MBR系統(tǒng)中膜污染狀況的研究

梁 宇

1 膜污染的成因

膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、膠體粒子或大分子溶質(zhì))與膜表面存在物理化學(xué)或機(jī)械作用而引起的膜面上的沉淀與積累。膜孔內(nèi)吸附造成的孔徑變小或堵塞,使膜的透水阻力增加,妨礙了膜表面上物質(zhì)的溶解與擴(kuò)散。從而導(dǎo)致膜通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象,廣義的膜污染還包括由于濃差極化導(dǎo)致凝膠層形成的可逆變化現(xiàn)象。

2 膜污染的影響因素

膜污染除了與膜本身材質(zhì)與組件形式有關(guān)外,還有許多重要影響因素。1)污泥濃度(MLSS)。污泥濃度過低時,活性污泥對溶解性有機(jī)物的吸附和降解能力減弱,使得上清液中溶解性有機(jī)物濃度增加,從而易被膜表面吸附形成凝膠層使過濾阻力增加,膜通量因而下降。當(dāng)污泥濃度過高時,污泥在膜表面沉積形成較厚的污泥層,導(dǎo)致過濾阻力升高和膜通量下降。2)膠體、溶解物。MBR內(nèi)膠體與溶解物在膜污染中起到重要作用,其阻力系數(shù)是總污泥(包括 SS、膠體、溶解物)阻力系數(shù)的 10倍。以過膜的水阻力計算,膠體和溶解物在膜污染中起到約 75%的作用。膠體混合液粘度的上升將會影響到膜表面的流動狀況,減弱湍流傳質(zhì),進(jìn)而加劇膜表面的濃差極化,引起傳質(zhì)推動力下降,從而造成了膜通量的下降,并遏制了水力剪切力對污染層的脫除作用。

3 膜污染的防治

3.1 膜的清洗

1)空氣反吹。研究表明通過對幾種不同的過濾—空氣反吹操作模式的運(yùn)行,15min過濾和 15m in空氣反吹可以獲得穩(wěn)定的通透量和總透過量,與連續(xù)運(yùn)行的工藝相比透過量提高到 370%,說明空氣反沖可以減緩膜污染,但對膜組件的強(qiáng)度要求更高。2)水反沖洗。用處理水對膜進(jìn)行定期反沖洗,其沖洗強(qiáng)度和水量要比出水的強(qiáng)度高、水量大。水反沖洗對膜性能的要求也高。3)空曝氣?？掌貧饩褪窃谕Ｖ惯M(jìn)出水時,加大曝氣強(qiáng)度并連續(xù)曝氣2 d～3 d,以沖脫沉積在膜表面上的污泥層。4)藥物法。最有效的方法是根據(jù)污染的程度,把膜組件浸在化學(xué)清洗劑中 2 h～48 h。5)超聲波清洗。超聲波可以改變污泥的結(jié)構(gòu)和毛細(xì)管抽吸時間;同時也降低了污泥的水合作用速率;污泥通過高分子電解質(zhì)調(diào)節(jié)后,超聲波的應(yīng)用改變了聚合電解質(zhì)的ξ電位,從而改變了其內(nèi)部結(jié)構(gòu),減少了分支結(jié)構(gòu)和縮短了分支的延伸,出現(xiàn)了沒有叢毛狀的光滑表面,它間接改變了污泥結(jié)構(gòu),從而降低了污泥的ξ電位。

3.2 預(yù)處理措施

對混合液進(jìn)行絮凝、沉淀、投加填料等預(yù)處理,可有效降低混合液懸浮物濃度,改善活性污泥或膜表面的性質(zhì),從而減緩膜污染的速率。通過電鏡照片發(fā)現(xiàn)經(jīng)過絮凝和吸附預(yù)處理的膜表面沒有形成污染層。

3.3 操作條件的優(yōu)化

1)低水通量過濾。水通量與由膜堵塞和壓力導(dǎo)致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有關(guān)。2)間歇操作。膜污染是由于污染物附著/沉積的速率和脫離速率不同引起的。在間歇操作運(yùn)行下,混合液不斷通過膜過濾形成過濾液,此時存在一個從反應(yīng)器指向膜表面的流速vf,使混合液中的懸浮固體向膜表面運(yùn)動,并在膜表面沉積。3)合理曝氣。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(chǎn)生的紊動水流清洗膜表面和阻止污泥聚集,以保持膜通量穩(wěn)定,因此曝氣量較高。一般氣水體積比為 15∶1～30∶1,明顯高于傳統(tǒng)處理工藝。曝氣對膜表面的清洗作用在于:使污泥上流和氣泡混合在膜表面產(chǎn)生錯流作用,從而產(chǎn)生沖擊作用來擦洗膜表面,清除污泥顆粒。

3.4 膜材料選取及膜組件安裝

1)膜材料選取:已經(jīng)商品化的膜材料有硝化纖維素(CN)、醋酸纖維素(CA)、CN-CA混合膜、聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚丙烯氰(PPC)、偏氟乙烯(PVF)及聚偏氟乙烯(PVDF)等,在選擇膜材料時應(yīng)從材料的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐污染性能、產(chǎn)水性能、使用壽命、膜造價等方面進(jìn)行技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)性評價來確定。2)膜孔徑選擇:從理論上講,在確保污染物被截留的情況下,選擇孔徑大的膜可以使水通量提高。但實驗發(fā)現(xiàn),選用較大膜孔徑,反而加速了膜的污染,水通量下降很快。一般膜的切割顆粒尺寸(截留分子量)應(yīng)比要分離的污染物的尺寸小一個數(shù)量級。3)膜表面改性:考慮到廢水中的污染物和活性污泥是有機(jī)物質(zhì),為了防止膜污染,應(yīng)降低膜和原水間的界面能,因此應(yīng)采用具有優(yōu)良的抗污染特性的親水性膜;另外,膜材料的電荷與溶質(zhì)的電荷相同的膜也較耐污染。4)膜組件的安裝:為防止膜污染,膜組件在安裝時應(yīng)合理確定膜絲的長度、膜絲的松緊、膜組件和曝氣池墻體之間的距離、膜組件和空氣擴(kuò)散管之間的距離以及膜組件和反應(yīng)器液面、空氣護(hù)散器和曝氣池底之間的距離,以保證在一定曝氣量下獲得較高的液體上升速率,減少污泥層在膜表面的沉積,減緩膜污染。

4 結(jié)語

膜污染主要是由于膜孔的堵塞和膜表面污染物的沉積引起的,影響膜污染的因素主要包括膜的性能、混合液的性質(zhì)、混合液的水利特性。大量研究表明采用反沖洗、預(yù)處理、優(yōu)化運(yùn)行條件、改善膜的性能措施可有效減緩膜的污染,延長膜的使用壽命。隨著對膜生物反應(yīng)器污染機(jī)理研究的深入,膜材料和膜制造技術(shù)的發(fā)展,膜分離工藝的完善,膜污染問題必將得到解決,膜生物反應(yīng)器也將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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