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MBR膜汙染機理及控製因素

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MBR膜汙染機理及控製因素

分類:
市場研究
作者:
來源:
2019/09/25 13:50

 

1、膜汙染的定義

膜汙染通常是指混合液中的物質在膜表麵(外部)和膜孔內(內部)吸附聚集,造成膜孔堵塞並促使孔隙率變小,引起膜通量的衰減和過濾壓力升高的過程。

在膜過濾的操作中,水分子和細小物質不斷透過膜,同時一些物質被膜截留而堵塞膜孔或在膜表麵沉積,從而造成膜汙染。可以說,是膜截留導致了膜汙染。膜汙染的直接表現,就是膜通量的下降或者操作壓力的升高。

活性汙泥混合液體係中存在的營養基質、菌膠團、微生物細胞、細胞碎片、微生物代謝產物(EPS、SMP)以及各種有機、無機溶解性物質等都對膜汙染有貢獻。

膜汙染的發展通常可分為3階段(也有2階段說法):

(1)初始汙染:發生在膜係統投入運行的初期,膜麵與混合液中的膠體、有機物等發生強烈的相互作用,汙染方式有粘附、電荷作用、膜孔堵塞等。錯流過濾的條件下,細小的生物絮體或胞外聚合物依舊能夠依附在膜表麵上,而小於膜孔徑的物質會在膜孔中吸附,通過濃縮、結晶沉澱和生長繁殖的作用造成膜汙染。

(2)緩慢汙染:初期膜表麵光滑,大顆粒物質不容易附著,主要由EPS、SMP、生物膠體等黏性物質通過吸附橋架、網捕等作用吸附在膜表麵形成凝膠層,造成膜過濾阻力的緩慢上升,對混合液中的汙染物的截留性能會有增強。凝膠層的汙染是不可避免的,帶來的影響是膜阻力的緩慢上升。在恒流操作中表現為TMP的緩慢上升,在恒壓模式中表現為通量的緩慢衰減。

(3)快速汙染:第2階段形成的凝膠層在持續的過濾壓差和透水流的作用下,隨著汙染物的沉積逐漸密實,導致膜汙染從量變到質變,混合液中的絮體迅速在膜表麵聚集並形成汙泥濾餅,跨膜壓差快速上升。

凝膠層的汙染是不可避免的,帶來的影響是膜阻力的緩慢上升。在恒流操作中表現為TMP的緩慢上升,在恒壓模式中表現為通量的緩慢衰減。一旦大量的汙泥絮體在膜麵沉積而形成的泥餅層,係統基本是無法正常運行的。MBR運維過程的主要注意事項就是延緩凝膠層汙染(保持好的水力條件,原位清洗,控製膜汙染發展速率,延長緩慢汙染的運行時間),控製泥餅層汙染(快速汙染)。

2、膜汙染的類型

(1)按汙染物質成分分類

有機汙染

主要來源於混合液中的大分子有機物(多糖、蛋白質等),腐殖酸類,微生物絮體、細胞碎片等。其中溶解性有機物SMP、EPS雖然對於MLSS來說占比非常低,但是它們所造成的膜汙染占到26%-52%。微生物在膜孔內及膜表麵生長、吸附作用也是膜汙染的重要因素。

無機汙染

由金屬鹽類,無機鹽離子架橋作用形成。膜的常見無機汙染主要是鈣、鎂、鐵、矽等的碳酸鹽、硫酸鹽及矽酸鹽的結垢物質,其中碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鎂較多。

(2)按汙染物的性質分類

可逆汙染(暫時汙染):可以通過一定的水力措施進行去除膜汙染;如通過清水反洗、曝氣抖動可以去除的。

不可逆汙染(長期汙染):不能通過水力清洗措施去除的膜汙染,可以通過用氧化劑、酸、堿、還原劑等清洗進行去除的。

可逆和不可逆,都是可以洗出來的。任何清洗手段都洗不出來的就叫不可恢複性汙染。

(3)按汙染物的位置分類

混合液中的物料在膜孔內吸附、濃縮結晶、聚集形成的叫內部汙染;在膜表麵的聚集和沉積形成的叫外部汙染。

3、膜汙染的影響因素及其控製

膜汙染的形成主要因素有:膜固有性質、混合液性質和係統運行環境,控製及解決膜汙染也應該從這三方麵采取相應的措施。

(1)膜的固有性質

膜的物理及其化學性能是由膜材料決定的,膜在混合液中的抗汙染能力與其材料有關。有研究表明膜的親水性對抗汙染能力有非常重要的影響。在有機膜材料中,有的是親水性材質如PAN,大多數均為疏水性材質,像PVDF、PE、PS等。疏水性有機材料在應用時必須進行親水性改造,由於改造工藝的差異,親水性在使用過程中的流失就有了快慢之分。

此外,膜抗汙染能力還與膜表麵粗糙度、膜表麵電荷、膜孔徑等均有關係。一般來說,可以通過選擇親水性更好的膜材料,改善膜表麵的粗糙度,選用與混合液電位相同的膜材料和合適的膜孔徑來改善膜抗汙染的能力。

無機膜如陶瓷膜:以氧化鋁、碳化矽、氧化鈦、氧化鋯等為原料,高溫燒結而成,在通量、強度、化學穩定性方便比有機膜具有明顯的優勢。

(2)混合液的性質

膜汙染很大程度是膜與混合液之間的相互作用的影響結果,混合液的性質包括汙泥濃度和黏度、顆粒分布、溶解性有機物濃度、微生物代謝產物濃度等。

汙泥濃度較低時,汙泥對有機物的吸附降解能力不足,混合液中有機物濃度增加,膜孔堵塞嚴重,濃差極化引起膜表麵溶質的濃度顯著提高易形成凝膠層,導致過濾阻力增加;當汙泥濃度高於一定值時,EPC濃度增加,汙泥黏度增長快速,黏度對膜通量和混合液中氣泡大小都會產生影響,汙泥易在膜表麵沉積,形成較厚的汙泥層。一般認為汙泥濃度存在一個臨界值,當汙泥濃度高於該值時,對膜通量將產生不利影響,所以可以選擇汙泥濃度控製在合適的範圍內來有效的控製膜汙染。汙泥膨脹和汙泥細碎易引起嚴重的膜汙染。

另MBR工藝的進水水質對混合液組分也有較大的影響,需要進行一定程度的預處理,比如:毛發垃圾物質會纏繞模式,造成膜組件積泥從而導致膜汙染,需要在進入好氧生化前采用不同的細膜格柵去除;泥砂等硬度較大的顆粒可能會損傷膜絲,需要采用沉砂池去除;油類對膜絲造成無法清洗的汙染,超過要求需要通過隔油、氣浮等去除;無機物:可能在膜表麵析出、結垢,堵塞膜孔。可通過絮凝沉澱或調整pH控製其不析出。其它對膜有影響的特征汙染物,像有機溶劑、表麵活性劑、消泡劑、PAM、硬度、堿度、溫度,這些在具體情況中要特別注意。

(3)係統運行環境

次臨界通量

臨界通量的定義為,存在這樣一個通量,當通量大於此值時,TMP增加明顯;而當通量小於此值時,TMP保持穩定不變。這個概念可以幫助我們在膜通量最大化和膜汙染有效控製之間找一個參考點。在膜組件的實際運行中,將運行通量高於臨界通量時稱為超臨界通量操作,運行通量小於臨界通量時稱為次臨界通量操作。在實際應用中,必須選擇合適的運行通量。此運行通量值在次臨界的範圍,有時候運行通量僅為臨界通量的50%左右。當然,膜汙染在長期運行的MBR中,即使采用次臨界通量操作模式,其TMP也是逐漸增加的。

合理的曝氣

在MBR中,曝氣的目的除了為微生物供氧以外,還使上升的氣泡及其產生的擾動水流清洗膜表麵和阻止汙泥聚集,以保持膜通量的穩定。同時氣泡與膜纖維碰撞產生的抖動作用甚至使膜纖維之間互相摩擦,可加速膜麵沉積物的脫落,利於膜汙染的緩解。曝氣過大時,會導致膜表麵沉積的顆粒粒徑減小,使濾餅的結構更加致密,從而使膜過濾阻力增加;相反的,曝氣量過小時,擾動削弱,汙染會加重,因此要選擇合適的曝氣量。

運停交替

根據膜汙染的3階段理論,膜表麵的汙染形成需要一個過程。首先,汙染物會在膜表麵吸附、沉積、聚集,采用間歇抽吸的操作模式旨在通過定期的停止膜過濾,以使沉積在膜表麵的汙泥在曝氣和水流所造成的剪切力作用下從膜表麵脫落下來,使膜的過濾性能得以恢複。一般抽吸時間越長,懸浮固體在膜表麵積累的程度越大;停止的時間越長,膜表麵沉積汙泥脫落越徹底,膜過濾性能也能恢複越多。原則上應根據膜廠家的推薦及實際工程的運行來確定符合自身特點的運停交替方式。

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