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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。
但是由于運行過程中需要對膜污染進(jìn)行有效控制，而必須采取加大錯流速率，曝氣等手段，使得MBR運行過程中消耗大量能源。
那么針對這些問題，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。
有機和無機物污染是指有機和無機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，一般指長期污染。
3、長期運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，會增大混合液粘度而不利于溶解氧的擴散，使污泥系統(tǒng)充氧困難，從而影響菌膠團的正常生理活動，從而使膜過濾阻力升高。而EPS含量過低，會引起絮狀物分解，從而對MBR的運行不利。
因此，存在一個EPS值，使絮狀物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且不會引起高的膜污染趨勢。
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物，在通過膜的同時，易堵塞膜孔，造成膜污染，并成為出水中主要殘留有機物。
同時，SMP的特性與組成也受到多個運行參數(shù)影響。
一般來說，水圈COD君認(rèn)為MBR中SMP對膜的污染趨勢隨MLSS的增加，有機物載入量的下降，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，如果錯流速率或者曝氣強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，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，粘度升高會使溶解氧DO傳遞效率下降，低溶解氧濃度會加劇膜污染趨勢。
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物對膜污染的發(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)菌生長指數(shù)有關(guān)，絲狀細(xì)菌過量繁殖會產(chǎn)生大量，使電勢下降，絮狀污泥形狀不規(guī)則，疏水性增強，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物質(zhì)的沉降性。
目前不能沉降的有機物質(zhì)，如膠體，溶解有機物，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、污泥停留時間(SRT)
實際結(jié)果表明，增加SRT可以減少SMP和EPS的產(chǎn)生，膜污染率也會隨之降低。
但是，過長的SRT會使污泥濃度過高，也會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、水力停留時間(HRT)
雖然HRT對膜污染沒有直接影響，但是短HRT會給微生物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，而使微生物快速生長，導(dǎo)致MLSS濃度升高，并且使通量增加，從而會增大膜污染發(fā)生的可能。
9、溫度和pH
對比不同季節(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，膜污染迅速，而當(dāng)溫度升高時，zui大允許pH值就會降低。
10、溶解氧(DO)
低濃度溶解氧會使細(xì)胞疏水性降低，而引起污泥絮體分解，當(dāng)DO低于1mg/l時，SMP含量急劇升高 。溶解氧也會影響EPS和SMP中成分組成，在高溶解氧MBR體系中，蛋白和多 聚糖的比率也會升高，并且微生物群落組成會非常不同。
11、膜通量
對于所有膜過程，通量的升高都會引起膜污染的加劇。
在通量的選擇與膜面積最小化，反沖洗和化學(xué)清洗時間間隔最小化之間取得平衡，也直接影響著運行成本。
12、錯流速率和曝氣
在分體式膜生物反應(yīng)器中，錯流速率(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。
但對于混合液顆粒物相對較大的情況下，CFV的增強對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，成為長期運行中造成膜性能下降，壽命減少的主要因素。
14、膜材料
針對厭氧MBR中不同膜材料的污染情況，研究表面在同樣運行條件下，聚偏氟乙烯(PVDF)膜的污染趨勢明顯小于聚砜膜(PS)和纖維素膜。
值得一提的是，當(dāng)活性污泥有機物組分中存在與膜材料相似的聚合物時，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，但同時也增加了膜表面的撓動程度，阻礙了污染物在膜表面的沉積，因此粗糙度對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，添加無機材料在膜表面形成動態(tài)預(yù)涂層等。
如何控制MBR膜污染？
1、臨界通量運行
目前，MBR工藝設(shè)計基本都采取恒通量運行，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，透膜壓力不會隨過濾時間的延長而增加，透膜壓力和通量保持良好的線性關(guān)系。
臨界通量的選擇對運行有著重要作用，超過臨界通量，污染就會發(fā)生，跨膜壓差(TMP)隨過濾時間的延長而增加，膜組件在臨界通量以下運行可大大延緩膜污染。
2、曝氣量以及曝氣強度
一般來說，增強曝氣強度有利于提高膜透過性，減少膜污染，長時間的低曝氣下，污染物迅速沉積在膜表面。
然而，強曝氣也會破壞污泥絮體。會改變污泥顆粒大小及分布，釋放出更多的膠體和溶解有機物(EPS和SMP)，而加劇膜污染。因此，水圈COD君建議找到曝氣強度至關(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行和清水反洗。MBR運行過程中，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中研究了反洗對延緩膜污染的效果，發(fā)現(xiàn)在相同的通量下，低頻率高強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)清洗包括維護清洗和強力(恢復(fù))清洗。目前常用的清洗劑有NaClO溶液，用于去除有機污染物，檸檬酸，用于去除無機污染物等。
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。
某實驗比較了三個不同PAC投加量(0、0.75、1.5g/l)對膜生物反應(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時降到zui低，0和1.5g/l時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，在運行過程中很快會達(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運行中，應(yīng)定期排泥，添加新鮮PAC才能有效改善MBR運行效果。
與此同時，為了節(jié)約運行成本，可嘗試使用低投加濃度PAC來改善MBR運行效果。結(jié)果顯示，在長SRT高HRT運行條件下，低PAC投加量可以改善運行效果，并且有效地節(jié)約了成本。
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