Dlaczego błony MBR mają skłonność do skalowania się i jak z tym sobie poradzić

Dlaczego membrany MBR łatwo ulegają zanieczyszczeniom, wymagając czyszczenia co kilka miesięcy, nawet gdy płukanie wsteczne online jest nieskuteczne?

Technologia MBR (Membrane Bioreactor) jest szeroko i z powodzeniem stosowana w oczyszczaniu ścieków. Zastępując wtórny osadnik, MBR zapewnia wysoką jakość ścieków i wysokie stężenie osadu, zmniejszając wiele problemów operacyjnych dla personelu oczyszczalni ścieków. Jednak zanieczyszczenie membran zawsze stanowiło wyzwanie dla rozwoju i eksploatacji systemów MBR. Jak więc operatorzy MBR mogą szybko zidentyfikować przyczyny zanieczyszczenia membran i skutecznie je rozwiązać, aby zmniejszyć częstotliwość czyszczenia?

Definicja zanieczyszczenia membran

Zanieczyszczenie membran odnosi się zazwyczaj do procesu, w którym substancje w mieszaninie osadu czynnego gromadzą się i adsorbują na powierzchni membrany (na zewnątrz) i wewnątrz porów membrany (wewnątrz). Prowadzi to do blokowania porów, zmniejsza porowatość, powoduje spadek strumienia membranowego i zwiększa ciśnienie filtracji.

W procesach filtracji membranowej cząsteczki wody i małe cząstki stale przechodzą przez membranę, podczas gdy niektóre substancje są zatrzymywane przez membranę, blokując pory lub osadzając się na powierzchni membrany, co prowadzi do zanieczyszczenia. Zasadniczo zanieczyszczenie membran występuje w wyniku filtracji membranowej. Bezpośrednim przejawem zanieczyszczenia membran jest spadek strumienia membranowego lub wzrost ciśnienia roboczego.

Substancje w mieszaninie osadu czynnego, takie jak składniki odżywcze, kłaczki mikrobiologiczne, komórki mikrobiologiczne, fragmenty komórek, produkty uboczne metabolizmu (EPS, SMP) oraz różne organiczne i nieorganiczne substancje rozpuszczone, wszystkie przyczyniają się do zanieczyszczenia membran.

Etapy zanieczyszczenia membran

Zanieczyszczenie membran rozwija się zazwyczaj w trzech etapach (niektóre klasyfikacje odnoszą się do dwóch etapów):

1. Początkowe zanieczyszczenie:Występuje to we wczesnych stadiach eksploatacji systemu membranowego. Powierzchnie membran silnie oddziałują z koloidami, materią organiczną itp. w mieszaninie osadu czynnego, powodując zanieczyszczenie poprzez adhezję, efekty ładunkowe, blokowanie porów itp. W warunkach filtracji krzyżowej małe kłaczki biologiczne lub polimery zewnątrzkomórkowe nadal przylegają do powierzchni membrany, podczas gdy substancje mniejsze niż rozmiar porów membrany mogą adsorbować się w porach. Poprzez koncentrację, krystalizację i wzrost następuje zanieczyszczenie.

2. Powolne zanieczyszczenie:Początkowo powierzchnia membrany jest gładka, a duże cząstki nie przylegają łatwo. Głównymi materiałami zanieczyszczającymi są EPS, SMP i koloidy biologiczne, które adsorbują się na powierzchni membrany i tworzą warstwę żelową. Zwiększa to powoli opór filtracji, zwiększając zdolność membrany do zatrzymywania zanieczyszczeń w mieszaninie osadu czynnego. Zanieczyszczenie warstwą żelową jest nieuniknione, powodując stopniowy wzrost oporu membrany. W pracy ze stałym przepływem objawia się to jako powolny wzrost TMP (ciśnienia transmembranowego), natomiast w trybie stałego ciśnienia skutkuje powolnym spadkiem strumienia.

3. Szybkie zanieczyszczenie:Warstwa żelowa utworzona w drugim etapie staje się bardziej zwarta pod wpływem ciągłego ciśnienia filtracji i przepływu permeatu, powodując przejście zanieczyszczenia z stopniowego do drastycznego. Duże ilości kłaczków szybko gromadzą się na powierzchni membrany, tworząc ciasto osadowe, a ciśnienie transmembranowe gwałtownie wzrasta.

Zanieczyszczenie warstwą żelową jest nieuniknione i powoduje stopniowy wzrost oporu membrany. W pracy ze stałym przepływem objawia się to jako stopniowy wzrost TMP, natomiast w trybie stałego ciśnienia manifestuje się jako powolny spadek strumienia. Gdy duże ilości kłaczków osadu osadzają się na powierzchni membrany, tworząc ciasto osadowe, system nie może już normalnie funkcjonować.

Głównym celem podczas eksploatacji i konserwacji MBR jest opóźnienie zanieczyszczenia warstwą żelową (poprzez utrzymanie dobrych warunków hydraulicznych, czyszczenie in-situ, kontrolę tempa rozwoju zanieczyszczenia membran i wydłużenie fazy powolnego zanieczyszczenia) oraz kontrola zanieczyszczenia ciastem osadowym (szybkie zanieczyszczenie).

Rodzaje zanieczyszczenia membran

1. Na podstawie składu materiałów zanieczyszczających

   • Zanieczyszczenie organiczne:Pochodzi ono głównie z wielkocząsteczkowych substancji organicznych (takich jak polisacharydy, białka), kwasów humusowych, kłaczków mikrobiologicznych i fragmentów komórek w mieszaninie osadu czynnego. Chociaż rozpuszczalne produkty mikrobiologiczne (SMP) i substancje polimerowe zewnątrzkomórkowe (EPS) stanowią niewielką część MLSS (zawiesiny w mieszaninie osadu czynnego), w znacznym stopniu przyczyniają się do zanieczyszczenia membran (26%-52%). Wzrost i adsorpcja mikroorganizmów wewnątrz porów membrany i na powierzchni membrany również odgrywają znaczącą rolę w zanieczyszczeniu.

   • Zanieczyszczenie nieorganiczne:Wynika to z soli metali i jonów nieorganicznych, które tworzą mostki, takie jak wapń, magnez, żelazo i krzemionka, powodując osadzanie się kamienia, w szczególności węglanu wapnia, siarczanu wapnia i wodorotlenku magnezu.

2. Na podstawie charakteru zanieczyszczenia

   • Zanieczyszczenie odwracalne (tymczasowe zanieczyszczenie):Ten rodzaj zanieczyszczenia można usunąć za pomocą pewnych środków hydraulicznych, takich jak płukanie wsteczne czystą wodą lub napowietrzanie.

   • Zanieczyszczenie nieodwracalne (trwałe zanieczyszczenie):To zanieczyszczenie nie może być usunięte za pomocą metod czyszczenia hydraulicznego i wymaga czyszczenia środkami chemicznymi, takimi jak utleniacze, kwasy, zasady lub środki redukujące.

   Zarówno zanieczyszczenia odwracalne, jak i nieodwracalne można czyścić, ale zanieczyszczenia nieodwracalne wiążą się z trwałym uszkodzeniem wydajności membrany.

3. Na podstawie lokalizacji zanieczyszczenia

   • Zanieczyszczenie wewnętrzne:Występuje, gdy materiały w mieszaninie osadu czynnego gromadzą się, krystalizują i agregują wewnątrz porów membrany.

   • Zanieczyszczenie zewnętrzne:Występuje, gdy materiały agregują i osadzają się na powierzchni membrany.

Czynniki wpływające na zanieczyszczenie membran

1. Właściwości mieszaniny osadu czynnego

   Źródłem substancji zanieczyszczających w systemach MBR jest mieszanina osadu czynnego, która ma złożone właściwości wpływające na zanieczyszczenie:

   • EPS i SMP:EPS i SMP to produkty uboczne metabolizmu mikrobiologicznego, które odgrywają krytyczną i złożoną rolę w zanieczyszczeniu. Nadmiar EPS zwiększa lepkość mieszaniny osadu czynnego, utrudniając dyfuzję tlenu i wpływając na aktywność kłaczków mikrobiologicznych, co prowadzi do zwiększenia oporu filtracji. Jeśli poziom EPS jest zbyt niski, kłaczki rozpadają się, negatywnie wpływając na działanie MBR.

   • Stężenie MLSS:Stężenie MLSS bezpośrednio wpływa na lepkość mieszaniny osadu czynnego. Wraz ze wzrostem MLSS lepkość rośnie wykładniczo, co zmniejsza wydajność filtracji. Jeśli prędkość przepływu krzyżowego lub intensywność napowietrzania są niewystarczające do zmywania ciał stałych przylegających do powierzchni membrany, nastąpi zanieczyszczenie.

   • Lepkość:Lepkość mieszaniny osadu czynnego jest zależna od MLSS i ma bezpośredni wpływ na wielkość pęcherzyków i elastyczność membrany, a także na wydajność przenoszenia tlenu. Wyższa lepkość skutkuje większą tendencją do zanieczyszczeń.

   • Hydrofobowość osadu:Badania sugerują, że hydrofobowość osadu odgrywa znaczącą rolę w zanieczyszczeniu membran. Wysoka hydrofobowość może powodować poważne zanieczyszczenia, szczególnie gdy nadmiar bakterii nitkowatych prowadzi do nieregularnych kształtów kłaczków.

   • Rozmiar cząstek osadu:Mniejsze cząstki, około 2 mikronów, są bardziej podatne na osadzanie się na powierzchni membrany, tworząc gęste warstwy i zwiększając opór filtracji.

   • Prędkość sedymentacji osadu (SVI):Chociaż SVI nie wpływa bezpośrednio na zanieczyszczenie, może wskazywać na charakterystykę sedymentacji materiałów organicznych w mieszaninie osadu czynnego. Koloidy i rozpuszczone związki organiczne są głównymi czynnikami przyczyniającymi się do zanieczyszczenia.

2. Warunki eksploatacji MBR

   • Czas retencji osadu (SRT):Zwiększenie SRT może zmniejszyć produkcję SMP i EPS, a tym samym zmniejszyć zanieczyszczenie. Jednak zbyt długi SRT może prowadzić do wyższych stężeń osadu, zwiększając lepkość i pogarszając zanieczyszczenie.

   • Czas retencji hydraulicznej (HRT):Chociaż HRT nie wpływa bezpośrednio na zanieczyszczenie, krótszy HRT dostarcza więcej składników odżywczych mikroorganizmom, prowadząc do szybszego wzrostu mikrobiologicznego, co może zwiększyć potencjał zanieczyszczenia.

   • Temperatura i pH:Niskie temperatury powodują odwracalne zanieczyszczenia, podczas gdy wysokie temperatury przyspieszają nieodwracalne zanieczyszczenia. MBR zwykle działa w zakresie pH 6-9; ekstremalne wartości pH mogą hamować bakterie nitryfikacyjne, powodując wzrost zanieczyszczenia.

   • Rozpuszczony tlen (DO):Niskie poziomy DO zwiększają hydrofobowość komórek mikrobiologicznych, powodując rozpad kłaczków osadu. Gdy poziom DO spada poniżej 1 mg/L, poziom SMP gwałtownie rośnie, pogarszając zanieczyszczenie.

   • Strumień membranowy:Zwiększony strumień zwiększa potencjał zanieczyszczenia we wszystkich procesach membranowych. Kluczem do minimalizacji zanieczyszczenia jest zrównoważenie strumienia, powierzchni membrany i interwałów płukania wstecznego/czyszczenia chemicznego.

3. Właściwości membrany i struktura modułu membranowego

   • Rozmiar porów:Membrany o mniejszych porach mają tendencję do zatrzymywania większej ilości zanieczyszczeń, tworząc gęstsze warstwy zanieczyszczeń, które trudniej usunąć. Membrany o większych porach mogą mieć początkowo większe blokowanie, ale tworzą membrany dynamiczne, które mogą poprawić wydajność filtracji w czasie.

   • Materiał membrany:Membrany hydrofobowe, takie jak PVDF, mają tendencję do większej podatności na zanieczyszczenia. Z drugiej strony membrany ceramiczne są bardziej odporne na zanieczyszczenia i mają zalety pod względem stabilności chemicznej i wytrzymałości.

   • Chropowatość powierzchni:Chropowatość powierzchni membrany zwiększa jej zdolność do adsorpcji zanieczyszczeń, ale także wprowadza pewną elastyczność, zmniejszając prawdopodobieństwo trwałego przylegania zanieczyszczeń.

   • Hydrofobowość vs. hydrofilowość:Membrany wykonane z materiałów hydrofilowych mają na ogół lepszą odporność na zanieczyszczenia.

Środki kontroli zanieczyszczenia membran

Zanieczyszczenie jest przede wszystkim zależne od inherentnych właściwości membrany, charakterystyki mieszaniny osadu czynnego i warunków eksploatacji. Dlatego kontrola zanieczyszczenia powinna koncentrować się na tych trzech aspektach:

1. Właściwości membrany:Wybierz membrany o lepszej hydrofilowości, chropowatości powierzchni i odpowiednim rozmiarze porów, aby zwiększyć odporność na zanieczyszczenia. Membrany ceramiczne są często dobrym wyborem ze względu na ich wytrzymałość i stabilność chemiczną.

2. Właściwości mieszaniny osadu czynnego:Kontroluj stężenie MLSS i lepkość, a także skład materiałów organicznych i nieorganicznych, aby zmniejszyć zanieczyszczenie. Kroki wstępnego przetwarzania, takie jak filtracja, mogą usunąć większe cząstki i zapobiec zatykaniu.

3. Środowisko pracy systemu:Używaj odpowiednich strumieni, aby pozostać w wartościach subkrytycznych, aby