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MBR膜污染的影響因素與清洗方法

MBR膜污染的影響因素與清洗方法

作者:北京歐博爾科技有????來源:OBL 文章關鍵詞:MBR,膜,污染,的,影響,因素,與,清洗,方法,4.1,膜????發布時間:2020-05-12 11:22????瀏覽量:

4.1  膜污染的定義與起源

       膜污染是指水體中的微粒、膠體、溶解性大分子物質和微生物等,在膜表面和膜孔內吸附和沉積,造成膜孔堵塞并促使膜的孔隙率變小、通量減小、膜阻力增大的一種現象。

       一般膜污染分為微生物污染物、有機污染物和無機污染物。

4.1.1  微生物

       一般認為微生物是造成膜污染的一個主要因素。微生物在水體中和它的代謝產物黏附在一起,膜表面及其膜孔內有容易吸附的蛋白質、多糖和腐殖質等大分子有機物,而這些物質都是微生物生長所需的營養物物質。因此,膜表面吸附微生物是造成膜通量下降的一個原因。

4.1.2  有機污染物

       有機污染物主要有蛋白質、、多糖、腐殖質和有機膠體等,它們在氫鍵、色散力和憎水作用下被吸附在膜表面。

4.1.3  溶解性有機物污染

         反應器污水中自身的溶解性大分子有機物、高分子有機物等微生物可溶性代謝產物通過濃差極化作用在膜表面形成凝膠層,或被膜內的微孔表面所吸附或結晶,從而導致堵塞膜孔。

4.1.4  無機污染物

      無機污染物主要是鈣、鎂、鐵、硅等碳酸鹽、硫酸鹽的結垢物,最常見的有碳酸鈣、硫酸鈣和氫氧化鎂等。

4.2  膜污染的影響因素

      影響MBR中膜過濾過程的主要因素有:膜的固有性質、反應器內混合液性質和膜組件的操作條件等。


4.2.1  膜的固有性質

       膜的性質是指膜材料的物理及化學性能,如表面形態(如粗糙度)、親疏水性、膜結構、膜表面的荷電性、膜孔徑大小等,它們會不同程度地直接影響膜污染,膜材料、表面特性和孔徑對膜污染也有很大影響。

    (1)膜表面粗度
 
       隨著膜表面的粗糙度增大,膜的比表面積也相應地增加,從而增加了膜表面對污染物吸附的可能性;但同時也可能增加膜表面的水力擾動程度,阻礙污染物在膜表面的吸附,因此表面的粗糙度對膜通量的影響是上述兩種作用的綜合表現,同樣通過改變膜表面的粗糙度可以改善膜污染的程度。
 
       (2)膜的親疏水性
 
       由于廢水和活性污泥都是有機物質,而親水性膜可降低膜表面和原水間的界面能,因此親水性膜一般比疏水性耐污染;但親水性膜抗蛋白質污染的能力較弱。目前,常采用的疏水性膜有聚乙烯、聚砜,聚偏四氟乙烯等:親水性膜則有芳香聚胺、磺化聚砜、聚丙烯腈、PVDF改性膜等。改變膜的疏水性同時會改變膜的其他性質,如孔徑和形態。
 
       (3)膜結構
 
       根據膜結構可將膜分為對稱膜和非兌成膜,由于非對稱膜表面孔徑小于內部孔徑,所以 污染物質大部分都被截留在表面,不易進入膜孔,易于清洗。因此MBR用膜一般常用非對稱膜。
 
       (4)膜表面荷電性
 
       由于膜的表面荷電性與混合液中帶電荷的膠體顆粒及雜質等存在著相吸或排斥的作用,因此通過靜電排斥作用來選擇與混合液中溶質荷電相同的膜材料,可以改善和緩解膜污染提高膜通量。依此,一般水溶液中的膠體粒子帶負電,所以根據同性相斥原理,選用電位為負值的膜材質受污染的可能性相對會減小。
 
       (5)膜孔徑
 
        膜的孔徑大,雖然短期內能夠獲得較高的膜通量,但是內部吸附會相應增加,易發生孔堵塞,造成不可逆的污染,長期累積會導致阻力的急速增加,造成污染加劇。另一方面,小孔徑的膜截留物質粒徑范圍廣而導致濾層阻力較高,但這種污染是可逆的,在維護清洗時較易去除。因此,對于給定的條件,存在最優孔徑的膜,一般來說,膜設計的切割顆粒尺寸與截留的分子量應比要分離的污染物小一個數量級。
 
4.2.2  混合液性質
 
       生物反應器內混合液的性質包括污泥濃度和黏度、懸浮固體濃度、粒度分布、溶解性有機物濃度,ECP濃度等。
 
       (1)污泥濃度和黏度
 
       污泥濃度和黏度對膜污染的巨大影響已被許多學者所證實。研究結果表明,膜通量隨著污泥濃度對數值的增加而線性減小,污泥黏度的上升造成了膜過濾阻力的迅速升高,當活性污泥濃度過高時,混合液黏度上升很快,膜污染速度急劇加快。
 
       (2)懸浮物的粒度分布
 
       一些學者對不同粒徑的懸浮顆粒在膜表面的沉積情況進行了考察,建立了膜表面污泥沉積速度的計算模型。根據 Shimizu的模型對一體式MBR中膜組件的污染情況進行了模擬計算。得出容易在膜表面沉積的主要是微小粒子,其中以粒徑為10m的懸浮顆粒最為容易沉積。
       有研究人員就沉積在膜面的不同尺寸的顆粒對膜過濾阻力的影響進行了詳盡研究,結果表明粒徑為0.46um的顆粒在平板膜(0.2um)上沉積時,膜過濾阻力上升很快;粒徑為3.2um的較大粒子在膜表面沉積至一定數量后膜過濾阻力才有明顯上升;而對于粒徑為11.9um的粒子,即使在膜表面上出現了大量沉積,膜過濾阻力仍未出現升高現象。因此,
他們認為,較大粒子在膜表面上的沉積不會影響膜的過濾特性,只有尺寸與膜孔徑相差不多的粒子沉積時才會引起較嚴重的膜污染。
 
       (3)溶解性有機物
 
       一些學者開始強調溶解性物質對膜污染的影響。尤其是在分置式MBR中,很多學者發現由于剪切力對污泥絮體的破壞作用,溶解性物質對膜污染的貢獻不容忽視。其中,對分置式MBR處理糞便污水過程中產生的活性污泥進行了小型過濾試驗,總結出膜過濾阻力與污泥濃度、污泥黏度以及溶解性有機物濃度之間的關系為:
 
                                                   R=842.7△P(SS)0.926(COD)1.368u0326                                                (4-1)
 
       式中,R為膜過濾阻力,m-1;△P為操作壓力,Pa;Ss為混合液懸浮固體濃度,mg/L;COD為溶解性COD濃度,mg/L;u為活性污泥混合液黏度,Pa·s。
       在用分置式微濾MBR過濾城市污水處理廠的污泥,考察不同膜面流速下污泥粒徑分布和溶解性物質濃度對膜污染的影響時得岀了相似的結論。硏究發現,溶解性物質引起的膜污染幾乎形成了50%的膜過濾阻力。循環泵對污泥絮體的剪切作用破壞了污泥絮體中微生物、無機顆粒和ECP之間的相互聯系,促使菌膠團解體,釋放出ECP到上清液中,增加了溶解性物質的濃度。這些溶解性物質之間以及它們與膜材料之間隨即發生相互作用,引起膜污染。
       同時也發現了膜通量隨著溶解性有機物濃度的升高而下降,特別是污泥內源呼吸和細胞解體過程中產生的微生物產物,其中高分子物質的含量比較高,在反應器內容易蓄積,更有可能加劇膜污染。
       在一體式MBR中,雖然膜面錯流流速很小,形成的剪切作用對污泥絮體的破壞作用不大,但溶解性物質有可能受運行條件的影響或因在MBR中出現積累而達到較高的濃度,從
而對膜污染作出很大的貢獻。比如,對不同污泥負荷下膜表面的凝膠層阻力進行考察,就發現MBR中溶解性物質的濃度隨污泥負荷的增大而升高,從而導致了凝膠層造成的膜過濾阻力的增大。
 
       (4)ECP
 
       ECP主要通過影響混合液的黏度來影響膜的過濾性能。對一體式中空纖維MBR中膜通透性能與ECP的關系進行考察,結果發現ECP被膜截留后積累于膜的表面和MBR中,從
而引起混合液黏度的增大和膜過濾阻力的增加。

4.2.3   膜組件的運行條件與操作方式
 
        運行條件和操作方式與膜污染速度密切相關。對膜污染直接產生影響的運行條件包括膜通量、操作壓力、膜面流速和運行溫度等。
 
       (1)膜通量或操作壓力
 
       MBR有兩種操作模式:一種是恒定膜通量變操作壓力運行,另一種是恒定操作壓力變膜通量運行。
       當采用恒定膜通量的操作方式時,膜通量的選擇對于膜的長期穩定運行至關重要。對于某一特定的MBR系統,存在臨界的膜通量,當實際采用的膜通量大于該臨界值時,膜污染加重,膜清洗周期大大縮短。因此得出了臨界膜通量的概念如下。
      ①狹義臨界通量:被定義為使粒子開始在膜表面沉積的膜通量。當膜通量低于此臨界值時,無粒子沉積。
      ②廣義臨界通量:使膜過濾阻力不隨時間明顯升高的最大膜通量。此定義以膜過濾阻力不隨時間發生明顯升高為準則,因此即使發生粒子在膜表面的沉積,但只要膜過濾阻力隨
時間不發生明顯變化,則認為該通量仍小于臨界值。
      臨界膜通量的概念近年來受到了廣泛的關注,許多學者的研究證明了只有把膜通量選擇在臨界值之下,才能延長膜的運行周期,否則,膜會因迅速發生污染而停止運行。比如當實際釆用的膜通量低于臨界膜通量時,膜過濾壓力保持平穩且膜污染可逆;反之,膜過濾壓力迅速上升而不能趨于穩定,膜污染的可逆性顯著下降。膜污染向不可逆方向發展的主要原因之一是在膜過濾時濃差極化層轉化成致密的濾餅層;另外,膜通量增加后膜面污染層的結構會發生改變,最終也將造成污泥層和凝膠層的阻力顯著增大。如果實際采用的膜通量低于臨界膜通量,曝氣量的提高可以顯著去除污泥層;否則曝氣量的提高對污泥層的去除作用不大。臨界膜通量隨膜面錯流流速的增加而線性增長。
       同樣,當采用恒定操作壓力變膜通量運行時,存在一個臨界的操作壓力,在高于臨界操作壓力的條件下運行會導致膜迅速污染。臨界操作壓力隨著膜孔徑的增加而減小。
 
     (2)膜面錯流流速
 
       提高膜表面的水流紊動程度可以有效減少顆粒物質在膜面的沉積,減緩膜污染。但是膜面錯流流速并非越大越好,當膜面錯流流速達到一個臨界值后,其進一步增加將不會對膜的過濾性能有明顯改善。而且,過大的膜面錯流流速還有可能因打碎活性污泥絮體而使污泥粒徑減小,上清液中溶解性物質的濃度增加,從而加劇膜污染。
 
      (3)溫度
 
       溫度對膜的過濾分離過程也有影響。在不同溫度下進行活性污泥的過濾試驗,溫度每升高1℃可引起膜通量增加2%,通常認為這是由溫度變化引起料液黏度的變化所致。而有研究表明,提高溫度不僅降低了混合液的黏度,而且還改變了膜面上污泥層的厚度和孔徑,從而改變了膜的通透性能,但升溫耗能,故一般較少使用。
 
       (4)操作方式
 
       針對一體式MBR,間歇抽吸的操作方式可以有效減緩膜污染的發展速度。有試驗表明,出水泵開15min、停5min能最經濟有效地控制膜污染階段啟動也有利于減緩膜的不可逆污染,而逐步提高膜通量到設定值要比直接應用該通量時的膜操作壓力低得多。
        對恒定膜通量運行和恒定操作壓力這兩種情況進行比較,認為采用恒定膜通量的操作方式在運行初期能夠避免膜面過度污染,更有利于膜的長期穩定運行。
        實際工程中,MBR系統的污水成分相當復雜,而且系統又是處在較高的污泥濃度條件下運行,容易造成膜的污染和通量衰減,甚至還有些不可逆的膜污染直接使膜系統不能正常運行。因此,探索膜污染的成因和機理,并采取各種有效、簡便的手段來控制或減輕膜的污染已成為當前重要的研究課題之一。

 


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