Γιατί οι μεμβράνες MBR παρουσιάζουν εύκολα κλιμάκωση, απαιτώντας καθαρισμό κάθε λίγους μήνες, ακόμη και όταν η online αντίστροφη πλύση είναι αναποτελεσματική;
Η τεχνολογία MBR (Membrane Bioreactor) έχει εφαρμοστεί ευρέως και με επιτυχία στην επεξεργασία λυμάτων. Αντικαθιστώντας τη δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης, το MBR εξασφαλίζει υψηλή ποιότητα εκροής και υψηλή συγκέντρωση ιλύος, μειώνοντας πολλούς λειτουργικούς πονοκεφάλους για το προσωπικό επεξεργασίας λυμάτων. Ωστόσο, η ρύπανση της μεμβράνης ήταν πάντα μια πρόκληση για την ανάπτυξη και τη λειτουργία των συστημάτων MBR. Έτσι, πώς μπορούν οι χειριστές MBR να εντοπίσουν γρήγορα τις αιτίες της ρύπανσης της μεμβράνης και να τις αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά για να μειώσουν τη συχνότητα καθαρισμού;
Ορισμός της ρύπανσης της μεμβράνης
Η ρύπανση της μεμβράνης αναφέρεται τυπικά στη διαδικασία κατά την οποία οι ουσίες στο μικτό υγρό συσσωρεύονται και προσροφώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης (εξωτερικά) και μέσα στους πόρους της μεμβράνης (εσωτερικά). Αυτό οδηγεί σε απόφραξη των πόρων, μειώνει την πορώτητα, προκαλεί μείωση της ροής της μεμβράνης και αυξάνει την πίεση διήθησης.
Στις λειτουργίες διήθησης μεμβράνης, τα μόρια νερού και τα μικρά σωματίδια περνούν συνεχώς μέσα από τη μεμβράνη, ενώ ορισμένες ουσίες συγκρατούνται από τη μεμβράνη, φράζοντας τους πόρους ή εναποτίθενται στην επιφάνεια της μεμβράνης, οδηγώντας σε ρύπανση. Ουσιαστικά, η ρύπανση της μεμβράνης συμβαίνει ως αποτέλεσμα της διήθησης μεμβράνης. Η άμεση εκδήλωση της ρύπανσης της μεμβράνης είναι η μείωση της ροής της μεμβράνης ή η αύξηση της πίεσης λειτουργίας.
Οι ουσίες στο μικτό υγρό ενεργού ιλύος, όπως θρεπτικά συστατικά, μικροβιακά φλοκ, μικροβιακά κύτταρα, θραύσματα κυττάρων, μεταβολικά υποπροϊόντα (EPS, SMP) και διάφορες οργανικές και ανόργανες διαλυμένες ουσίες, συμβάλλουν όλες στη ρύπανση της μεμβράνης.
Στάδια ρύπανσης της μεμβράνης
Η ρύπανση της μεμβράνης αναπτύσσεται γενικά σε τρία στάδια (ορισμένες ταξινομήσεις αναφέρονται σε δύο στάδια):
-
Αρχική ρύπανση:Αυτό συμβαίνει στα αρχικά στάδια λειτουργίας του συστήματος μεμβράνης. Οι επιφάνειες της μεμβράνης αλληλεπιδρούν έντονα με κολλοειδή, οργανική ύλη κ.λπ., στο μικτό υγρό, προκαλώντας ρύπανση μέσω πρόσφυσης, φαινομένων φόρτισης, απόφραξης πόρων κ.λπ. Σε συνθήκες διασταυρούμενης ροής διήθησης, μικρά βιολογικά φλοκ ή εξωκυτταρικά πολυμερή εξακολουθούν να προσκολλώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης, ενώ ουσίες μικρότερες από το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης μπορούν να προσροφηθούν στους πόρους. Μέσω συγκέντρωσης, κρυστάλλωσης και ανάπτυξης, συμβαίνει ρύπανση.
-
Αργή ρύπανση:Αρχικά, η επιφάνεια της μεμβράνης είναι λεία και τα μεγάλα σωματίδια δεν προσκολλώνται εύκολα. Τα κύρια υλικά ρύπανσης είναι EPS, SMP και βιολογικά κολλοειδή, τα οποία προσροφώνται στην επιφάνεια της μεμβράνης και σχηματίζουν ένα στρώμα που μοιάζει με γέλη. Αυτό αυξάνει την αντίσταση διήθησης αργά, ενισχύοντας την ικανότητα της μεμβράνης να συγκρατεί ρύπους στο μικτό υγρό. Η ρύπανση του στρώματος γέλης είναι αναπόφευκτη, προκαλώντας σταδιακή αύξηση της αντίστασης της μεμβράνης. Σε λειτουργία σταθερής ροής, αυτό εμφανίζεται ως μια αργή αύξηση της TMP (διαμεμβρανική πίεση), ενώ σε κατάσταση σταθερής πίεσης, έχει ως αποτέλεσμα μια αργή μείωση της ροής.
-
Ταχεία ρύπανση:Το στρώμα γέλης που σχηματίζεται στο δεύτερο στάδιο γίνεται πιο συμπαγές υπό συνεχή πίεση διήθησης και ροή διαπερατότητας, προκαλώντας τη μετάβαση της ρύπανσης από σταδιακή σε δραστική. Μεγάλες ποσότητες φλοκ συσσωρεύονται γρήγορα στην επιφάνεια της μεμβράνης, σχηματίζοντας ένα κέικ ιλύος και η διαμεμβρανική πίεση αυξάνεται γρήγορα.
Η ρύπανση του στρώματος γέλης είναι αναπόφευκτη και προκαλεί σταδιακή αύξηση της αντίστασης της μεμβράνης. Σε λειτουργία σταθερής ροής, αυτό είναι εμφανές ως σταδιακή αύξηση της TMP, ενώ σε κατάσταση σταθερής πίεσης, εκδηλώνεται ως αργή μείωση της ροής. Μόλις μεγάλες ποσότητες φλοκ ιλύος εναποτεθούν στην επιφάνεια της μεμβράνης, σχηματίζοντας ένα κέικ ιλύος, το σύστημα δεν μπορεί πλέον να λειτουργήσει κανονικά.
Το κύριο μέλημα κατά τη λειτουργία και τη συντήρηση του MBR είναι η καθυστέρηση της ρύπανσης του στρώματος γέλης (διατηρώντας καλές υδραυλικές συνθήκες, καθαρισμό in-situ, ελέγχοντας τον ρυθμό ανάπτυξης της ρύπανσης της μεμβράνης και επεκτείνοντας τη φάση αργής ρύπανσης) και ο έλεγχος της ρύπανσης του κέικ ιλύος (ταχεία ρύπανση).
Τύποι ρύπανσης μεμβράνης
-
Με βάση τη σύνθεση των υλικών ρύπανσης
-
Οργανική ρύπανση:Αυτό προέρχεται κυρίως από μακρομοριακές οργανικές ουσίες (όπως πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες), χουμικά οξέα, μικροβιακά φλοκ και θραύσματα κυττάρων στο μικτό υγρό. Ενώ τα διαλυτά μικροβιακά προϊόντα (SMP) και οι εξωκυτταρικές πολυμερικές ουσίες (EPS) αντιπροσωπεύουν ένα μικρό τμήμα των MLSS (αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού), συμβάλλουν σημαντικά στη ρύπανση της μεμβράνης (26%-52%). Η ανάπτυξη και η προσρόφηση μικροοργανισμών μέσα στους πόρους της μεμβράνης και στην επιφάνεια της μεμβράνης παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη ρύπανση.
-
Ανόργανη ρύπανση:Αυτό προκύπτει από άλατα μετάλλων και ανόργανα ιόντα που σχηματίζουν γέφυρες, όπως ασβέστιο, μαγνήσιο, σίδηρος και πυρίτιο, με αποτέλεσμα την κλιμάκωση, ιδιαίτερα ανθρακικό ασβέστιο, θειικό ασβέστιο και υδροξείδιο του μαγνησίου.
-
-
Με βάση τη φύση της ρύπανσης
-
Αναστρέψιμη ρύπανση (Προσωρινή ρύπανση):Αυτός ο τύπος ρύπανσης μπορεί να αφαιρεθεί μέσω ορισμένων υδραυλικών μέτρων, όπως η αντίστροφη πλύση με καθαρό νερό ή ο αερισμός.
-
Μη αναστρέψιμη ρύπανση (Μόνιμη ρύπανση):Αυτή η ρύπανση δεν μπορεί να αφαιρεθεί χρησιμοποιώντας υδραυλικές μεθόδους καθαρισμού και απαιτεί καθαρισμό με χημικά όπως οξειδωτικά, οξέα, βάσεις ή αναγωγικά μέσα.
Τόσο η αναστρέψιμη όσο και η μη αναστρέψιμη ρύπανση μπορούν να καθαριστούν, αλλά η μη αναστρέψιμη ρύπανση συνεπάγεται μόνιμη βλάβη στην απόδοση της μεμβράνης.
-
-
Με βάση τη θέση της ρύπανσης
-
Εσωτερική ρύπανση:Αυτό συμβαίνει όταν τα υλικά στο μικτό υγρό συσσωρεύονται, κρυσταλλώνονται και συσσωματώνονται μέσα στους πόρους της μεμβράνης.
-
Εξωτερική ρύπανση:Αυτό συμβαίνει όταν τα υλικά συσσωματώνονται και εναποτίθενται στην επιφάνεια της μεμβράνης.
-
Παράγοντες που επηρεάζουν τη ρύπανση της μεμβράνης
-
Ιδιότητες του μικτού υγρού
Η πηγή των ουσιών ρύπανσης στα συστήματα MBR είναι το μικτό υγρό ενεργού ιλύος, το οποίο έχει πολύπλοκες ιδιότητες που επηρεάζουν τη ρύπανση:
-
EPS και SMP:Τα EPS και SMP είναι μικροβιακά μεταβολικά υποπροϊόντα που παίζουν κρίσιμο και πολύπλοκο ρόλο στη ρύπανση. Η υπερβολική ποσότητα EPS αυξάνει το ιξώδες του μικτού υγρού, καθιστώντας δύσκολη τη διάχυση του οξυγόνου και επηρεάζοντας τη δραστηριότητα των μικροβιακών φλοκ, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη αντίσταση διήθησης. Εάν τα επίπεδα EPS είναι πολύ χαμηλά, τα φλοκ διασπώνται, επηρεάζοντας αρνητικά τη λειτουργία του MBR.
-
Συγκέντρωση MLSS:Η συγκέντρωση MLSS επηρεάζει άμεσα το ιξώδες του μικτού υγρού. Καθώς το MLSS αυξάνεται, το ιξώδες αυξάνεται εκθετικά, γεγονός που μειώνει την απόδοση διήθησης. Εάν η ταχύτητα διασταυρούμενης ροής ή η ένταση αερισμού είναι ανεπαρκής για να απομακρύνει τα στερεά που είναι προσκολλημένα στην επιφάνεια της μεμβράνης, θα συμβεί ρύπανση.
-
Ιξώδες:Το ιξώδες του μικτού υγρού επηρεάζεται από το MLSS και έχει άμεση επίδραση στο μέγεθος των φυσαλίδων και στην ευκαμψία της μεμβράνης, καθώς και στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου. Το υψηλότερο ιξώδες έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη τάση ρύπανσης.
-
Υδροφοβικότητα ιλύος:Μελέτες υποδεικνύουν ότι η υδροφοβικότητα της ιλύος παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύπανση της μεμβράνης. Η υψηλή υδροφοβικότητα μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ρύπανση, ιδιαίτερα όταν η περίσσεια νηματοειδών βακτηρίων οδηγεί σε ακανόνιστα σχήματα φλοκ.
-
Μέγεθος σωματιδίων ιλύος:Μικρότερα σωματίδια, περίπου 2 μικρά, είναι πιο πιθανό να εναποτεθούν στην επιφάνεια της μεμβράνης, σχηματίζοντας πυκνά στρώματα και αυξάνοντας την αντίσταση διήθησης.
-
Ταχύτητα καθίζησης ιλύος (SVI):Ενώ το SVI δεν επηρεάζει άμεσα τη ρύπανση, μπορεί να υποδείξει τα χαρακτηριστικά καθίζησης των οργανικών υλικών στο μικτό υγρό. Τα κολλοειδή και τα διαλυμένα οργανικά είναι οι κύριοι συντελεστές της ρύπανσης.
-
-
Λειτουργικές συνθήκες MBR
-
Χρόνος κατακράτησης ιλύος (SRT):Η αύξηση του SRT μπορεί να μειώσει την παραγωγή SMP και EPS, μειώνοντας έτσι τη ρύπανση. Ωστόσο, το υπερβολικά μεγάλο SRT μπορεί να οδηγήσει σε υψηλότερες συγκεντρώσεις ιλύος, αυξάνοντας το ιξώδες και επιδεινώνοντας τη ρύπανση.
-
Χρόνος υδραυλικής κατακράτησης (HRT):Παρόλο που το HRT δεν επηρεάζει άμεσα τη ρύπανση, το μικρότερο HRT παρέχει περισσότερα θρεπτικά συστατικά στους μικροοργανισμούς, οδηγώντας σε ταχύτερη μικροβιακή ανάπτυξη, η οποία μπορεί να αυξήσει τις δυνατότητες ρύπανσης.
-
Θερμοκρασία και pH:Οι χαμηλές θερμοκρασίες προκαλούν αναστρέψιμη ρύπανση, ενώ οι υψηλές θερμοκρασίες επιταχύνουν τη μη αναστρέψιμη ρύπανση. Το MBR λειτουργεί τυπικά εντός ενός εύρους pH 6-9. Οι ακραίες τιμές pH μπορεί να αναστείλουν τα βακτήρια νιτροποίησης, προκαλώντας αύξηση της ρύπανσης.
-
Διαλυμένο οξυγόνο (DO):Τα χαμηλά επίπεδα DO αυξάνουν την υδροφοβικότητα των μικροβιακών κυττάρων, προκαλώντας διάσπαση των φλοκ ιλύος. Όταν τα επίπεδα DO πέσουν κάτω από 1 mg/L, τα επίπεδα SMP αυξάνονται απότομα, επιδεινώνοντας τη ρύπανση.
-
Ροή μεμβράνης:Η αυξημένη ροή αυξάνει τις δυνατότητες ρύπανσης σε όλες τις διαδικασίες μεμβράνης. Η εξισορρόπηση της ροής, της επιφάνειας της μεμβράνης και των διαστημάτων αντίστροφης πλύσης/χημικού καθαρισμού είναι το κλειδί για την ελαχιστοποίηση της ρύπανσης.
-
-
Ιδιότητες μεμβράνης και δομή μονάδας μεμβράνης
-
Μέγεθος πόρων:Οι μεμβράνες μικρότερων πόρων τείνουν να συγκρατούν περισσότερους ρύπους, δημιουργώντας πυκνότερα στρώματα ρύπανσης, τα οποία είναι πιο δύσκολο να αφαιρεθούν. Οι μεμβράνες μεγαλύτερων πόρων μπορεί να έχουν υψηλότερο αρχικό μπλοκάρισμα, αλλά σχηματίζουν δυναμικές μεμβράνες που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση διήθησης με την πάροδο του χρόνου.
-
Υλικό μεμβράνης:Οι υδρόφοβες μεμβράνες, όπως το PVDF, τείνουν να είναι πιο επιρρεπείς στη ρύπανση. Οι κεραμικές μεμβράνες, από την άλλη πλευρά, είναι πιο ανθεκτικές στη ρύπανση και έχουν πλεονεκτήματα όσον αφορά τη χημική σταθερότητα και την αντοχή.
-
Τραχύτητα επιφάνειας:Η τραχύτητα της επιφάνειας της μεμβράνης αυξάνει την ικανότητά της να προσροφά ρύπους, αλλά εισάγει επίσης κάποια ευκαμψία, μειώνοντας την πιθανότητα να κολλήσουν μόνιμα οι ρύποι.
-
Υδροφοβικότητα έναντι υδροφιλικότητας:Οι μεμβράνες που κατασκευάζονται από υδρόφιλα υλικά έχουν γενικά καλύτερη αντοχή στη ρύπανση.
-
Μέτρα ελέγχου για τη ρύπανση της μεμβράνης
Η ρύπανση επηρεάζεται κυρίως από τις εγγενείς ιδιότητες της μεμβράνης, τα χαρακτηριστικά του μικτού υγρού και τις συνθήκες λειτουργίας. Επομένως, ο έλεγχος της ρύπανσης θα πρέπει να επικεντρωθεί σε αυτές τις τρεις πτυχές:
-
Ιδιότητες μεμβράνης:Επιλέξτε μεμβράνες με καλύτερη υδροφιλικότητα, τραχύτητα επιφάνειας και κατάλληλο μέγεθος πόρων για να ενισχύσετε την αντοχή στη ρύπανση. Οι κεραμικές μεμβράνες είναι συχνά μια καλή επιλογή για την αντοχή και τη χημική τους σταθερότητα.
-
Ιδιότητες μικτού υγρού:Ελέγξτε τη συγκέντρωση MLSS και το ιξώδες, καθώς και τη σύνθεση των οργανικών και ανόργανων υλικών, για να μειώσετε τη ρύπανση. Τα στάδια προεπεξεργασίας όπως η διήθηση μπορούν να αφαιρέσουν μεγαλύτερα σωματίδια και να αποτρέψουν το φράξιμο.
-
Περιβάλλον λειτουργίας συστήματος:Χρησιμοποιήστε κατάλληλες ροές για να παραμείνετε εντός υπο-κρίσιμων τιμών για