Почему мембраны MBR подвержены образованию отложений и как с этим бороться

Почему мембраны MBR легко подвергаются масштабированию, требуя очистки каждые пару месяцев, даже когда онлайн-обратная промывка неэффективна?

Технология MBR (мембранный биореактор) широко и успешно применяется в очистке сточных вод. Заменяя вторичный отстойник, MBR обеспечивает высокое качество сточных вод и высокую концентрацию осадка, уменьшая множество эксплуатационных проблем для персонала очистных сооружений. Однако загрязнение мембран всегда было проблемой для разработки и эксплуатации систем MBR. Итак, как операторы MBR могут быстро выявить причины загрязнения мембран и эффективно устранить их, чтобы уменьшить частоту очистки?

Определение загрязнения мембран

Загрязнение мембран обычно относится к процессу, при котором вещества в смешанной жидкости накапливаются и адсорбируются на поверхности мембраны (снаружи) и внутри пор мембраны (внутри). Это приводит к закупорке пор, снижает пористость, вызывает снижение потока через мембрану и увеличивает давление фильтрации.

В операциях мембранной фильтрации молекулы воды и мелкие частицы непрерывно проходят через мембрану, в то время как некоторые вещества задерживаются мембраной, блокируя поры или откладываясь на поверхности мембраны, что приводит к загрязнению. По сути, загрязнение мембраны происходит в результате мембранной фильтрации. Прямым проявлением загрязнения мембраны является снижение потока через мембрану или увеличение рабочего давления.

Вещества в смешанной жидкости активного ила, такие как питательные вещества, микробные хлопья, микробные клетки, фрагменты клеток, продукты метаболизма (EPS, SMP) и различные органические и неорганические растворенные вещества, все способствуют загрязнению мембраны.

Стадии загрязнения мембран

Загрязнение мембран обычно развивается в три стадии (некоторые классификации относят к двум стадиям):

1. Первоначальное загрязнение:Это происходит на ранних стадиях работы мембранной системы. Поверхности мембран сильно взаимодействуют с коллоидами, органическими веществами и т. д. в смешанной жидкости, вызывая загрязнение посредством адгезии, эффектов заряда, закупорки пор и т. д. В условиях перекрестной фильтрации небольшие биологические хлопья или внеклеточные полимеры все еще прилипают к поверхности мембраны, в то время как вещества, меньшие по размеру, чем размер пор мембраны, могут адсорбироваться в порах. Посредством концентрации, кристаллизации и роста происходит загрязнение.

2. Медленное загрязнение:Первоначально поверхность мембраны гладкая, и крупные частицы нелегко прилипают. Основными материалами загрязнения являются EPS, SMP и биологические коллоиды, которые адсорбируются на поверхности мембраны и образуют гелеобразный слой. Это медленно увеличивает сопротивление фильтрации, усиливая способность мембраны удерживать загрязнители в смешанной жидкости. Загрязнение гелевым слоем неизбежно, вызывая постепенное повышение сопротивления мембраны. При работе с постоянным потоком это проявляется как медленное увеличение TMP (трансмембранного давления), в то время как в режиме постоянного давления это приводит к медленному снижению потока.

3. Быстрое загрязнение:Гелевый слой, образовавшийся на второй стадии, становится более компактным под постоянным давлением фильтрации и потоком проницаемости, в результате чего загрязнение переходит от постепенного к резкому. Большое количество хлопьев быстро накапливается на поверхности мембраны, образуя осадочный осадок, и трансмембранное давление быстро увеличивается.

Загрязнение гелевым слоем неизбежно и вызывает постепенное увеличение сопротивления мембраны. При работе с постоянным потоком это проявляется как постепенное повышение TMP, в то время как в режиме постоянного давления это проявляется как медленное снижение потока. Как только большое количество хлопьев осадка откладывается на поверхности мембраны, образуя осадочный осадок, система больше не может работать нормально.

Основное внимание при эксплуатации и техническом обслуживании MBR уделяется задержке загрязнения гелевым слоем (путем поддержания хороших гидравлических условий, очистки на месте, контроля скорости развития загрязнения мембраны и продления фазы медленного загрязнения) и контролю загрязнения осадочным осадком (быстрое загрязнение).

Типы загрязнения мембран

1. На основе состава загрязняющих материалов

   • Органическое загрязнение:Это в основном происходит от макромолекулярных органических веществ (таких как полисахариды, белки), гуминовых кислот, микробных хлопьев и фрагментов клеток в смешанной жидкости. В то время как растворимые микробные продукты (SMP) и внеклеточные полимерные вещества (EPS) составляют небольшую часть MLSS (взвешенные твердые вещества в смешанной жидкости), они вносят значительный вклад в загрязнение мембраны (26%-52%). Рост и адсорбция микроорганизмов внутри пор мембраны и на поверхности мембраны также играют важную роль в загрязнении.

   • Неорганическое загрязнение:Это происходит в результате солей металлов и неорганических ионов, которые образуют мостики, такие как кальций, магний, железо и кремнезем, что приводит к образованию накипи, особенно карбоната кальция, сульфата кальция и гидроксида магния.

2. На основе природы загрязнения

   • Обратимое загрязнение (временное загрязнение):Этот тип загрязнения можно удалить с помощью определенных гидравлических мер, таких как обратная промывка чистой водой или аэрация.

   • Необратимое загрязнение (постоянное загрязнение):Это загрязнение нельзя удалить с помощью методов гидравлической очистки и требует очистки химическими веществами, такими как окислители, кислоты, основания или восстановители.

   И обратимое, и необратимое загрязнение можно очистить, но необратимое загрязнение влечет за собой необратимое повреждение производительности мембраны.

3. На основе местоположения загрязнения

   • Внутреннее загрязнение:Это происходит, когда материалы в смешанной жидкости накапливаются, кристаллизуются и агрегируются внутри пор мембраны.

   • Внешнее загрязнение:Это происходит, когда материалы агрегируются и откладываются на поверхности мембраны.

Факторы, влияющие на загрязнение мембран

1. Свойства смешанной жидкости

   Источником загрязняющих веществ в системах MBR является смешанная жидкость активного ила, которая имеет сложные свойства, влияющие на загрязнение:

   • EPS и SMP:EPS и SMP являются побочными продуктами микробного метаболизма, которые играют решающую и сложную роль в загрязнении. Чрезмерное количество EPS увеличивает вязкость смешанной жидкости, затрудняя диффузию кислорода и влияя на активность микробных хлопьев, что приводит к увеличению сопротивления фильтрации. Если уровни EPS слишком низкие, хлопья разрушаются, что негативно сказывается на работе MBR.

   • Концентрация MLSS:Концентрация MLSS напрямую влияет на вязкость смешанной жидкости. По мере увеличения MLSS вязкость увеличивается экспоненциально, что снижает эффективность фильтрации. Если скорость поперечного потока или интенсивность аэрации недостаточны для смывания твердых частиц, прилипших к поверхности мембраны, произойдет загрязнение.

   • Вязкость:На вязкость смешанной жидкости влияет MLSS и оказывает прямое влияние на размер пузырьков и гибкость мембраны, а также на эффективность переноса кислорода. Более высокая вязкость приводит к большей тенденции к загрязнению.

   • Гидрофобность осадка:Исследования показывают, что гидрофобность осадка играет значительную роль в загрязнении мембраны. Высокая гидрофобность может вызывать сильное загрязнение, особенно когда избыток нитевидных бактерий приводит к неправильной форме хлопьев.

   • Размер частиц осадка:Более мелкие частицы, около 2 микрон, с большей вероятностью отложатся на поверхности мембраны, образуя плотные слои и увеличивая сопротивление фильтрации.

   • Скорость осаждения осадка (SVI):Хотя SVI напрямую не влияет на загрязнение, он может указывать на характеристики осаждения органических материалов в смешанной жидкости. Коллоиды и растворенная органика являются основными факторами, способствующими загрязнению.

2. Условия эксплуатации MBR

   • Время удержания осадка (SRT):Увеличение SRT может уменьшить образование SMP и EPS, тем самым уменьшая загрязнение. Однако чрезмерно длительное SRT может привести к более высоким концентрациям осадка, увеличивая вязкость и ухудшая загрязнение.

   • Время гидравлического удержания (HRT):Хотя HRT напрямую не влияет на загрязнение, более короткое HRT обеспечивает больше питательных веществ для микроорганизмов, что приводит к более быстрому росту микробов, что может увеличить потенциал загрязнения.

   • Температура и pH:Низкие температуры вызывают обратимое загрязнение, в то время как высокие температуры ускоряют необратимое загрязнение. MBR обычно работает в диапазоне pH 6-9; экстремальные значения pH могут ингибировать нитрифицирующие бактерии, вызывая увеличение загрязнения.

   • Растворенный кислород (DO):Низкие уровни DO увеличивают гидрофобность микробных клеток, вызывая разрушение хлопьев осадка. Когда уровни DO падают ниже 1 мг/л, уровни SMP резко возрастают, усугубляя загрязнение.

   • Поток через мембрану:Увеличение потока повышает потенциал загрязнения во всех мембранных процессах. Балансировка потока, площади мембраны и интервалов обратной промывки/химической очистки является ключом к минимизации загрязнения.

3. Свойства мембраны и структура мембранного модуля

   • Размер пор:Мембраны с меньшими порами имеют тенденцию задерживать больше загрязняющих веществ, создавая более плотные слои загрязнения, которые труднее удалить. Мембраны с большими порами могут иметь более высокую начальную блокировку, но образуют динамические мембраны, которые могут улучшить эффективность фильтрации с течением времени.

   • Материал мембраны:Гидрофобные мембраны, такие как PVDF, имеют тенденцию к большему загрязнению. Керамические мембраны, с другой стороны, более устойчивы к загрязнению и имеют преимущества с точки зрения химической стабильности и прочности.

   • Шероховатость поверхности:Шероховатость поверхности мембраны увеличивает ее способность адсорбировать загрязняющие вещества, но также вносит некоторую гибкость, снижая вероятность постоянного прилипания загрязняющих веществ.

   • Гидрофобность против гидрофильности:Мембраны, изготовленные из гидрофильных материалов, обычно имеют лучшую устойчивость к загрязнению.

Меры контроля загрязнения мембран

На загрязнение в первую очередь влияют присущие свойства мембраны, характеристики смешанной жидкости и условия эксплуатации. Поэтому контроль загрязнения должен быть сосредоточен на этих трех аспектах:

1. Свойства мембраны:Выбирайте мембраны с лучшей гидрофильностью, шероховатостью поверхности и подходящим размером пор для повышения устойчивости к загрязнению. Керамические мембраны часто являются хорошим выбором из-за их прочности и химической стабильности.

2. Свойства смешанной жидкости:Контролируйте концентрацию MLSS и вязкость, а также состав органических и неорганических материалов, чтобы уменьшить загрязнение. Этапы предварительной обработки, такие как фильтрация, могут удалять более крупные частицы и предотвращать засорение.

3. Рабочая среда системы:Используйте соответствующие потоки, чтобы оставаться в субкритических значениях, чтобы