MBR工艺中膜污染现象及其防护措施

2016年04月18日

一、膜污染的机理
研究表明,膜污染的发展可分为不同阶段。在恒定通量操作条件下,MBR中膜污染存在“缓慢积累”和“急速发展”两个阶段。在这两个过滤阶段之前,还存在一个初始调节期。

1.初始调解期污染阶段

在运行初期,膜面与混合液中的聚合物和溶解性有机物之间会发生黏附、电荷作用、孔内堵塞等。即使在通量为零的条件下,胶体和有机物也会发生被动吸附,过滤开始后,大分子在剪切力和扰动力的作用下脱离膜表面,留下较小的生物絮体或聚合物。靠近膜表面的微生物更易附着在膜表面,并对下阶段污染产生影响。小于膜孔径的颗粒物质会在膜孔中吸附,通过浓缩、结晶、沉淀及生长等作用使膜孔产生不同程度的堵塞。

2.缓慢积累阶段

第一阶段后,在膜面会形成沉积层。膜面污染层划分为三个层次:最外层膜阻力最小,多孔结构明显,透水能力强;中间层较外层膜阻力升高,空隙率降低,呈凝胶态;底污染层紧密覆盖于膜面,结构密实,空隙率低,透水能力最小。膜过滤阻力的增加主要由于滤饼层的积累造成的。

胞外聚合物(EPS)不仅在膜表面积累,也会在膜孔中积累,膜表面的EPS会直接改变沉积层的孔隙率和结构,并与细微颗粒一并沉积并吸附在膜表面,形成黏性很强的凝胶层。若继续以恒定通量运行,将导致跨膜压差(TMP)升高,TMP升高会促进滤饼的压实,导致缓慢污染缩短。

3.急速污染阶段

膜污染层在过膜推动力的作用下,结构加厚,孔隙率降低。当膜外表面局部吸附层增加到一定程度时,局部的TMP超过了临界压力而进入了超临界区,导致膜污染从量变到质变的变化。在进入超临界区的局部膜表面,混合液中的生物絮体迅速地积聚在膜表面,并引发整个膜组件各处滤饼层的快速形成,从而引起整个膜组件的平均TMP迅速线性增加。

二、膜污染的影响因素
影响膜污染的因素主要有:膜组件的性质、膜池中混合液特性及运行条件等。

1.膜组件的性质

膜组件的性质主要包括膜构型、膜孔尺寸、粗糙度、膜材质、表面电荷、亲水性等。

膜构型即膜的几何形状和水流方向,在大中型污水处理厂中,浸没式MBR更常用,是由于曝气产生的剪切力可以减轻膜污染。在浸没式MBR中,大都采用中空纤维式或萍乡平板式膜组件。采用平板式膜组件可以获得更高的透水率,但在厌氧处理中,具有相同膜孔径的膜组件对比研究中发现,平板式膜组件的污染程度比中空纤维式膜稍高。

一般认为,截留物质分子量小于30万时,随孔径的增大膜通量增大;当截留物分子量大于30万时,膜通量变化不大;当孔径增大到微滤时,膜通量反而减少,是由于微生物在孔径内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,但同时也加剧了膜表面的挠动程度,阻碍了污染物在膜表面的沉积,因此粗糙度对膜通量的影响是两方面因素综合作用的效果。

带负电荷的陶瓷膜比不带电或带正电的膜的通量有很大的提高,是由于混合液中胶体多带负电,与膜表面之间存在较强的电性斥力。

一般认为,膜面与污泥的吸附自由能越小越好,即膜的亲水性越好越耐污染。

2.膜池中混合液性质

MBR中膜污染主要由于膜与混合液之间的相互作用的影响。混合液特性主要包括污泥特性和代谢产物。污泥特性主要包括污泥浓度、沉降性能、颗粒分布、表面电荷及黏度等。微生物的代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性有机物(SMP),对膜污染有重要影响。

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会对膜透水率产生不利影响。当污泥浓度小于6g/L时,增加污泥浓度可以降低污染程度;当污泥浓度高于15g/L时,增加污泥浓度则会加剧膜污染;当污泥浓度为8~12g/L时,增加污泥浓度不会对膜污染产生明显影响。由于污泥浓度较低时,混合液中溶解性有机物浓度增加,易被膜表面吸附形成凝胶层,导致过滤阻力增加,膜通量下降。污泥浓度过高时,污泥易在膜表面沉积,引起污染。所以在中等浓度范围内运行的膜生物反应器要比低浓度范围内运行的系统更有效地避免吸附性污染的可能性。

污泥的沉降性(SVI)与进水负荷(F/M)密切相关。污泥沉降性越好,滤饼的形成速率越慢,故存在一个最佳水力负荷,此条件下污泥沉降性最好,膜污染趋势最小。

小颗粒较大颗粒会更容易引起膜污染。与混合液中其它组分相比,上清液中微小胶体尽管数量最小,但对沉积阻力贡献最大。

污泥黏度与其浓度密切相关,有报道认为随浓度的增加,黏度基本呈指数方式增长,但存在一个污泥浓度的临界值,当污泥浓度低于该值时,黏度较低,且随污泥浓度的增加缓慢增长;当污泥浓度高于该值时,黏度呈指数方式增长。这一临界值通常在10~17g/L 之间。

EPS是指存在于细胞表面之上、表面之外以及微生物絮体内的细胞间隙中的所有类型的大分子,包括碳水化合物、蛋白质、核酸、(磷)脂和其它聚合物。EPS使细菌细胞聚集为絮体或生物膜、在细菌周围形成保护层、保持水分及使细胞附着在表面上,其黏附作用可以促进生物反应池的污泥颗粒化,增加污泥的沉降性,但是对膜分离系统则带来了吸附性膜污染。一般来说,蛋白质较碳水化合物更为疏水,所以蛋白质与碳水化合物的比例越高,EPS疏水性越强。

SP通常是指来自微生物代谢过程,并溶解于水中的有机物质,主要成分有碳水化合物、蛋白质、腐殖质、核酸、有机酸、胞外酶类固醇等。膜受上清液(即SMP)的影响要大于微生物主体的表现。

3.运行条件

MBR中污泥浓度高,停留时间长,污泥浓度高会引起混合液粘度的增加,从而加剧膜污染。随着固体停留时间(SRT)的延长,微生物处于内源呼吸期,大量微生物死亡,上清液中SMP积累,会比对数增长期产生更多的细胞碎片和SMP,从而加剧膜的生物污染,因此对SRT应进行控制;过短的水力停留时间(HRT)会导致溶解性有机物的积累,吸附在膜面上而影响通量,因此应对HRT进行控制,以维持溶解性有机物的平衡。

膜池曝气有两种作用:提供氧气,创造湍流,防止膜面沉积物形成。一体式MBR中,膜通量在一定范围内,随着曝气量的增加而增加;当曝气量大到一定程度时,膜通量不再变化。因为曝气量的增加能在膜表面形成较大错流速度,使污染物不易在膜表面积累,而且可以加快污染物在膜表面的脱离;但曝气量过大有可能会破坏絮体结构,减小絮体尺寸并使EPS释放到生物反应器中,使混合液中细小污泥颗粒增多,从而导致膜孔堵塞。另外曝气气泡的大小也能影响膜池中液体的流动状况。在临界充氧强度以下,细小的空气泡能产生最优错流流速,能创造更强的剪切力。

膜通量是MBR中膜污染的一个重要影响因素。膜污染速率和膜通量呈指数相关,在高通量下操作,膜污染会很快发生,在低通量下操作,膜污染发生得较缓慢,但是过低的通量意味着膜的处理能力降低,在实际工程应用中则需要更大的膜面积。

升高液体温度有利于膜的过滤分离过程。温度升高1℃可引起膜通透量变化2%,是由于温度变化引起料液黏度的变化所致。随着温度的升高,COD,BOD的去除效率都有所增加。但温度升高会加大能耗,应将温度控制在一定的范围内。活性污泥微生物最适宜的pH值范围是6.5-8.5,pH值过高或过低时,都会影响微生物活性,特别是硝化和反硝化细菌的活性。

三、MBR膜污染防护措施
1.膜组件的选取

在选择膜材料时应从强度、稳定性、寿命、造价等方面进行技术分析和经济性评价来确定。理论上讲,在确保污染物被截留的情况下,选择孔径大的膜可以使水通量提高。但工程实际应用中发现,选用较大膜孔径,反而加速了膜的污染,膜通量下降很快。一般膜的切割颗粒尺寸比要分离的污染物的尺寸小一个数量级。通过改变膜表面的物理化学性质以及疏水性,可提高膜的抗污染能力,缓解膜污染。
MBR膜采用萍乡恒昌中空板式陶瓷膜组件,性价比高,使用寿命长,分离效果好。
2.混合液特性的改善

有效降低混合液悬浮物浓度,改善污泥活性,从而减缓膜污染的速率。

3.优化操作条件

一般情况下在次临界通量区运行可以减缓膜污染的过程。当渗透通量低于临界通量时,TMP保持稳定,污染是可逆的;相反,超过临界通量时,TMP增加迅速且不稳定,此时再降低通量,形成的污染是不可逆的。

曝气对膜表面的清洗作用在于使污泥上流和气泡混合在膜表面产生错流作用,从而产生冲击作用来擦洗膜表面。膜面沉积层的去除率可以通过曝气强度来提高,如果膜面沉积较严重应停止出水进行空曝。空曝是去除膜面沉积物的有效方法。

对于浸没式MBR,在抽吸数分钟后,再停下来空曝气,这样在上升气流的作用下,冲刷膜表面,有利于降低浓差极化的形成,同时沉积在膜表面的污染物也会在上升气水流的带动下脱离膜表面回到主体泥水混合液中,利于降低膜污染。

膜的清洗方法包括空气反吹、水反冲洗、空曝气、药物法清洗、药物浸泡恢复性清洗等。定期空气反吹不仅可以将膜面的泥饼层吹脱,还可以将膜孔中的污染物清洗掉,从而获得稳定的膜通量,但是对膜组件的强度和性能要求较高。

来源:萍乡市恒昌化工新材料有限公司
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