膜污染是膜與反應器內的污泥混合液中的污染物質(zhì)相互作用而引起的在膜孔內或者膜面吸附、聚集、沉淀等,從而引起膜跨膜壓力的升高(恒流模式)或者膜通量的降低(恒壓模式)的現象。
活性污泥體系中物質(zhì)眾多,包括污水基質(zhì)、菌膠團、微生物細胞、細胞碎片以及微生物代謝產(chǎn)物如胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)以及各種有機、無(wú)機溶解性物質(zhì)等,理論上講每一部分對膜污染都有貢獻。
活性污泥體系中的物質(zhì)在膜孔內的吸附和聚集形成的污染,稱(chēng)之為內部污染;而在膜表面聚集或沉積形成的污染稱(chēng)之為外部污染。
需要指出的是,MBR的外部污染中存在"泥餅層"污染和"凝膠層"污染的現象。泥餅層污染是指大量污泥絮體在膜面沉積而形成的污染;凝膠層污染則是一些小顆粒物質(zhì),如膠體物質(zhì)、EPS、SMP 等物質(zhì)在膜面的吸附和聚集,這些物質(zhì)的粒徑分布往往較廣,*控制這些物質(zhì)不在膜面沉積是不可能的。
在MBR運行過(guò)程中,一旦出現泥餅層的污染,系統隨之會(huì )出現壓力迅速上升或者通量急劇衰減的現象,MBR在短期內達到運行終點(diǎn),需要進(jìn)行膜的清洗。而目,在長(cháng)期運行過(guò)程中,這些被認為"可逆"的泥餅層污染會(huì )逐漸向"不可逆"過(guò)渡,影響系統的長(cháng)期穩定運行。
盡管有研究者認為泥餅層污染可以起到攔截細小顆粒物等的作用,但是一般在MBR操作運行中要盡可能避免泥餅層的過(guò)渡形成。凝膠層污染所帶來(lái)的是膜污染阻力緩慢上升的過(guò)程,在恒流操作模式中表現為壓力的緩慢上升,在恒壓操作模式中表現為通量的緩慢衰減。
此外,目前關(guān)于MBR中優(yōu)勢污染物的研究與認識仍存在爭議,但是一般認為反應器中存在的膠體物質(zhì)以及微生物產(chǎn)物是引起MBR長(cháng)期運行過(guò)程中污染的主要污染物,并且無(wú)機離子與有機物之間存在的架橋和絡(luò )合作用會(huì )引起更加嚴重的污染現象。
在MBR 中,膜污染與膜材料、污泥混合液性質(zhì)以及操作運行條件等三方面相關(guān)。因此,MBR的膜污染控制也主要集中于上述三方面,即高性能膜材料/膜組件研制、污泥混合液性質(zhì)調控和操作運行條件優(yōu)化。
膜材料和膜組件是MBR以及其他膜分離工藝的核心,是影響膜分離工藝中膜污染的關(guān)鍵因素之一。采用高性能、抗污染的膜材料和膜組件是有效控制膜污染的直接、有效的手段。為此,目前市場(chǎng)上出現了多種材質(zhì)、各式各樣膜組件的膜產(chǎn)品。從膜材料而言,膜孔,徑、親/疏水性、Zeta 電位、膜面粗糙度以及膜面官能團情況等均會(huì )對膜污染造成影響。
在高性能膜材料制備過(guò)程中,需要綜合考慮膜面各個(gè)物理化學(xué)性能指標的影響。目前,膜材料性能的改良包括膜面改性與膜本體改性?xún)煞N途徑。
具體而言,又包括:
①親水性改良,如等離子體處理、藥劑浸泡-干化等;
②抗污染因子添加或接枝,如添加功能洗滌劑因子、納米材料、表面紫外光照/y光照射接枝等;
③膜面電荷修飾;
④膜孔徑、孔隙率、粗糙度等改良。一般而言,MBR 中膜材料希望具有親水性強、負電性高、孔徑分布均勻、粗糙度低的特點(diǎn)。
除此之外,值得一提的是一些廉價(jià)基材,如無(wú)紡布、篩絹、不銹鋼絲網(wǎng)、滌綸網(wǎng)等可以利用在基材上形成動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行過(guò)濾分離,不僅取得了良好的分離效果,同時(shí)可以避免傳統膜污染嚴重的問(wèn)題,這類(lèi)膜基材的清洗也十分方便。當然,膜組件以及膜組器的優(yōu)化設計對有效控制膜污染也很重要。
混合液性質(zhì)是影響膜污染的另一重要因素,主要包括污泥濃度、污泥成分(纖維狀物質(zhì)、膠體、溶解性物質(zhì)、SMP、EPS、無(wú)機離子等)、污泥粒徑、污泥黏度、污泥菌群等?;旌弦盒再|(zhì)與膜污染之間的關(guān)聯(lián)十分復雜,且研究結論存在著(zhù)一定的爭議和矛盾之處。
隨著(zhù)研究的深入,有關(guān)混合液性質(zhì)與膜污染之間的關(guān)系有以下幾點(diǎn)已基本明晰:
①混合液中顆粒粒徑越大越有利于減輕膜污染;
②一般而言,混合液中膠體物質(zhì)和溶解性物質(zhì)的濃度越低膜污染就越低;
③合適的MLSS濃度有利于膜污染控制;
④大分子質(zhì)量的溶解性物質(zhì)中一般易形成膜污染;
⑤污泥膨脹/污泥破碎易形成嚴重的膜污染;
⑥一般而言污泥黏度越大膜污染越嚴重。
此外,污泥菌群會(huì )影響微生物在膜表面的滋生。
污泥混合液中存在的毛發(fā)以及其他纖維狀的物質(zhì)會(huì )對 MBR中膜組件產(chǎn)生嚴重的纏繞和堵塞現象,并導致膜絲或者膜片之間出現大量污泥顆?;蛘吣囡瀸拥奈廴?,需要設置精細的預處理設施或者在回流污泥中增加處理設施。
操作條件優(yōu)化對于膜污染控制具有重要意義,其主要包括以下幾個(gè)方面:
①選擇合適的運行通量和操作壓力,對于恒流運行模式而言,其運行通量要處于次臨界通量范圍內,同樣對于恒壓操作模式需要在次臨界壓力范圍內;
②曝氣強度及水力學(xué)流態(tài)控制,在MBR錯流過(guò)濾中,一般提高曝氣強度會(huì )提升膜表面的水力剪切力和錯流過(guò)濾速率,但是也存在一個(gè)最大的曝氣強度,超過(guò)該值,錯流速率并無(wú)明顯提升,也可以通過(guò)反應器優(yōu)化、投加惰性顆粒物、旋轉膜/振動(dòng)膜簽方法提高水力學(xué)條件;
③膜的過(guò)濾模式,采用間歇過(guò)濾有助于污染控制,提升系統運行穩定性;
④達到一定的操作壓力及時(shí)進(jìn)行清洗,污染物在長(cháng)期過(guò)程中性質(zhì)會(huì )發(fā)生變化,一些可逆污染會(huì )轉變?yōu)椴豢赡嫖廴净蛘卟豢苫謴臀廴?,及時(shí)清洗是避免污染物性質(zhì)轉化的有效手段;
⑤選擇合適的HRT和SRT。
操作條件反過(guò)來(lái)又影響了污泥泥合液性質(zhì),兩者之間相互關(guān)聯(lián)。
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