膜生物反应器膜污染的研究

膜生物反应器膜污染的研究

膜分离技术是最具潜力的深度水处理技术，近年来取得了迅速的进展。但在使用过程中,由于浓差极化和膜污染等问题的存在,严重阻碍了其大规模的工业应用。通过经济有效的方法来减轻膜污染,提高渗透通量已成为国内外膜研究领域的重要课题。因而应在了解膜污染机理的基础上,有效地控制膜污染。有效的膜污染防治不但可以增加膜通量,降低能耗,而且还能增强系统稳定性,延长膜的寿命,降低运行费用,从而是膜技术得到更广泛的应用。1膜污染产生机制膜污染是由于杂质进入膜孔隙内部,吸附在膜内部,减少有效的膜孔径数量或孔径,使透水通量减少,导致水通量下降,用水力或化学清洗往往很难将其恢复,是不可逆转的。原水中溶解性有机物(NOM)特别是腐殖酸类天然有机物和胶体颗粒是导致膜污染的主要因素。TOC是衡量引起膜污染有机物浓度的重要指标,许多研究表明,水中的TOC越高,膜污染就越严重,严重时可使膜完全堵塞。造成膜污染主要有两个原因:①浓差极化的影响。浓差极化是在浓度梯度的作用下,溶质由膜面向主体溶液扩散,使流体阻力和局部渗透压增加,浓差极化可以通过降低料液的质量浓度,提高错流流速,加入紊流器等来去除,这种影响是可逆的;②膜表面吸附溶质(尤其是大分子)形成的膜污染。膜的孔道被大分子溶质堵塞引起膜过滤阻力增加,溶质在孔内壁吸附,膜面形成凝胶层增加传质阻力。组分在膜孔中沉积,将造成膜孔减小甚至堵塞,实际上减小了膜的有效面积。组分在膜表面沉积形成的污染层所产生的额外阻力可能远大于膜本身的阻力,而使渗透流率与膜本身的渗透性无关,这种影响是不可逆的。通常所说的膜污染是指在运行过程中,细胞混合液中的微生物菌群及其代谢产物、固体颗粒、胶体粒子、溶解性大分子由于与膜存在物理化学作用、机械作用而引起在这种不可逆变的溶质吸附作用。膜污染的发生机制十分复杂,不仅与膜材质、微孔结构和表面特性,以及被处理料液的基本物性有关,而且与膜器结构设计、操作条件等相关。因此全面阐述膜污染发生机理是非常困难的。目前膜学专家正在试图采用各种新型测试技术和动态实验方法.观测膜污染现象并加以控制,降低膜污染带来的不良影响,进一步提高膜分离效率,因此,相应的防治膜污染的措施将会更加具有有效性和针对性。2膜污染控制对策2.1复合式膜生物反应器膜分离技术是一种以压力为推动力、利用不同孔径的膜进行水与水中颗粒物质筛除分离的技术。根据去除的污染物的种类选择合适的膜生物反应器是控制膜污染的重要方法,应进行反应器与膜的优化组合,充分考虑膜组件的放置方式与水力形态的关系.减少在膜组件/槽中的死区,并避免膜较高的充实度。根据生物反应器中微生物生长状态的不同,可分3种类型:活性污泥-膜生物反应器、生物膜-膜生物反应器和活性污泥与生物膜共存的膜生物反应器(简称复合式膜生物反应器)。桂萍等对三种型式膜-生物反应器进行了研究,通过对比表明:在总污泥浓度、操作压力、膜面流速等运行参数基本相同的情况下,复合式膜生物反应器的膜通量下降速度最慢,即膜污染程度最轻;生物膜-膜生物反应器的膜通量下降速度最快。因此,为有效地防止膜污染,在实际工程中,应根据膜组件的形式及其他条件,通过试验确定最优的膜生物反应器的类型,从而由膜本身的性质来减缓膜的污染。2.2改性原水及预处理污泥预处理是指在原料液过滤前向其中加入适当的药剂,以改变料液或溶质的性质,或对其进行絮凝、过滤、以去除一些较大的悬浮粒子或胶状物质,或者调整料液的pH值以去除给膜带来污染的物质,从而减轻膜过程的负荷,有效地减轻膜污染。Bentem等研究发现,原水经格栅预处理后,原水中的SS可去除30%～60%.COD去除10%～15%,这样可以改变原水成分,从而改善后续工艺的处理效果,减轻膜污染,减小剩余污泥产量并改善污泥性状。罗虹等采用向中空纤维膜生物反应器中投加粉末活性炭(PAC)的方法有效地减小了滤饼层阻力(从原来占膜总阻力的51.3%降到11.6%),减缓了膜通量的下降,但投量过大时,反而易造成膜堵塞。张洪宇等通过加入絮凝剂以改善污泥的过滤性能,在加入FeCl3500mg/L·d后,膜通量增加了120%。虽然絮凝剂的加入能改善污泥的过滤性能,但加入量不能过多,否则会影响污泥的活性。H.K.Shon等10]研究表明:吸附絮凝的预处理过程可以使膜达到最高的通量,同时也可使料液中的总有机碳去除率超过90%。2.3错流过滤和反冲洗过滤膜分离的操作条件的优化对防治膜污染尤为重要。操作条件与膜污染密切相关,与膜污染直接相关的运行条件包括:膜通量、操作压力、错流流速、水力停留时间(HRT)、固体停留时间和运行温度等。当操作压力低于临界压力时,膜通量随操作压力的增加而增加,而高于此值时,会引起膜污染加剧,通量随压力的变化不大。终端过滤能量利用充分,但容易引起较快的膜污染,错流过滤是针对终端过滤容易引起较快的膜污染提出的,L.Defrance等研究表明,膜通量随着错流流速(CFC)的增加而呈线形增加,但是能耗较大,而且CFC也并非越大越好.当膜面流速超过临界值后,将不会对膜过滤性能有明显改善。D.J.Chang等充分利用了终端过滤、错流过滤和反冲洗的优点,建立了经济有效的终端过滤-反冲洗-错流过滤的膜分离复合系统。改变HRT可能引起MLSS和OLR(有机负荷)的变化,从而间接地影响膜污染。另外,合理的曝气量也能有效地防止膜污染。曝气可以使膜表面处于剧烈紊动状态,避免了凝胶层的增厚和堵塞物质的积累,大大延长了膜清洗周期,但也不是曝气量越大越好,当曝气过大时,会导致膜表面沉积的颗粒粒径减小,使滤饼的结构更加致密,从而使其膜过滤阻力增加。当膜表面附着的污泥层为主要过滤阻力时,可以停止进出水,通过空曝气能够使膜过滤压差下降3.～10.kPa。况家瓒等研究表明,适当提高料液水温,加速分子扩散,减少粘度,增大滤速,也可有效地减轻膜污染。3膜的清洗和再生膜在使用中无论操作如何严格,经长期运行后,膜表面会逐渐由于污染物的沉积而引起污染,影响系统正常运行。因此,膜的定期清洗和再生是必不可少的。常用的清洗方法有:(1)空气/水混合反冲洗用淡水也可以用原水来冲洗,在低压下以高速流冲洗膜面30min,也可以用空气和水混合的高速气、液流喷射清洗,这样可以清除膜面上的污垢。LuHua等实验结果表明,空气和水混合的反冲洗比简单的气流或液流反冲洗具有更好的去处效果。在管式膜组件中,可以通过海绵球的高速循环来冲刷膜面,以去除膜面上的污垢。现在也有人采用超声波清洗膜面,虽然尚未广泛应用,但将来很可能成为一种有效的清洗方法。(2)膜的化学改性物理方法清洗可以达到一定的效果,不过仅能恢复到原来膜通量的10%左右,远远不能达到所需要的结果,而化学方法清洗则可以使膜通量恢复到原来的90%。常用方法有:①加酸清洗常用的酸有HCl、HNO3、H3PO4、柠檬酸等,当然也可以是他们的混合体。DenisKuzmenko等研究表明:游离氯的有效氧化可以使膜恢复到初始的膜通量,不过恢复后的膜抗污染性能大大降低,可能是由于游离氯的化学改性使膜表面的结构发生了变化。另外,可用1%～2%的柠檬酸溶液在低压或高压下采用一次通水或循环方式对膜进行冲洗,对去除氢氧化铁沉淀很有效。②加碱清洗加碱(NaOH)和络合剂(EDTA)清洗。③酶洗涤剂含有酶的洗涤剂对去除有机物,特别是蛋白质、多糖类、油脂等污染物是非常有效的。酶洗涤剂在50℃～60℃洗涤效果较好。另外,由于膜表面的缺陷、磨蚀、化学侵蚀和水解等原因,膜使用中性能会下降,为了延长末的寿命,可对膜进行再生。一般再生前脱盐率应在80%以上,再生后可达到94%,低于80%脱盐率的膜,再生效果很差。4膜生物反应器的设计膜生物反应器中膜污染的问题是不可避免的,并且有很多因素影响着膜污染。对膜污染的防治不能只考虑某一方面,要从整体上考虑。首先