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水处理设备解析MBR膜污染机理及控制因素

来源:无锡水处理设备      2019/10/9 10:58:39      点击:

无锡纯水设备www.xqccscn.comMBR技术在污水处理中有着广泛而成熟的应用。由于MBR代替了二级沉淀池,可以保证出水SS和较高的污泥浓度,为污水工程师的操作省去了很多麻烦。然而,膜污染问题一直困扰着膜生物反应器的发展和运行。

1. 膜污染的定义

    膜污染通常是指混合物中的物质吸附在膜表面(外膜)和膜孔(内膜)上积累,造成膜孔堵塞,降低孔隙率,造成膜通量衰减,无锡纯水设备增加过滤压力的过程。

    在膜过滤过程中,水分子和细小物质不断通过膜,而一些物质被膜截留,堵塞膜孔或沉积在膜表面,造成膜污染。可以说,膜拦截造成了膜污染。膜污染的直接表现为膜通量的下降或操作压力的增加。

    活性污泥混合系统中的营养基质、微生物群落、微生物细胞、细胞碎片、微生物代谢物(EPSSMP)以及各种有机和无机可溶性物质都是造成膜污染的原因。

膜污染的发展通常可以分为三个阶段:

    (1)初始污染:在膜系统投入运行的初始阶段,膜表面与混合液体中的胶体和有机物发生强烈的相互作用,污染方式包括粘附、电荷作用和膜孔堵塞。在横流过滤的条件下,微小的生物絮凝体或胞外聚合物仍能附着在膜的表面,而小于膜孔径的物质则会吸附在孔内,通过浓度、晶体沉淀和生长繁殖造成膜污染。

    (2)慢污染:初期膜表面光滑,大颗粒不易附着。EPSSMPbiocolloid等粘接剂主要吸附在膜表面,通过吸附桥和吸附网形成凝胶层,膜的过滤阻力缓慢上升,污染物在混合物中的截留性能增强。凝胶层的污染是不可避免的,导致膜电阻缓慢上升。恒流工况下,TMP缓慢上升,恒压工况下,流量缓慢下降。

    (3)快速污染:在连续的过滤压差和渗透流的作用下,第二阶段形成的凝胶层随着污染物的沉积而逐渐压实,导致膜污染由定量向定性变化。无锡纯水设备混合液体中的絮凝体在膜表面迅速积累,形成污泥滤饼,膜间压差迅速增大。

    凝胶层的污染是不可避免的,带来的影响是膜阻力的缓慢上升。在恒流操作中表现为TMP的缓慢上升,在恒压模式中表现为通量的缓慢衰减。一旦大量的污泥絮体在膜面沉积而形成的泥饼层,系统基本是无法正常运行的。MBR运维过程的主要注意事项就是延缓凝胶层污染(保持好的水力条件,原位清洗,控制膜污染发展速率,延长缓慢污染的运行时间),控制泥饼层污染(快速污染)。

2、膜污染的类型

1)按污染物质成分分类

有机污染

    主要来源于混合液中的大分子有机物(多糖、蛋白质等),腐殖酸类,微生物絮体、细胞碎片等。其中溶解性有机物SMPEPS虽然对于MLSS来说占比非常低,但是它们所造成的膜污染占到26%-52%。微生物在膜孔内及膜表面生长、吸附作用也是膜污染的重要因素。

无机污染

    由金属盐类,无机盐离子架桥作用形成。膜的常见无机污染主要是钙、镁、铁、硅等的碳酸盐、硫酸盐及硅酸盐的结垢物质,其中碳酸钙、硫酸钙、氢氧化镁较多。

2)按污染物的性质分类

    可逆污染(暂时污染):可以通过一定的水力措施进行去除膜污染;如通过清水反洗、曝气抖动可以去除的。

    不可逆污染(长期污染):不能通过水力清洗措施去除的膜污染,可以通过用氧化剂、酸、碱、还原剂等清洗进行去除的。

    可逆和不可逆,都是可以洗出来的。无锡纯水设备任何清洗手段都洗不出来的就叫不可恢复性污染。

3)按污染物的位置分类

    混合液中的物料在膜孔内吸附、浓缩结晶、聚集形成的叫内部污染;在膜表面的聚集和沉积形成的叫外部污染。

3、膜污染的影响因素及其控制

    膜污染的形成主要因素有:膜固有性质、混合液性质和系统运行环境,控制及解决膜污染也应该从这三方面采取相应的措施。

1)膜的固有性质

    膜的物理及其化学性能是由膜材料决定的,膜在混合液中的抗污染能力与其材料有关。有研究表明膜的亲水性对抗污染能力有非常重要的影响。在有机膜材料中,有的是亲水性材质如PAN,大多数均为疏水性材质,像PVDFPEPS等。疏水性有机材料在应用时必须进行亲水性改造,由于改造工艺的差异,亲水性在使用过程中的流失就有了快慢之分。

    此外,膜抗污染能力还与膜表面粗糙度、膜表面电荷、膜孔径等均有关系。一般来说,可以通过选择亲水性更好的膜材料,改善膜表面的粗糙度,选用与混合液电位相同的膜材料和合适的膜孔径来改善膜抗污染的能力。

    无机膜如陶瓷膜:以氧化铝、碳化硅、氧化钛、氧化锆等为原料,高温烧结而成,在通量、强度、化学稳定性方便比有机膜具有明显的优势。

2)混合液的性质

    膜污染很大程度是膜与混合液之间的相互作用的影响结果,混合液的性质包括污泥浓度和黏度、颗粒分布、溶解性有机物浓度、微生物代谢产物浓度等。

    污泥浓度较低时,污泥对有机物的吸附降解能力不足,混合液中有机物浓度增加,膜孔堵塞严重,浓差极化引起膜表面溶质的浓度显著提高易形成凝胶层,导致过滤阻力增加;当污泥浓度高于一定值时,EPC浓度增加,污泥黏度增长快速,黏度对膜通量和混合液中气泡大小都会产生影响,污泥易在膜表面沉积,形成较厚的污泥层。一般认为污泥浓度存在一个临界值,当污泥浓度高于该值时,对膜通量将产生不利影响,所以可以选择污泥浓度控制在合适的范围内来有效的控制膜污染。无锡纯水设备污泥膨胀和污泥细碎易引起严重的膜污染。

    MBR工艺的进水水质对混合液组分也有较大的影响,需要进行一定程度的预处理,比如:毛发垃圾物质会缠绕模式,造成膜组件积泥从而导致膜污染,需要在进入好氧生化前采用不同的细膜格栅去除;泥砂等硬度较大的颗粒可能会损伤膜丝,需要采用沉砂池去除;油类对膜丝造成无法清洗的污染,超过要求需要通过隔油、气浮等去除;无机物:可能在膜表面析出、结垢,堵塞膜孔。可通过絮凝沉淀或调整pH控制其不析出。其它对膜有影响的特征污染物,像有机溶剂、表面活性剂、消泡剂、PAM、硬度、碱度、温度,这些在具体情况中要特别注意。

3)系统运行环境

次临界通量

    临界通量的定义为,存在这样一个通量,当通量大于此值时,TMP增加明显;而当通量小于此值时,TMP保持稳定不变。这个概念可以帮助我们在膜通量最大化和膜污染有效控制之间找一个参考点。在膜组件的实际运行中,将运行通量高于临界通量时称为超临界通量操作,运行通量小于临界通量时称为次临界通量操作。在实际应用中,必须选择合适的运行通量。此运行通量值在次临界的范围,有时候运行通量仅为临界通量的50%左右。当然,膜污染在长期运行的MBR中,即使采用次临界通量操作模式,其TMP也是逐渐增加的。

合理的曝气

    MBR中,曝气的目的除了为微生物供氧以外,还使上升的气泡及其产生的扰动水流清洗膜表面和阻止污泥聚集,以保持膜通量的稳定。同时气泡与膜纤维碰撞产生的抖动作用甚至使膜纤维之间互相摩擦,可加速膜面沉积物的脱落,利于膜污染的缓解。曝气过大时,会导致膜表面沉积的颗粒粒径减小,使滤饼的结构更加致密,从而使膜过滤阻力增加;相反的,曝气量过小时,扰动削弱,污染会加重,因此要选择合适的曝气量。

运停交替

    根据膜污染的3阶段理论,膜表面的污染形成需要一个过程。首先,污染物会在膜表面吸附、沉积、聚集,无锡纯水设备采用间歇抽吸的操作模式旨在通过定期的停止膜过滤,以使沉积在膜表面的污泥在曝气和水流所造成的剪切力作用下从膜表面脱落下来,使膜的过滤性能得以恢复。一般抽吸时间越长,悬浮固体在膜表面积累的程度越大;停止的时间越长,膜表面沉积污泥脱落越彻底,膜过滤性能也能恢复越多。原则上应根据膜厂家的推荐及实际工程的运行来确定符合自身特点的运停交替方式。