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山東沃源環(huán)保設(shè)備有限公司作者
自MBR工藝問世以來，其便因占地面積小，出水水質(zhì)好，有機(jī)負(fù)荷率大，污泥產(chǎn)量少等而在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，尤其在城市污水處理中發(fā)展迅速。
但是由于運(yùn)行過程中需要對(duì)膜污染進(jìn)行有效控制，而必須采取加大錯(cuò)流速率，曝氣等手段，使得MBR運(yùn)行過程中消耗大量能源。
那么針對(duì)這些問題，MBR操作人員究竟該怎么做？才能快速找到膜污染根源，并給予精準(zhǔn)打擊，以此減少清洗頻率。
膜污染是怎么產(chǎn)生的？
嚴(yán)格來講，膜污染是指在運(yùn)行過程中處理物料的微粒，膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜發(fā)生物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的吸附或者沉積而造成的膜表面覆蓋及膜孔堵塞的現(xiàn)象。
膜污染現(xiàn)象非常復(fù)雜，包括多種機(jī)理。其中，
濃差極化是表面形成濾餅層的主要原因，主要沉積顆粒有懸浮固體，膠體和微生物群。
有機(jī)和無機(jī)物污染是指有機(jī)和無機(jī)物吸附于膜表面和膜孔中產(chǎn)生的污染。
生物污染是微生物群在膜表面附著生長(zhǎng)而產(chǎn)生的生物膜。
結(jié)垢現(xiàn)象是當(dāng)膜表面溶解的鹽的濃度超過其溶解度時(shí)產(chǎn)生的，不是主要的膜污染原因。
膜污染通常用于概括所有導(dǎo)致膜透過流量下降的現(xiàn)象，根據(jù)清洗方法不同，膜污染可以分為：
1、短時(shí)間內(nèi)由于濃差極化、膜孔污染和凝膠層的形成使通量下降的可逆污染，通過反洗，曝氣，錯(cuò)流等表面清洗方法可以迅速去除的污染，一般指短期污染。
2、物料顆粒與膜材料發(fā)生的長(zhǎng)期作用而產(chǎn)生的不可逆污染，不能被物理清洗方法去除，但可以通過化學(xué)清洗恢復(fù)通量的污染，一般指長(zhǎng)期污染。
3、長(zhǎng)期運(yùn)行過程中不能被任何清洗方法所去除的污染稱為不可恢復(fù)污染。
膜污染受哪些因素影響？
一、污泥混合液特性
膜生物反應(yīng)器中的膜污染物質(zhì)的來源是活性污泥混合液，污泥混合液對(duì)膜的污染極為復(fù)雜。
1、EPS和SMP
胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)都是微生物代謝產(chǎn)物，成分大致相同，它們對(duì)膜污染有著重要且復(fù)雜的影響，是MBR過程中最主要污染物。
EPS濃度過高，會(huì)增大混合液粘度而不利于溶解氧的擴(kuò)散，使污泥系統(tǒng)充氧困難，從而影響菌膠團(tuán)的正常生理活動(dòng)，從而使膜過濾阻力升高。而EPS含量過低，會(huì)引起絮狀物分解，從而對(duì)MBR的運(yùn)行不利。
因此，存在一個(gè)EPS值，使絮狀物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且不會(huì)引起高的膜污染趨勢(shì)。
研究發(fā)現(xiàn)大部分SMP分子量小于1KDa和大于10KDa，小分子量的溶解有機(jī)物，在通過膜的同時(shí)，易堵塞膜孔，造成膜污染，并成為出水中主要?dú)埩粲袡C(jī)物。
同時(shí)，SMP的特性與組成也受到多個(gè)運(yùn)行參數(shù)影響。
一般來說，水圈COD君認(rèn)為MBR中SMP對(duì)膜的污染趨勢(shì)隨MLSS的增加，有機(jī)物載入量的下降，以及溶解氧的升高而減弱。
2、混合液懸浮固體濃度MLSS
MLSS濃度直接影響混合液粘度，粘度升高是MLSS上升引起混合液過濾性能下降的主要原因，如果錯(cuò)流速率或者曝氣強(qiáng)度不足以沖刷掉附著在膜表面的固體，將很快引起污染層的產(chǎn)生。
3、粘度
混合液粘度受MLSS影響，MLSS濃度高于臨界值時(shí)，粘度隨固體濃度增加而指數(shù)升高。
在中空纖維MBR中，混合液粘度影響氣泡大小，及纖維膜在反應(yīng)器中的靈活性。另外，粘度升高會(huì)使溶解氧DO傳遞效率下降，低溶解氧濃度會(huì)加劇膜污染趨勢(shì)。
4、污泥親疏水性
許多研究結(jié)果表明污泥中親水性溶解有機(jī)物對(duì)膜污染的發(fā)生起到負(fù)面作用。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)高疏水性絮狀污泥同樣會(huì)引起膜污染。
污泥的疏水性和表面電荷都與胞外聚合物的組成和性質(zhì)以及絲狀細(xì)菌生長(zhǎng)指數(shù)有關(guān)，絲狀細(xì)菌過量繁殖會(huì)產(chǎn)生大量，使電勢(shì)下降，絮狀污泥形狀不規(guī)則，疏水性增強(qiáng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染。
5、污泥顆粒大小
膜通量下降主要是由于2um左右的顆粒引起的。一般來說，顆粒尺寸越小，顆粒越易在膜面沉積，形成的沉積層也越致密，透水性越小，故顆粒尺寸過小將加劇膜污染。
6、污泥沉降指數(shù)SVI
盡管對(duì)膜污染沒有直接影響，但污泥沉降指數(shù)(SVI)能夠反映出混合液中的有機(jī)物質(zhì)的沉降性。
目前不能沉降的有機(jī)物質(zhì)，如膠體，溶解有機(jī)物，被普遍認(rèn)為是膜的主要污染物質(zhì)。
二、MBR過程的操作條件
操作條件直接或間接影響著膜污染和污泥的性質(zhì)和組成。
7、污泥停留時(shí)間(SRT)
實(shí)際結(jié)果表明，增加SRT可以減少SMP和EPS的產(chǎn)生，膜污染率也會(huì)隨之降低。
但是，過長(zhǎng)的SRT會(huì)使污泥濃度過高，也會(huì)帶來過高的粘度并影響到傳質(zhì)和反應(yīng)器的流體力學(xué)，導(dǎo)致更嚴(yán)重的膜污染。一般城市污水處理中膜生物反應(yīng)器的SRT為5-20天。
8、水力停留時(shí)間(HRT)
雖然HRT對(duì)膜污染沒有直接影響，但是短HRT會(huì)給微生物提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而使微生物快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致MLSS濃度升高，并且使通量增加，從而會(huì)增大膜污染發(fā)生的可能。
9、溫度和pH
對(duì)比不同季節(jié)溫度不難發(fā)現(xiàn)，低溫期可逆污染更加嚴(yán)重，高溫期不可逆污染發(fā)展更迅速。
MBR運(yùn)行pH范圍一般是6-9，范圍之外，反應(yīng)器中的硝化細(xì)菌會(huì)迅速減少，導(dǎo)致硝化作用受到抑制。當(dāng)pH值高于其臨界值時(shí)，膜污染迅速，而當(dāng)溫度升高時(shí)，zui大允許pH值就會(huì)降低。
10、溶解氧(DO)
低濃度溶解氧會(huì)使細(xì)胞疏水性降低，而引起污泥絮體分解，當(dāng)DO低于1mg/l時(shí)，SMP含量急劇升高 。溶解氧也會(huì)影響EPS和SMP中成分組成，在高溶解氧MBR體系中，蛋白和多 聚糖的比率也會(huì)升高，并且微生物群落組成會(huì)非常不同。
11、膜通量
對(duì)于所有膜過程，通量的升高都會(huì)引起膜污染的加劇。
在通量的選擇與膜面積最小化，反沖洗和化學(xué)清洗時(shí)間間隔最小化之間取得平衡，也直接影響著運(yùn)行成本。
12、錯(cuò)流速率和曝氣
在分體式膜生物反應(yīng)器中，錯(cuò)流速率(CFV)是快速改變膜透過性的方法之一。
在高濃度和小孔徑膜的系統(tǒng)中，CFV的增大可以緩解污染物在膜表面沉積。
但對(duì)于混合液顆粒物相對(duì)較大的情況下，CFV的增強(qiáng)對(duì)通量升高沒有甚至相反的作用。
浸沒式MBR工藝中曝氣起到非常重要的作用：a、通過曝氣提供溶解氧，供污泥中的微生物正常生長(zhǎng)代謝；b、起到攪拌作用，使污泥懸浮，在混合溶液中充分混合；c、使中空纖維膜組件膜絲疏松，并在膜表面產(chǎn)生剪切力，減少污染物在膜表面沉積，一定程度上防止膜污染的產(chǎn)生。
三、膜的性質(zhì)與膜組件結(jié)構(gòu)
13、膜的孔徑大小
小孔徑膜，容易截留溶液中的污染物，在膜表面產(chǎn)生沉積層，使膜阻力增加。這類污染一般屬于可逆污染，可以通過錯(cuò)流、反洗、曝氣等物理方式去除，內(nèi)部污染較小。
大孔徑膜，在過濾初期膜孔堵塞較嚴(yán)重，隨著表面動(dòng)態(tài)膜的形成，截留作用開始提高。但是污染物易在膜孔表面和內(nèi)部產(chǎn)生沉積和堵塞，形成不可逆污染甚至不可恢復(fù)污染，成為長(zhǎng)期運(yùn)行中造成膜性能下降，壽命減少的主要因素。
14、膜材料
針對(duì)厭氧MBR中不同膜材料的污染情況，研究表面在同樣運(yùn)行條件下，聚偏氟乙烯(PVDF)膜的污染趨勢(shì)明顯小于聚砜膜(PS)和纖維素膜。
值得一提的是，當(dāng)活性污泥有機(jī)物組分中存在與膜材料相似的聚合物時(shí)，不可逆污染物的成分取決于膜材料。
15、膜表面粗糙程度
膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，但同時(shí)也增加了膜表面的撓動(dòng)程度，阻礙了污染物在膜表面的沉積，因此粗糙度對(duì)膜通量的影響是兩方面因素綜合作用的結(jié)果。
16、親疏水性
膜材料的憎水性對(duì)膜污染也有很重要的影響，比較了憎水性超濾膜和親水性超濾膜，得出憎水性超濾膜膜面更容易吸附溶解性物質(zhì)，表現(xiàn)出更大的易污染傾向。
目前，改變膜疏水性的方式大多是對(duì)膜材料進(jìn)行改性。如改變孔徑大小，膜表面粗糙程度，添加無機(jī)材料在膜表面形成動(dòng)態(tài)預(yù)涂層等。
如何控制MBR膜污染？
1、臨界通量運(yùn)行
目前，MBR工藝設(shè)計(jì)基本都采取恒通量運(yùn)行，在盡量滿足污水處理量要求的前提下，通過其他操作手段控制膜污染。
臨界通量的概念與1995年shou次提出，它的定義是在該通量以下，透膜壓力不會(huì)隨過濾時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，透膜壓力和通量保持良好的線性關(guān)系。
臨界通量的選擇對(duì)運(yùn)行有著重要作用，超過臨界通量，污染就會(huì)發(fā)生，跨膜壓差(TMP)隨過濾時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，膜組件在臨界通量以下運(yùn)行可大大延緩膜污染。
2、曝氣量以及曝氣強(qiáng)度
一般來說，增強(qiáng)曝氣強(qiáng)度有利于提高膜透過性，減少膜污染，長(zhǎng)時(shí)間的低曝氣下，污染物迅速沉積在膜表面。
然而，強(qiáng)曝氣也會(huì)破壞污泥絮體。會(huì)改變污泥顆粒大小及分布，釋放出更多的膠體和溶解有機(jī)物(EPS和SMP)，而加劇膜污染。因此，水圈COD君建議找到曝氣強(qiáng)度至關(guān)重要。
3、膜污染清洗方法的選擇
膜污染清洗方法主要包括物理清洗和化學(xué)清洗。
物理清洗
物理清洗包括間歇運(yùn)行和清水反洗。MBR運(yùn)行過程中，反沖洗方法是去除可逆污染，延緩膜污染的有效途徑。
如在中試浸沒式MBR中研究了反洗對(duì)延緩膜污染的效果，發(fā)現(xiàn)在相同的通量下，低頻率高強(qiáng)度反洗比高頻率清洗更能有效降低膜污染。
值得一提的是，在間歇運(yùn)行期間，膜表面的污染物由于重力作用而松散脫落，在曝氣作用下，效果更加明顯。因此，將間歇運(yùn)行與反沖洗結(jié)合可以更有效緩解膜污染。
化學(xué)清洗
物理清洗無法阻止不可逆污染的發(fā)生，必須通過化學(xué)清洗手段來恢復(fù)通量。
化學(xué)清洗包括維護(hù)清洗和強(qiáng)力(恢復(fù))清洗。目前常用的清洗劑有NaClO溶液，用于去除有機(jī)污染物，檸檬酸，用于去除無機(jī)污染物等。
4、吸附劑的添加
在MBR中，混合液的成分非常復(fù)雜。為改善混合液特性，應(yīng)用最多的就是向反應(yīng)器內(nèi)投加粉末活性炭PAC形成生物活性炭。
某實(shí)驗(yàn)比較了三個(gè)不同PAC投加量(0、0.75、1.5g/l)對(duì)膜生物反應(yīng)器膜污染的影響。
結(jié)果表明膜表面污染層隨PAC劑量的增加而減少， 然而不可逆污染在劑量為0.75g/l時(shí)降到zui低，0和1.5g/l時(shí)不可逆污染阻力相差不大。
不難發(fā)現(xiàn)，活性炭都有其吸附容量，在運(yùn)行過程中很快會(huì)達(dá)到吸附飽和，不但不能緩解膜污染，甚至起到加劇作用。
因此，在MBR運(yùn)行中，應(yīng)定期排泥，添加新鮮PAC才能有效改善MBR運(yùn)行效果。
與此同時(shí)，為了節(jié)約運(yùn)行成本，可嘗試使用低投加濃度PAC來改善MBR運(yùn)行效果。結(jié)果顯示，在長(zhǎng)SRT高HRT運(yùn)行條件下，低PAC投加量可以改善運(yùn)行效果，并且有效地節(jié)約了成本。
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