應從強度、穩定性、壽命、造價等方面進行技術分析和經濟性評價來確定。理論上講,在確保污染物被截留的情況下,選擇孔徑大的膜可以使水通量提高。但工程實際應用中發現,選用較大膜孔徑,反而加速了膜的污染,膜通量下降很快。一般膜的切割顆粒尺寸比要分離的污染物的尺寸小一個數量級。通過改變膜表面的物理化學性質以及疏水性,可提高膜的抗污染能力,緩解膜污染。
      MBR膜采用萍鄉恒昌中空板式陶瓷膜組件,性價比高,使用壽命長,分離效果好。
      2.混合液特性的改善

      有效降低混合液懸浮物濃度,改善污泥活性,從而減緩膜污染的速率。

      3.優化操作條件

      一般情況下在次臨界通量區運行可以減緩膜污染的過程。當滲透通量低于臨界通量時,TMP保持穩定,污染是可逆的;相反,超過臨界通量時,TMP增加迅速且不穩定,此時再降低通量,形成的污染是不可逆的。

      曝氣對膜表面的清洗作用在于使污泥上流和氣泡混合在膜表面產生錯流作用,從而產生沖擊作用來擦洗膜表面。膜面沉積層的去除率可以通過曝氣強度來提高,如果膜面沉積較嚴重應停止出水進行空曝?掌厥侨コっ娉练e物的有效方法。

      對于浸沒式MBR,在抽吸數分鐘后,再停下來空曝氣,這樣在上升氣流的作用下,沖刷膜表面,有利于降低濃差極化的形成,同時沉積在膜表面的污染物也會在上升氣水流的帶動下脫離膜表面回到主體泥水混合液中,利于降低膜污染。

      膜的清洗方法包括空氣反吹、水反沖洗、空曝氣、藥物法清洗、藥物浸泡恢復性清洗等。定期空氣反吹不僅可以將膜面的泥餅層吹脫,還可以將膜孔中的污染物清洗掉,從而獲得穩定的膜通量,但是對膜組件的強度和性能要求較高。

      來源:萍鄉市恒昌化工新材料有限公司
      萍鄉市恒昌化工新材料有限公司
      曾潔
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