MBR Membranları Neden Ölçeklenmeye Yatkındır ve Bununla Nasıl Başa Çıkılır

MBR membranları neden kolayca ölçeklenir, çevrimiçi geri yıkama etkisiz olsa bile, her iki ayda bir temizlik gerektirir?

MBR (membran biyoreaktör) teknolojisi, atık su arıtımında geniş ve başarılı bir şekilde uygulanmıştır. İkincil sedimantasyon tankını değiştirerek MBR, atık su arıtma personeli için birçok operasyonel baş ağrısını azaltarak yüksek atık su kalitesi ve yüksek çamur konsantrasyonu sağlar. Bununla birlikte, membran kirlenmesi her zaman MBR sistemlerinin geliştirilmesi ve işletilmesi için bir zorluk olmuştur. Peki, MBR operatörleri membran kirlenmesinin nedenlerini nasıl hızlı bir şekilde tanımlayabilir ve temizleme frekansını azaltmak için bunları etkili bir şekilde ele alabilirler?

Membran Kirlenmesinin Tanımı

Membran kirlenmesi tipik olarak karışık likördeki maddelerin membran yüzeyinde (dışarıda) ve membran gözeneklerinin (içeride) içinde biriktiği ve adsorbe ettiği işlemi ifade eder. Bu, gözenek tıkanmasına yol açar, gözenekliliği azaltır, membran akı düşüşüne neden olur ve filtrasyon basıncını arttırır.

Membran filtrasyon operasyonlarında, su molekülleri ve küçük parçacıklar sürekli olarak membrandan geçerken, bazı maddeler membran tarafından tutulur, gözenekleri bloke eder veya membran yüzeyi üzerinde biriktirir ve kirlenmeye yol açar. Esasen, membran kirlenmesi, membran filtrasyonunun bir sonucu olarak meydana gelir. Membran kirlenmesinin doğrudan tezahürü, membran akısındaki azalma veya çalışma basıncındaki bir artıştır.

Aktif çamurdaki maddeler, besin maddeleri, mikrobiyal floklar, mikrobiyal hücreler, hücre fragmanları, metabolik yan ürünler (EPS, SMP) ve çeşitli organik ve inorganik çözünmüş maddeler gibi karışık likörün hepsi membran kirlenmesine katkıda bulunur.

Membran kirletme aşamaları

Membran kirletme genellikle üç aşamada gelişir (bazı sınıflandırmalar iki aşamaya atıfta bulunur):

1. İlk Kirlenme:Bu, membran sistemi operasyonunun ilk aşamalarında meydana gelir. Membran yüzeyleri, karışık likörde kolloidler, organik madde vb. İle güçlü bir şekilde etkileşime girer, yapışma, yük etkileri, gözenek blokajı vb. Yoluyla kirlenmeye neden olur, çapraz akış filtreleme koşulları, küçük biyolojik floklar veya hücre dışı polimerler hala membran yüzeyine bağlı kalırken, membran gözeneklerinde daha küçük maddeler daha küçük. Konsantrasyon, kristalizasyon ve büyüme yoluyla kirlenme meydana gelir.

2. Yavaş kirlenme:Başlangıçta, membran yüzeyi pürüzsüzdür ve büyük parçacıklar kolayca yapışmaz. Birincil kirlenme malzemeleri, membran yüzeyinde adsorbe olan ve jel benzeri bir tabaka oluşturan EPS, SMP ve biyolojik kolloidlerdir. Bu, filtrasyon direncini yavaşça arttırır ve zarın karışık likörde kirleticileri tutma yeteneğini arttırır. Jel tabakası kirlenmesi kaçınılmazdır ve membran direncinde kademeli bir artışa neden olur. Sabit akış çalışmasında, bu TMP'de (transmembran basıncı) yavaş bir artış olarak görünürken, sabit basınç modunda, akıda yavaş bir düşüşe neden olur.

3. Hızlı kirlenme:İkinci aşamada oluşan jel tabakası, sürekli filtrasyon basıncı ve geçirgenlik akışı altında daha kompakt hale gelir ve bu da kirlenmenin kademeliden sertliğe geçmesine neden olur. Membran yüzeyinde hızla birikir, bir çamur keki oluşturur ve çapraz membran basıncı hızla artar.

Jel tabakası kirlenmesi kaçınılmazdır ve membran direncinde kademeli bir artışa neden olur. Sabit akış işleminde bu, TMP'de kademeli bir artış olarak açıktır, sabit basınç modunda, akışta yavaş bir düşüş olarak kendini gösterir. Bir çamur keki oluşturarak, büyük miktarlarda çamur flokları membran yüzeyine biriktikten sonra, sistem artık normal şekilde çalışamaz.

MBR çalışma ve bakımı sırasında ana odak noktası, jel tabakası kirlenmesini (iyi hidrolik koşulları koruyarak, yerinde temizleme, membran kirletme gelişimi oranını kontrol ederek ve yavaş kirlenme fazını uzatarak) geciktirmek ve çamur kek kirletme (hızlı kirlenme).

Membran kirletme türleri

1. Kirlenme malzemelerinin bileşimine dayanarak

   • Organik Kirlenme:Bu öncelikle karışık likördeki makromoleküler organik maddelerden (polisakkaritler, proteinler, proteinler), hümik asitlerden, mikrobiyal floklardan ve hücre fragmanlarından gelir. Çözünür mikrobiyal ürünler (SMP) ve hücre dışı polimerik maddeler (EPS), MLSS'nin küçük bir kısmını (karışık likör askıda katı maddeler) açıklarken, membran kirlenmesine önemli ölçüde katkıda bulunurlar (%26-52). Membran gözenekleri içindeki ve membran yüzeyinde mikroorganizmaların büyümesi ve adsorpsiyonu da kirlenmede önemli bir rol oynar.

   • İnorganik kirlenme:Bu, metal tuzlarından ve kalsiyum, magnezyum, demir ve silika gibi köprüler oluşturan, özellikle kalsiyum karbonat, kalsiyum sülfat ve magnezyum hidroksit ile sonuçlanan inorganik iyonlardan kaynaklanır.

2. Kirlenmenin doğasına dayanarak

   • Tersinir Kirlenme (geçici kirlenme):Bu tür kirlenme, temiz su veya havalandırma ile geri yıkama gibi bazı hidrolik önlemlerle çıkarılabilir.

   • Geri dönüşü olmayan kirlenme (kalıcı kirlenme):Bu kirlenme hidrolik temizleme yöntemleri kullanılarak çıkarılamaz ve oksidanlar, asitler, bazlar veya azaltma ajanları gibi kimyasallarla temizlenmeyi gerektirir.

   Hem tersinir hem de geri dönüşü olmayan kirlenme temizlenebilir, ancak geri dönüşü olmayan kirlenme membran performansına kalıcı hasar içerir.

3. Kirlenmenin konumuna göre

   • Dahili kirlenme:Bu, karışık likördeki malzemeler, membran gözeneklerinin içinde biriktirildiğinde, kristalleştiğinde ve toplandığında ortaya çıkar.

   • Dış Kirlenme:Bu, malzemeler membran yüzeyinde toplandığında ve biriktiğinde olur.

Membran kirletmeyi etkileyen faktörler

1. Karışık likörün özellikleri

   MBR sistemlerindeki kirlenme maddelerinin kaynağı, kirletmeyi etkileyen karmaşık özelliklere sahip aktif çamur karışık likördür:

   • EPS ve SMP:EPS ve SMP, kirlenmede kritik ve karmaşık bir rol oynayan mikrobiyal metabolik yan ürünlerdir. Aşırı EP'ler, karışık likörün viskozitesini arttırır, oksijen difüzyonunu zorlaştırır ve mikrobiyal flok aktivitesini etkiler, bu da süzme direncinin artmasına neden olur. EPS seviyeleri çok düşükse, floklar bozulur ve MBR operasyonunu olumsuz etkilemektedir.

   • MLSS Konsantrasyonu:MLS'lerin konsantrasyonu, karışık likörün viskozitesini doğrudan etkiler. MLS'ler arttıkça, viskozite katlanarak artar, bu da filtrasyon verimliliğini azaltır. Çapraz akış hızı veya havalandırma yoğunluğu, membran yüzeyine bağlı katıları yıkamak için yetersizse, kirlenme oluşacaktır.

   • Viskozite:Karışık likörün viskozitesi MLS'lerden etkilenir ve balon büyüklüğü ve membran esnekliği ve oksijen transfer verimliliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Daha yüksek viskozite daha yüksek bir kirlenme eğilimi ile sonuçlanır.

   • Çamurun hidrofobikliği:Çalışmalar, çamurun hidrofobikliğinin membran kirlenmesinde önemli bir rol oynadığını göstermektedir. Yüksek hidrofobiklik, özellikle aşırı filament bakterileri düzensiz flok şekillerine yol açtığında ciddi kirlenmeye neden olabilir.

   • Çamurun parçacık boyutu:Yaklaşık 2 mikron olan daha küçük parçacıkların membran yüzeyine birikme olasılığı daha yüksektir, yoğun tabakalar oluşturur ve filtrasyon direncini arttırır.

   • Çamur Yerleştirme Hızı (SVI):SVI kirlenmeyi doğrudan etkilemese de, karışık likördeki organik malzemelerin yerleşim özelliklerini gösterebilir. Kolloidler ve çözünmüş organikler kirlenmeye büyük katkıda bulunanlardır.

2. MBR operasyonel koşullar

   • Çamur tutma süresi (SRT):SRT'nin arttırılması SMP ve EPS üretimini azaltabilir, böylece kirlenmeyi azaltabilir. Bununla birlikte, aşırı uzun SRT, daha yüksek çamur konsantrasyonlarına yol açabilir, viskoziteyi artırabilir ve kötüleşen kirlenme olabilir.

   • Hidrolik tutma süresi (HRT):HRT kirlenmeyi doğrudan etkilemese de, daha kısa HRT mikroorganizmalara daha fazla besin sağlar, bu da daha hızlı mikrobiyal büyümeye yol açar, bu da kirlenme potansiyelini artırabilir.

   • Sıcaklık ve pH:Düşük sıcaklıklar geri dönüşümlü kirlenmeye neden olurken, yüksek sıcaklıklar geri döndürülemez kirlenmeyi hızlandırır. MBR tipik olarak 6-9 pH aralığında çalışır; Aşırı pH değerleri nitrifikasyon bakterilerini inhibe edebilir ve kirlenmenin artmasına neden olabilir.

   • Çözünmüş oksijen (DO):Düşük DO seviyeleri, mikrobiyal hücrelerin hidrofobikliğini arttırarak çamur flok dökülmesine neden olur. Seviyeler 1 mg/L'nin altına düştüğünde, SMP seviyeleri keskin bir şekilde artar ve kirlenmeyi şiddetlendirir.

   • Membran akısı:Artan akı, tüm membran işlemlerinde kirlenme potansiyelini arttırır. Akı, membran alanı ve geri yıkama/kimyasal temizleme aralıklarının dengeleme, kirlenmeyi en aza indirmenin anahtarıdır.

3. Membran özellikleri ve membran modülü yapısı

   • Gözenek Boyutu:Daha küçük gözenek zarları, daha fazla kirletici tutma eğilimindedir ve çıkarılması daha zor olan daha yoğun kirlenme katmanları oluşturur. Daha büyük gözenek membranları daha yüksek başlangıç tıkanıklığına sahip olabilir, ancak zaman içinde filtrasyon performansını artırabilen dinamik membranlar oluşturur.

   • Membran Malzemesi:PVDF gibi hidrofobik membranlar, kirlenmeye daha yatkın olma eğilimindedir. Seramik membranlar ise kirlenmeye daha dirençlidir ve kimyasal stabilite ve mukavemet açısından avantajlara sahiptir.

   • Yüzey pürüzlülüğü:Membran yüzeyinin pürüzlülüğü, kirletici maddeleri adsorbe etme yeteneğini arttırır, ancak aynı zamanda bir miktar esneklik sağlar ve kirletici maddelerin kalıcı olarak yapışma olasılığını azaltır.

   • Hidrofobiklik ve hidrofiliklik:Hidrofilik malzemelerden yapılan membranlar genellikle kirlenmeye karşı daha iyi bir dirence sahiptir.

Membran kirletme için kontrol önlemleri

Kirlenme öncelikle membranın doğal özelliklerinden, karışık likör özelliklerinden ve çalışma koşullarından etkilenir. Bu nedenle, kirlenmeyi kontrol etmek bu üç yönüyle odaklanmalıdır:

1. Membran Özellikleri:Kirlenme direncini arttırmak için daha iyi hidrofilik, yüzey pürüzlülüğü ve uygun gözenek boyutuna sahip membranları seçin. Seramik membranlar genellikle mukavemetleri ve kimyasal stabiliteleri için iyi bir seçimdir.

2. Karışık likör özellikleri:Kirlenmeyi azaltmak için MLSS konsantrasyonu ve viskozitesinin yanı sıra organik ve inorganik malzemelerin bileşimini kontrol edin. Filtrasyon gibi tedavi öncesi adımlar daha büyük parçacıkları giderebilir ve tıkanmayı önleyebilir.

3. Sistem Çalışma Ortamı:Alt kritik değerlerde kalmak için uygun akışları kullanın