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Warum MBR-Membranen anfällig für Ablagerungen sind und wie man damit umgeht

July 4, 2025
Neueste Unternehmensnachrichten über Warum MBR-Membranen anfällig für Ablagerungen sind und wie man damit umgeht


Warum MBR-Membranen leicht verskalieren und eine Reinigung alle paar Monate erfordern, selbst wenn die Online-Rückspülung ineffektiv ist?

Die MBR-Technologie (Membranbioreaktor) wurde in der Abwasserbehandlung weit verbreitet und erfolgreich eingesetzt. Durch den Ersatz des Nachklärbeckens gewährleistet MBR eine hohe Ablaufqualität und eine hohe Schlammkonzentration, wodurch viele betriebliche Probleme für das Abwasserbehandlungspersonal reduziert werden. Membranfouling war jedoch schon immer eine Herausforderung für die Entwicklung und den Betrieb von MBR-Systemen. Wie können MBR-Betreiber also die Ursachen des Membranfoulings schnell identifizieren und effektiv angehen, um die Reinigungsfrequenz zu reduzieren?

Definition von Membranfouling

Membranfouling bezieht sich typischerweise auf den Prozess, bei dem sich Substanzen in der Mischflüssigkeit auf der Membranoberfläche (außen) und in den Membranporen (innen) ansammeln und adsorbieren. Dies führt zu Porenverstopfung, verringert die Porosität, verursacht einen Membranflux-Rückgang und erhöht den Filtrationsdruck.

Bei Membranfiltrationsvorgängen passieren Wassermoleküle und kleine Partikel kontinuierlich die Membran, während einige Substanzen von der Membran zurückgehalten werden, wodurch die Poren blockiert oder sich auf der Membranoberfläche ablagern, was zu Fouling führt. Im Wesentlichen tritt Membranfouling als Ergebnis der Membranfiltration auf. Die direkte Manifestation von Membranfouling ist die Abnahme des Membranfluxes oder eine Erhöhung des Betriebsdrucks.

Die Substanzen in der Belebtschlamm-Mischflüssigkeit, wie Nährstoffe, mikrobielle Flocken, mikrobielle Zellen, Zellfragmente, Stoffwechselnebenprodukte (EPS, SMP) und verschiedene organische und anorganische gelöste Stoffe, tragen alle zum Membranfouling bei.

Stadien des Membranfoulings

Membranfouling entwickelt sich im Allgemeinen in drei Stadien (einige Klassifizierungen beziehen sich auf zwei Stadien):

  1. Anfängliches Fouling:Dies tritt in den frühen Stadien des Membransystembetriebs auf. Membranoberflächen interagieren stark mit Kolloiden, organischen Stoffen usw. in der Mischflüssigkeit, was durch Adhäsion, Ladungseffekte, Porenverstopfung usw. zu Fouling führt. Unter Querstromfiltrationsbedingungen haften kleine biologische Flocken oder extrazelluläre Polymere immer noch an der Membranoberfläche, während Substanzen, die kleiner als die Membranporengröße sind, in den Poren adsorbiert werden können. Durch Konzentration, Kristallisation und Wachstum tritt Fouling auf.

  2. Langsames Fouling:Anfänglich ist die Membranoberfläche glatt, und große Partikel haften nicht leicht an. Die primären Foulingmaterialien sind EPS, SMP und biologische Kolloide, die auf der Membranoberfläche adsorbiert werden und eine gelartige Schicht bilden. Dies erhöht den Filtrationswiderstand langsam und verbessert die Fähigkeit der Membran, Schadstoffe in der Mischflüssigkeit zurückzuhalten. Gel-Schicht-Fouling ist unvermeidlich und verursacht einen allmählichen Anstieg des Membranwiderstands. Im Konstantstrombetrieb zeigt sich dies als langsamer Anstieg des TMP (Transmembrandruck), während es im Konstantdruckmodus zu einem langsamen Rückgang des Flusses führt.

  3. Schnelles Fouling:Die in der zweiten Phase gebildete Gelschicht wird unter anhaltendem Filtrationsdruck und Permeationsfluss kompakter, wodurch das Fouling von allmählich zu drastisch übergeht. Große Mengen an Flocken sammeln sich schnell auf der Membranoberfläche an, bilden einen Schlammkuchen, und der Quer-Membran-Druck steigt rapide an.

Gel-Schicht-Fouling ist unvermeidlich und verursacht einen allmählichen Anstieg des Membranwiderstands. Im Konstantstrombetrieb zeigt sich dies als allmählicher Anstieg des TMP, während es im Konstantdruckmodus als langsamer Rückgang des Flusses manifestiert. Sobald sich große Mengen an Schlammflocken auf der Membranoberfläche ablagern und einen Schlammkuchen bilden, kann das System nicht mehr normal arbeiten.

Der Hauptfokus während des MBR-Betriebs und der Wartung liegt darin, das Gel-Schicht-Fouling zu verzögern (durch Aufrechterhaltung guter hydraulischer Bedingungen, In-situ-Reinigung, Steuerung der Geschwindigkeit der Membranfouling-Entwicklung und Verlängerung der langsamen Fouling-Phase) und das Schlammkuchen-Fouling (schnelles Fouling) zu kontrollieren.

Arten von Membranfouling

  1. Basierend auf der Zusammensetzung der Foulingmaterialien

    • Organisches Fouling:Dies stammt hauptsächlich von makromolekularen organischen Substanzen (wie Polysacchariden, Proteinen), Huminsäuren, mikrobiellen Flocken und Zellfragmenten in der Mischflüssigkeit. Während lösliche mikrobielle Produkte (SMP) und extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) einen kleinen Teil der MLSS (Mischflüssigkeit suspendierte Feststoffe) ausmachen, tragen sie erheblich zum Membranfouling bei (26 % - 52 %). Das Wachstum und die Adsorption von Mikroorganismen in den Membranporen und auf der Membranoberfläche spielen ebenfalls eine wichtige Rolle beim Fouling.

    • Anorganisches Fouling:Dies resultiert aus Metallsalzen und anorganischen Ionen, die Brücken bilden, wie z. B. Calcium, Magnesium, Eisen und Silizium, was zu Verskalung führt, insbesondere Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Magnesiumhydroxid.

  2. Basierend auf der Art des Foulings

    • Reversibles Fouling (Temporäres Fouling):Diese Art von Fouling kann durch bestimmte hydraulische Maßnahmen entfernt werden, wie z. B. Rückspülung mit sauberem Wasser oder Belüftung.

    • Irreversibles Fouling (Permanentes Fouling):Dieses Fouling kann nicht mit hydraulischen Reinigungsmethoden entfernt werden und erfordert eine Reinigung mit Chemikalien wie Oxidationsmitteln, Säuren, Basen oder Reduktionsmitteln.

    Sowohl reversibles als auch irreversibles Fouling können gereinigt werden, aber irreversibles Fouling beinhaltet eine dauerhafte Schädigung der Membranleistung.

  3. Basierend auf dem Ort des Foulings

    • Internes Fouling:Dies tritt auf, wenn sich Materialien in der Mischflüssigkeit ansammeln, kristallisieren und sich in den Membranporen aggregieren.

    • Externes Fouling:Dies geschieht, wenn sich Materialien auf der Membranoberfläche aggregieren und ablagern.

Faktoren, die das Membranfouling beeinflussen

  1. Eigenschaften der Mischflüssigkeit

    Die Quelle der Fouling-Substanzen in MBR-Systemen ist die Belebtschlamm-Mischflüssigkeit, die komplexe Eigenschaften aufweist, die das Fouling beeinflussen:

    • EPS und SMP:EPS und SMP sind mikrobielle Stoffwechselnebenprodukte, die eine kritische und komplexe Rolle beim Fouling spielen. Übermäßiges EPS erhöht die Viskosität der Mischflüssigkeit, erschwert die Sauerstoffdiffusion und beeinträchtigt die Aktivität der mikrobiellen Flocken, was zu einem erhöhten Filtrationswiderstand führt. Wenn der EPS-Gehalt zu niedrig ist, zerfallen die Flocken, was sich negativ auf den MBR-Betrieb auswirkt.

    • MLSS-Konzentration:Die Konzentration von MLSS wirkt sich direkt auf die Viskosität der Mischflüssigkeit aus. Mit zunehmendem MLSS nimmt die Viskosität exponentiell zu, was die Filtrationseffizienz verringert. Wenn die Querstromgeschwindigkeit oder die Belüftungsintensität nicht ausreicht, um an der Membranoberfläche anhaftende Feststoffe abzuwaschen, tritt Fouling auf.

    • Viskosität:Die Viskosität der Mischflüssigkeit wird von MLSS beeinflusst und hat einen direkten Einfluss auf die Blasengröße und die Membranflexibilität sowie auf die Sauerstoffübertragungseffizienz. Eine höhere Viskosität führt zu einer höheren Fouling-Neigung.

    • Hydrophobie des Schlamms:Studien legen nahe, dass die Hydrophobie des Schlamms eine signifikante Rolle beim Membranfouling spielt. Hohe Hydrophobie kann schweres Fouling verursachen, insbesondere wenn überschüssige fadenförmige Bakterien zu unregelmäßigen Flockenformen führen.

    • Partikelgröße des Schlamms:Kleinere Partikel, etwa 2 Mikrometer, lagern sich eher auf der Membranoberfläche ab, bilden dichte Schichten und erhöhen den Filtrationswiderstand.

    • Schlammabsetzgeschwindigkeit (SVI):Obwohl SVI das Fouling nicht direkt beeinflusst, kann es die Absetzeigenschaften der organischen Materialien in der Mischflüssigkeit anzeigen. Kolloide und gelöste organische Stoffe tragen maßgeblich zum Fouling bei.

  2. MBR-Betriebsbedingungen

    • Schlammretentionszeit (SRT):Die Erhöhung der SRT kann die Produktion von SMP und EPS reduzieren und somit das Fouling reduzieren. Eine übermäßig lange SRT kann jedoch zu höheren Schlammkonzentrationen führen, was die Viskosität erhöht und das Fouling verschlimmert.

    • Hydraulische Retentionszeit (HRT):Obwohl HRT das Fouling nicht direkt beeinflusst, liefert eine kürzere HRT mehr Nährstoffe für Mikroorganismen, was zu einem schnelleren mikrobiellen Wachstum führt, was das Fouling-Potenzial erhöhen kann.

    • Temperatur und pH-Wert:Niedrige Temperaturen verursachen reversibles Fouling, während hohe Temperaturen irreversibles Fouling beschleunigen. MBR arbeitet typischerweise in einem pH-Bereich von 6-9; extreme pH-Werte können nitrifizierende Bakterien hemmen, wodurch das Fouling zunimmt.

    • Gelöster Sauerstoff (DO):Niedrige DO-Werte erhöhen die Hydrophobie der mikrobiellen Zellen, wodurch die Schlammflocken zerfallen. Wenn die DO-Werte unter 1 mg/L fallen, steigt der SMP-Gehalt stark an, was das Fouling verschlimmert.

    • Membranfluss:Erhöhter Fluss erhöht das Fouling-Potenzial in allen Membranprozessen. Das Ausbalancieren von Fluss, Membranfläche und Rückspül-/Chemikalienreinigungsintervallen ist der Schlüssel zur Minimierung des Foulings.

  3. Membraneigenschaften und Membranmodulstruktur

    • Porengröße:Kleinere Porenmembranen neigen dazu, mehr Verunreinigungen zurückzuhalten, wodurch dichtere Fouling-Schichten entstehen, die schwerer zu entfernen sind. Größere Porenmembranen können eine höhere anfängliche Blockierung aufweisen, bilden aber dynamische Membranen, die die Filtrationsleistung im Laufe der Zeit verbessern können.

    • Membranmaterial:Hydrophobe Membranen, wie z. B. PVDF, neigen eher zum Fouling. Keramikmembranen hingegen sind widerstandsfähiger gegen Fouling und haben Vorteile in Bezug auf chemische Stabilität und Festigkeit.

    • Oberflächenrauheit:Die Rauheit der Membranoberfläche erhöht ihre Fähigkeit, Verunreinigungen zu adsorbieren, führt aber auch zu einer gewissen Flexibilität, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Verunreinigungen dauerhaft haften bleiben.

    • Hydrophobie vs. Hydrophilie:Membranen aus hydrophilen Materialien haben im Allgemeinen eine bessere Beständigkeit gegen Fouling.

Kontrollmaßnahmen für Membranfouling

Fouling wird in erster Linie durch die inhärenten Eigenschaften der Membran, die Eigenschaften der Mischflüssigkeit und die Betriebsbedingungen beeinflusst. Daher sollte sich die Fouling-Kontrolle auf diese drei Aspekte konzentrieren:

  1. Membraneigenschaften:Wählen Sie Membranen mit besserer Hydrophilie, Oberflächenrauheit und geeigneter Porengröße, um die Fouling-Beständigkeit zu erhöhen. Keramikmembranen sind oft eine gute Wahl für ihre Festigkeit und chemische Stabilität.

  2. Eigenschaften der Mischflüssigkeit:Kontrollieren Sie die MLSS-Konzentration und die Viskosität sowie die Zusammensetzung der organischen und anorganischen Materialien, um das Fouling zu reduzieren. Vorbehandlungsschritte wie Filtration können größere Partikel entfernen und Verstopfungen verhindern.

  3. Systembetriebsumgebung:Verwenden Sie geeignete Flüsse, um unterkritische Werte zu bleiben, um