Por que as membranas MBR são facilmente sujeitas a incrustação, exigindo limpeza a cada poucos meses, mesmo quando a retrolavagem online é ineficaz?
A tecnologia MBR (Membrane Bioreactor) tem sido amplamente e com sucesso aplicada no tratamento de águas residuais. Ao substituir o tanque de sedimentação secundária, o MBR garante alta qualidade do efluente e alta concentração de lodo, reduzindo muitas dores de cabeça operacionais para o pessoal de tratamento de águas residuais. No entanto, a incrustação da membrana sempre foi um desafio para o desenvolvimento e operação de sistemas MBR. Então, como os operadores de MBR podem identificar rapidamente as causas da incrustação da membrana e abordá-las de forma eficaz para reduzir a frequência de limpeza?
Definição de Incrustação da Membrana
A incrustação da membrana geralmente se refere ao processo em que substâncias no licor misto se acumulam e adsorvem na superfície da membrana (externa) e dentro dos poros da membrana (interna). Isso leva ao bloqueio dos poros, reduz a porosidade, causa a diminuição do fluxo da membrana e aumenta a pressão de filtração.
Em operações de filtração por membrana, moléculas de água e pequenas partículas passam continuamente pela membrana, enquanto algumas substâncias são retidas pela membrana, bloqueando os poros ou depositando-se na superfície da membrana, levando à incrustação. Essencialmente, a incrustação da membrana ocorre como resultado da filtração por membrana. A manifestação direta da incrustação da membrana é a diminuição do fluxo da membrana ou um aumento na pressão operacional.
As substâncias no licor misto de lodo ativado, como nutrientes, flocos microbianos, células microbianas, fragmentos de células, subprodutos metabólicos (EPS, SMP) e várias substâncias orgânicas e inorgânicas dissolvidas, contribuem para a incrustação da membrana.
Estágios de Incrustação da Membrana
A incrustação da membrana geralmente se desenvolve em três estágios (algumas classificações se referem a dois estágios):
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Incrustação Inicial: Isso ocorre nos estágios iniciais da operação do sistema de membrana. As superfícies da membrana interagem fortemente com colóides, matéria orgânica, etc., no licor misto, causando incrustação por meio de adesão, efeitos de carga, bloqueio de poros, etc. Em condições de filtração de fluxo cruzado, pequenos flocos biológicos ou polímeros extracelulares ainda aderem à superfície da membrana, enquanto substâncias menores que o tamanho dos poros da membrana podem adsorver nos poros. Por meio da concentração, cristalização e crescimento, ocorre a incrustação.
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Incrustação Lenta: Inicialmente, a superfície da membrana é lisa e partículas grandes não aderem facilmente. Os principais materiais de incrustação são EPS, SMP e colóides biológicos, que adsorvem na superfície da membrana e formam uma camada semelhante a um gel. Isso aumenta a resistência à filtração lentamente, aumentando a capacidade da membrana de reter poluentes no licor misto. A incrustação da camada de gel é inevitável, causando um aumento gradual na resistência da membrana. Na operação de fluxo constante, isso aparece como um aumento lento na TMP (pressão transmembrana), enquanto no modo de pressão constante, resulta em uma diminuição lenta no fluxo.
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Incrustação Rápida: A camada de gel formada no segundo estágio torna-se mais compacta sob pressão de filtração contínua e fluxo de permeação, fazendo com que a incrustação passe de gradual para drástica. Grandes quantidades de flocos se acumulam rapidamente na superfície da membrana, formando um bolo de lodo, e a pressão transmembrana aumenta rapidamente.
A incrustação da camada de gel é inevitável e causa um aumento gradual na resistência da membrana. Na operação de fluxo constante, isso é evidente como um aumento gradual na TMP, enquanto no modo de pressão constante, manifesta-se como uma diminuição lenta no fluxo. Uma vez que grandes quantidades de flocos de lodo se depositam na superfície da membrana, formando um bolo de lodo, o sistema não pode mais operar normalmente.
O foco principal durante a operação e manutenção do MBR é retardar a incrustação da camada de gel (mantendo boas condições hidráulicas, limpeza in situ, controlando a taxa de desenvolvimento da incrustação da membrana e estendendo a fase de incrustação lenta) e controlar a incrustação do bolo de lodo (incrustação rápida).
Tipos de Incrustação da Membrana
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Com base na Composição dos Materiais de Incrustação
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Incrustação Orgânica: Isso vem principalmente de substâncias orgânicas macromoleculares (como polissacarídeos, proteínas), ácidos húmicos, flocos microbianos e fragmentos de células no licor misto. Embora os produtos microbianos solúveis (SMP) e as substâncias poliméricas extracelulares (EPS) representem uma pequena porção de MLSS (sólidos suspensos no licor misto), eles contribuem significativamente para a incrustação da membrana (26% -52%). O crescimento e a adsorção de microrganismos dentro dos poros da membrana e na superfície da membrana também desempenham um papel significativo na incrustação.
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Incrustação Inorgânica: Isso resulta de sais metálicos e íons inorgânicos que formam pontes, como cálcio, magnésio, ferro e sílica, resultando em incrustação, particularmente carbonato de cálcio, sulfato de cálcio e hidróxido de magnésio.
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Com base na Natureza da Incrustação
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Incrustação Reversível (Incrustação Temporária): Este tipo de incrustação pode ser removido por meio de certas medidas hidráulicas, como retrolavagem com água limpa ou aeração.
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Incrustação Irreversível (Incrustação Permanente): Esta incrustação não pode ser removida usando métodos de limpeza hidráulica e requer limpeza com produtos químicos como oxidantes, ácidos, bases ou agentes redutores.
Tanto a incrustação reversível quanto a irreversível podem ser limpas, mas a incrustação irreversível envolve danos permanentes ao desempenho da membrana.
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Com base na Localização da Incrustação
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Incrustação Interna: Isso ocorre quando os materiais no licor misto se acumulam, cristalizam e agregam dentro dos poros da membrana.
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Incrustação Externa: Isso acontece quando os materiais se agregam e se depositam na superfície da membrana.
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Fatores que Afetam a Incrustação da Membrana
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Propriedades do Licor Misto
A fonte de substâncias de incrustação em sistemas MBR é o licor misto de lodo ativado, que possui propriedades complexas que afetam a incrustação:
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EPS e SMP: EPS e SMP são subprodutos metabólicos microbianos que desempenham um papel crítico e complexo na incrustação. O excesso de EPS aumenta a viscosidade do licor misto, dificultando a difusão do oxigênio e afetando a atividade dos flocos microbianos, o que leva ao aumento da resistência à filtração. Se os níveis de EPS forem muito baixos, os flocos se decompõem, impactando negativamente a operação do MBR.
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Concentração de MLSS: A concentração de MLSS impacta diretamente a viscosidade do licor misto. À medida que o MLSS aumenta, a viscosidade aumenta exponencialmente, o que reduz a eficiência da filtração. Se a velocidade de fluxo cruzado ou a intensidade de aeração forem insuficientes para lavar os sólidos aderidos à superfície da membrana, ocorrerá incrustação.
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Viscosidade: A viscosidade do licor misto é influenciada pelo MLSS e tem um efeito direto no tamanho das bolhas e na flexibilidade da membrana, bem como na eficiência da transferência de oxigênio. Uma viscosidade mais alta resulta em uma maior tendência à incrustação.
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Hidrofobicidade do Lodo: Estudos sugerem que a hidrofobicidade do lodo desempenha um papel significativo na incrustação da membrana. Alta hidrofobicidade pode causar incrustação severa, particularmente quando o excesso de bactérias filamentosas leva a formas irregulares de flocos.
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Tamanho das Partículas do Lodo: Partículas menores, em torno de 2 mícrons, são mais propensas a se depositar na superfície da membrana, formando camadas densas e aumentando a resistência à filtração.
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Velocidade de Sedimentação do Lodo (SVI): Embora o SVI não afete diretamente a incrustação, ele pode indicar as características de sedimentação dos materiais orgânicos no licor misto. Colóides e orgânicos dissolvidos são os principais contribuintes para a incrustação.
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Condições Operacionais do MBR
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Tempo de Retenção do Lodo (SRT): Aumentar o SRT pode reduzir a produção de SMP e EPS, reduzindo assim a incrustação. No entanto, SRTs excessivamente longos podem levar a concentrações de lodo mais altas, aumentando a viscosidade e piorando a incrustação.
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Tempo de Retenção Hidráulica (HRT): Embora o HRT não afete diretamente a incrustação, um HRT mais curto fornece mais nutrientes aos microrganismos, levando a um crescimento microbiano mais rápido, o que pode aumentar o potencial de incrustação.
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Temperatura e pH: Baixas temperaturas causam incrustação reversível, enquanto altas temperaturas aceleram a incrustação irreversível. O MBR normalmente opera em uma faixa de pH de 6-9; valores extremos de pH podem inibir as bactérias nitrificantes, fazendo com que a incrustação aumente.
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Oxigênio Dissolvido (OD): Baixos níveis de OD aumentam a hidrofobicidade das células microbianas, causando a quebra dos flocos de lodo. Quando os níveis de OD caem abaixo de 1 mg/L, os níveis de SMP aumentam acentuadamente, exacerbando a incrustação.
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Fluxo da Membrana: O aumento do fluxo aumenta o potencial de incrustação em todos os processos de membrana. Equilibrar o fluxo, a área da membrana e os intervalos de retrolavagem/limpeza química é fundamental para minimizar a incrustação.
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Propriedades da Membrana e Estrutura do Módulo da Membrana
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Tamanho dos Poros: Membranas com poros menores tendem a reter mais contaminantes, criando camadas de incrustação mais densas, que são mais difíceis de remover. Membranas com poros maiores podem ter bloqueio inicial maior, mas formam membranas dinâmicas que podem melhorar o desempenho da filtração ao longo do tempo.
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Material da Membrana: Membranas hidrofóbicas, como PVDF, tendem a ser mais propensas à incrustação. As membranas cerâmicas, por outro lado, são mais resistentes à incrustação e têm vantagens em termos de estabilidade química e resistência.
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Rugosidade da Superfície: A rugosidade da superfície da membrana aumenta sua capacidade de adsorver contaminantes, mas também introduz alguma flexibilidade, reduzindo a probabilidade de os contaminantes grudarem permanentemente.
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Hidrofobicidade vs. Hidrofilicidade: Membranas feitas de materiais hidrofílicos geralmente têm uma melhor resistência à incrustação.
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Medidas de Controle para Incrustação da Membrana
A incrustação é influenciada principalmente pelas propriedades inerentes da membrana, pelas características do licor misto e pelas condições operacionais. Portanto, o controle da incrustação deve se concentrar nesses três aspectos:
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Propriedades da Membrana: Escolha membranas com melhor hidrofilicidade, rugosidade superficial e tamanho de poro adequado para aumentar a resistência à incrustação. As membranas cerâmicas são frequentemente uma boa escolha por sua resistência e estabilidade química.
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Propriedades do Licor Misto: Controle a concentração de MLSS e a viscosidade, bem como a composição de materiais orgânicos e inorgânicos, para reduzir a incrustação. Etapas de pré-tratamento, como filtração, podem remover partículas maiores e evitar o entupimento.
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Ambiente Operacional do Sistema: Use fluxos apropriados para permanecer dentro dos valores subcríticos para