MBR系統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)與膜表面存在物理化學或機械作用而引起的膜面上的沉淀與積累。膜孔內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的溶解與擴散。從而導致膜通量與分離特性的不可逆變化現象,廣義的膜污染還包括由于濃差極化導致凝膠層形成的可逆變化現象。

2 膜污染的影響因素

膜污染除了與膜本身材質與組件形式有關外,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物的吸附和降解能力減弱,使得上清液中溶解性有機物濃度增加,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。當污泥濃度過高時,污泥在膜表面沉積形成較厚的污泥層,導致過濾阻力升高和膜通量下降。2)膠體、溶解物。MBR內膠體與溶解物在膜污染中起到重要作用,其阻力系數是總污泥(包括 SS、膠體、溶解物)阻力系數的 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,進而加劇膜表面的濃差極化,引起傳質推動力下降,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行,15min過濾和 15m in空氣反吹可以獲得穩定的通透量和總透過量,與連續運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,但對膜組件的強度要求更高。2)水反沖洗。用處理水對膜進行定期反沖洗,其沖洗強度和水量要比出水的強度高、水量大。水反沖洗對膜性能的要求也高。3)空曝氣。空曝氣就是在停止進出水時,加大曝氣強度并連續曝氣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污染的程度,把膜組件浸在化學清洗劑中 2 h～48 h。5)超聲波清洗。超聲波可以改變污泥的結構和毛細管抽吸時間;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調節后,超聲波的應用改變了聚合電解質的ξ電位,從而改變了其內部結構,減少了分支結構和縮短了分支的延伸,出現了沒有叢毛狀的光滑表面,它間接改變了污泥結構,從而降低了污泥的ξ電位。

3.2 預處理措施

對混合液進行絮凝、沉淀、投加填料等預處理,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,從而減緩膜污染的速率。通過電鏡照片發現經過絮凝和吸附預處理的膜表面沒有形成污染層。

3.3 操作條件的優化

1)低水通量過濾。水通量與由膜堵塞和壓力導致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有關。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生錯流作用,從而產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,在選擇膜材料時應從材料的強度、熱穩定性、化學穩定性、耐污染性能、產水性能、使用壽命、膜造價等方面進行技術分析和經濟性評價來確定。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。但實驗發現,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)應比要分離的污染物的尺寸小一個數量級。3)膜表面改性:考慮到廢水中的污染物和活性污泥是有機物質,為了防止膜污染,應降低膜和原水間的界面能,因此應采用具有優良的抗污染特性的親水性膜;另外,膜材料的電荷與溶質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、膜組件和空氣擴散管之間的距離以及膜組件和反應器液面、空氣護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、混合液的水利特性。大量研究表明采用反沖洗、預處理、優化運行條件、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。隨著對膜生物反應器污染機理研究的深入,膜材料和膜制造技術的發展,膜分離工藝的完善,膜污染問題必將得到解決,膜生物反應器也將得到更加廣泛的應用。

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