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MBR膜污染的影响因素与清洗方法

MBR膜污染的影响因素与清洗方法

作者:北京欧博尔科技有    来源:OBL 文章关键词:MBR,膜,污染,的,影响,因素,与,清洗,方法,4.1,膜    发布时间:2020-05-12 11:22    浏览量:

4.1  膜污染的定义与起源

       膜污染是指水体中的微粒、胶体、溶解性大分子物质和微生物等,在膜表面和膜孔内吸附和沉积,造成膜孔堵塞并促使膜的孔隙率变小、通量减小、膜阻力增大的一种现象。

       一般膜污染分为微生物污染物、有机污染物和无机污染物。

4.1.1  微生物

       一般认为微生物是造成膜污染的一个主要因素。微生物在水体中和它的代谢产物黏附在一起,膜表面及其膜孔内有容易吸附的蛋白质、多糖和腐殖质等大分子有机物,而这些物质都是微生物生长所需的营养物物质。因此,膜表面吸附微生物是造成膜通量下降的一个原因。

4.1.2  有机污染物

       有机污染物主要有蛋白质、、多糖、腐殖质和有机胶体等,它们在氢键、色散力和憎水作用下被吸附在膜表面。

4.1.3  溶解性有机物污染

         反应器污水中自身的溶解性大分子有机物、高分子有机物等微生物可溶性代谢产物通过浓差极化作用在膜表面形成凝胶层,或被膜内的微孔表面所吸附或结晶,从而导致堵塞膜孔。

4.1.4  无机污染物

      无机污染物主要是钙、镁、铁、硅等碳酸盐、硫酸盐的结垢物,最常见的有碳酸钙、硫酸钙和氢氧化镁等。

4.2  膜污染的影响因素

      影响MBR中膜过滤过程的主要因素有:膜的固有性质、反应器内混合液性质和膜组件的操作条件等。


4.2.1  膜的固有性质

       膜的性质是指膜材料的物理及化学性能,如表面形态(如粗糙度)、亲疏水性、膜结构、膜表面的荷电性、膜孔径大小等,它们会不同程度地直接影响膜污染,膜材料、表面特性和孔径对膜污染也有很大影响。

    (1)膜表面粗度
 
       随着膜表面的粗糙度增大,膜的比表面积也相应地增加,从而增加了膜表面对污染物吸附的可能性;但同时也可能增加膜表面的水力扰动程度,阻碍污染物在膜表面的吸附,因此表面的粗糙度对膜通量的影响是上述两种作用的综合表现,同样通过改变膜表面的粗糙度可以改善膜污染的程度。
 
       (2)膜的亲疏水性
 
       由于废水和活性污泥都是有机物质,而亲水性膜可降低膜表面和原水间的界面能,因此亲水性膜一般比疏水性耐污染;但亲水性膜抗蛋白质污染的能力较弱。目前,常采用的疏水性膜有聚乙烯、聚砜,聚偏四氟乙烯等:亲水性膜则有芳香聚胺、磺化聚砜、聚丙烯腈、PVDF改性膜等。改变膜的疏水性同时会改变膜的其他性质,如孔径和形态。
 
       (3)膜结构
 
       根据膜结构可将膜分为对称膜和非兑成膜,由于非对称膜表面孔径小于内部孔径,所以 污染物质大部分都被截留在表面,不易进入膜孔,易于清洗。因此MBR用膜一般常用非对称膜。
 
       (4)膜表面荷电性
 
       由于膜的表面荷电性与混合液中带电荷的胶体颗粒及杂质等存在着相吸或排斥的作用,因此通过静电排斥作用来选择与混合液中溶质荷电相同的膜材料,可以改善和缓解膜污染提高膜通量。依此,一般水溶液中的胶体粒子带负电,所以根据同性相斥原理,选用电位为负值的膜材质受污染的可能性相对会减小。
 
       (5)膜孔径
 
        膜的孔径大,虽然短期内能够获得较高的膜通量,但是内部吸附会相应增加,易发生孔堵塞,造成不可逆的污染,长期累积会导致阻力的急速增加,造成污染加剧。另一方面,小孔径的膜截留物质粒径范围广而导致滤层阻力较高,但这种污染是可逆的,在维护清洗时较易去除。因此,对于给定的条件,存在最优孔径的膜,一般来说,膜设计的切割颗粒尺寸与截留的分子量应比要分离的污染物小一个数量级。
 
4.2.2  混合液性质
 
       生物反应器内混合液的性质包括污泥浓度和黏度、悬浮固体浓度、粒度分布、溶解性有机物浓度,ECP浓度等。
 
       (1)污泥浓度和黏度
 
       污泥浓度和黏度对膜污染的巨大影响已被许多学者所证实。研究结果表明,膜通量随着污泥浓度对数值的增加而线性减小,污泥黏度的上升造成了膜过滤阻力的迅速升高,当活性污泥浓度过高时,混合液黏度上升很快,膜污染速度急剧加快。
 
       (2)悬浮物的粒度分布
 
       一些学者对不同粒径的悬浮颗粒在膜表面的沉积情况进行了考察,建立了膜表面污泥沉积速度的计算模型。根据 Shimizu的模型对一体式MBR中膜组件的污染情况进行了模拟计算。得出容易在膜表面沉积的主要是微小粒子,其中以粒径为10m的悬浮颗粒最为容易沉积。
       有研究人员就沉积在膜面的不同尺寸的颗粒对膜过滤阻力的影响进行了详尽研究,结果表明粒径为0.46um的颗粒在平板膜(0.2um)上沉积时,膜过滤阻力上升很快;粒径为3.2um的较大粒子在膜表面沉积至一定数量后膜过滤阻力才有明显上升;而对于粒径为11.9um的粒子,即使在膜表面上出现了大量沉积,膜过滤阻力仍未出现升高现象。因此,
他们认为,较大粒子在膜表面上的沉积不会影响膜的过滤特性,只有尺寸与膜孔径相差不多的粒子沉积时才会引起较严重的膜污染。
 
       (3)溶解性有机物
 
       一些学者开始强调溶解性物质对膜污染的影响。尤其是在分置式MBR中,很多学者发现由于剪切力对污泥絮体的破坏作用,溶解性物质对膜污染的贡献不容忽视。其中,对分置式MBR处理粪便污水过程中产生的活性污泥进行了小型过滤试验,总结出膜过滤阻力与污泥浓度、污泥黏度以及溶解性有机物浓度之间的关系为:
 
                                                   R=842.7△P(SS)0.926(COD)1.368u0326                                                (4-1)
 
       式中,R为膜过滤阻力,m-1;△P为操作压力,Pa;Ss为混合液悬浮固体浓度,mg/L;COD为溶解性COD浓度,mg/L;u为活性污泥混合液黏度,Pa·s。
       在用分置式微滤MBR过滤城市污水处理厂的污泥,考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质浓度对膜污染的影响时得岀了相似的结论。硏究发现,溶解性物质引起的膜污染几乎形成了50%的膜过滤阻力。循环泵对污泥絮体的剪切作用破坏了污泥絮体中微生物、无机颗粒和ECP之间的相互联系,促使菌胶团解体,释放出ECP到上清液中,增加了溶解性物质的浓度。这些溶解性物质之间以及它们与膜材料之间随即发生相互作用,引起膜污染。
       同时也发现了膜通量随着溶解性有机物浓度的升高而下降,特别是污泥内源呼吸和细胞解体过程中产生的微生物产物,其中高分子物质的含量比较高,在反应器内容易蓄积,更有可能加剧膜污染。
       在一体式MBR中,虽然膜面错流流速很小,形成的剪切作用对污泥絮体的破坏作用不大,但溶解性物质有可能受运行条件的影响或因在MBR中出现积累而达到较高的浓度,从
而对膜污染作出很大的贡献。比如,对不同污泥负荷下膜表面的凝胶层阻力进行考察,就发现MBR中溶解性物质的浓度随污泥负荷的增大而升高,从而导致了凝胶层造成的膜过滤阻力的增大。
 
       (4)ECP
 
       ECP主要通过影响混合液的黏度来影响膜的过滤性能。对一体式中空纤维MBR中膜通透性能与ECP的关系进行考察,结果发现ECP被膜截留后积累于膜的表面和MBR中,从
而引起混合液黏度的增大和膜过滤阻力的增加。

4.2.3   膜组件的运行条件与操作方式
 
        运行条件和操作方式与膜污染速度密切相关。对膜污染直接产生影响的运行条件包括膜通量、操作压力、膜面流速和运行温度等。
 
       (1)膜通量或操作压力
 
       MBR有两种操作模式:一种是恒定膜通量变操作压力运行,另一种是恒定操作压力变膜通量运行。
       当采用恒定膜通量的操作方式时,膜通量的选择对于膜的长期稳定运行至关重要。对于某一特定的MBR系统,存在临界的膜通量,当实际采用的膜通量大于该临界值时,膜污染加重,膜清洗周期大大缩短。因此得出了临界膜通量的概念如下。
      ①狭义临界通量:被定义为使粒子开始在膜表面沉积的膜通量。当膜通量低于此临界值时,无粒子沉积。
      ②广义临界通量:使膜过滤阻力不随时间明显升高的最大膜通量。此定义以膜过滤阻力不随时间发生明显升高为准则,因此即使发生粒子在膜表面的沉积,但只要膜过滤阻力随
时间不发生明显变化,则认为该通量仍小于临界值。
      临界膜通量的概念近年来受到了广泛的关注,许多学者的研究证明了只有把膜通量选择在临界值之下,才能延长膜的运行周期,否则,膜会因迅速发生污染而停止运行。比如当实际釆用的膜通量低于临界膜通量时,膜过滤压力保持平稳且膜污染可逆;反之,膜过滤压力迅速上升而不能趋于稳定,膜污染的可逆性显著下降。膜污染向不可逆方向发展的主要原因之一是在膜过滤时浓差极化层转化成致密的滤饼层;另外,膜通量增加后膜面污染层的结构会发生改变,最终也将造成污泥层和凝胶层的阻力显著增大。如果实际采用的膜通量低于临界膜通量,曝气量的提高可以显著去除污泥层;否则曝气量的提高对污泥层的去除作用不大。临界膜通量随膜面错流流速的增加而线性增长。
       同样,当采用恒定操作压力变膜通量运行时,存在一个临界的操作压力,在高于临界操作压力的条件下运行会导致膜迅速污染。临界操作压力随着膜孔径的增加而减小。
 
     (2)膜面错流流速
 
       提高膜表面的水流紊动程度可以有效减少颗粒物质在膜面的沉积,减缓膜污染。但是膜面错流流速并非越大越好,当膜面错流流速达到一个临界值后,其进一步增加将不会对膜的过滤性能有明显改善。而且,过大的膜面错流流速还有可能因打碎活性污泥絮体而使污泥粒径减小,上清液中溶解性物质的浓度增加,从而加剧膜污染。
 
      (3)温度
 
       温度对膜的过滤分离过程也有影响。在不同温度下进行活性污泥的过滤试验,温度每升高1℃可引起膜通量增加2%,通常认为这是由温度变化引起料液黏度的变化所致。而有研究表明,提高温度不仅降低了混合液的黏度,而且还改变了膜面上污泥层的厚度和孔径,从而改变了膜的通透性能,但升温耗能,故一般较少使用。
 
       (4)操作方式
 
       针对一体式MBR,间歇抽吸的操作方式可以有效减缓膜污染的发展速度。有试验表明,出水泵开15min、停5min能最经济有效地控制膜污染阶段启动也有利于减缓膜的不可逆污染,而逐步提高膜通量到设定值要比直接应用该通量时的膜操作压力低得多。
        对恒定膜通量运行和恒定操作压力这两种情况进行比较,认为采用恒定膜通量的操作方式在运行初期能够避免膜面过度污染,更有利于膜的长期稳定运行。
        实际工程中,MBR系统的污水成分相当复杂,而且系统又是处在较高的污泥浓度条件下运行,容易造成膜的污染和通量衰减,甚至还有些不可逆的膜污染直接使膜系统不能正常运行。因此,探索膜污染的成因和机理,并采取各种有效、简便的手段来控制或减轻膜的污染已成为当前重要的研究课题之一。

 


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