MBR平板膜的膜阻的形成及其测定

发布日期:2023-05-19

MBR平板膜的膜阻的形成及其测定

6.4.1膜表面滤饼层的形成

(1)污染物吸附、沉积机理 悬浮固体、胶体颗粒、溶解性有机物是膜表面污染物和污泥混合液的主要成分。在恒压膜过滤过程中,过滤可分为两个阶段:第一阶段滤饼层不断沉积,第二阶段滤饼层沉积和脱落达到动态平衡。膜表面滤饼层的形成与反向扩散现象有关而大颗粒物、胶体颗粒、大分子物质、小分子物质的反向扩散机理各不相同。反向扩散主要被分为三类:布朗运动、剪切诱导和惯性提升。惯性提升适用于大颗粒物和高剪切力的场合,而布朗运动适用于小颗粒物、分子态物质和低剪切力的场合,剪切诱导适用于中等尺寸颗粒和中等大小剪切力的场合。

曝气强度越大,污泥混合液中胶体颗粒和溶解性有机物的浓度越高,从而这部分小颗粒物和溶解性有机物有更多的机会沉积到膜表面;膜表面沉积小颗粒物和溶解性有机物的反向扩散与布朗运动密切相关,但曝气强度的增大,只能强化惯性提升和剪切力诱导作用,而不能有效增强布朗运动,即曝气量的增大不能有效减缓胶体颗粒和溶解性有机物在膜表面的沉积吸附。

增大反应器水力学特性并不能有效控制溶解性有机物和小颗粒物在膜表面的沉积。因而,应该从污泥混合液改性(如投加絮凝剂或吸附剂) 入手,降低污泥混合液中胶体颗粒和溶解性有机物的浓度,从而有效控制其在膜表面的沉积。

Bai 等[24]针对短期恒压膜过滤过程,据膜通量衰减情况,把整个膜污染过程分为 3个阶段。

第1阶段:表现为在最初的很短时间内膜通量的急剧下降。刚开始过滤时,由于膜面存在压差,污泥混合液中的污泥颗粒、胶体颗粒和溶解性有机物开始向膜表面沉积,污泥颗粒尺寸较大,因而较容易被曝气和搅拌所形成的膜面剪切力带走,胶体颗粒虽然尺寸较小,部分沉积的胶体颗粒也较易被膜面剪切力带走,而溶解性有机物却较容易沉积在膜表面,并进入膜孔进而吸附在膜孔内壁,造成不可逆的膜污染。这 3 种组分都对膜通量的急剧下降起到定作用,其中溶解性有机物所引起不可逆污染是主要因素。这很好地解释了最初的膜污染受标准堵塞模型控制的现象。

第 2阶段:表现为膜通量下降速度减缓。在这一阶段中,污泥颗粒和胶体颗粒持续向膜表面和已形成的污泥层表面沉积,造成膜过滤阻力不断增加。而这时溶解性有机物在膜表面被截留积聚,浓度升高,远高于反应器内溶解性有机物浓度,从而造成溶解性有机物的反向扩散,在这一阶段溶解性有机物的沉积和反向扩散慢慢达到一种平衡状态,因而溶解性有机物对膜阻力增加的贡献较小。这一阶段形成的膜污染多为可逆污染,通过水力清洗可以恢复。

第3阶段:膜污染速度大幅下降,膜通量逐渐稳定。这一阶段中沉积的污泥多为较大颗粒的污泥絮体,由于抽吸力对污泥颗粒的拖曳作用明显减小,沉积的量相对前 2个阶段较少。另一个对膜通量有重要影响的因素是污泥沉积层的压密作用,这一作用存在于整个过滤过程,在第3阶段这一作用更加明显。压密过程取决于外部压力,压力越大压密速度越快当污泥颗粒向污泥表面沉降的速度和膜表面污泥向溶液中扩散的速度达到平衡时,膜通量达到稳定状态。

MBR 系统长期运行中的膜污染其实是一个非常复杂的过程,这一过程不仅涉及物理作用,还涉及生物化学作用。在短期过滤的几小时内,物理作用起主要作用,生物化学的作用可被忽略。然而,对于长期运行的 MBR 来说,生物化学作用应该被考虑,膜过滤在达到第3 阶段后,污泥沉积层在膜表面逐渐形成一层生物膜,其不仅能够截留溶解性有机污染物还能够分泌大量的胞外聚合物并影响膜污染。尽管 Bae 等提出的3 阶段模式不能完整地解释长期运行过程中的膜污染机理,但它给出了一个重要信息,溶解性有机物和部分胶体颗粒在第 1阶段起重要作用,它们是引起膜孔堵塞污染或不可逆污染的重要原因。

(2) 抗污染动态膜形成机理 自膜污染发生之始滤饼层一直起着“动态膜”的作用。即膜表面污染物的沉积和反向扩散达到了动态平衡。在膜过滤的开始阶段,大量的污泥絮体颗粒、小颗粒物、溶解性有机物被沉积到膜表面。大颗粒物很容易地被冲刷掉,而胶体颗粒和溶解性有机物仍然沉积在膜表面或膜孔,产生不可逆膜污染。当膜过滤过程达到稳定状态时,在膜表面形成了动态膜,这层动态膜主要由大颗粒污泥絮体组成。动态膜中的污泥絮体可以有效地截留或降解小颗粒物和溶解性有机物,防止这部分污染物进入滤饼层内部,起到了减缓膜污染的作用。因此,一旦形成动态膜,污染物很难有机会沉积到膜表面。

过大的曝气强度会破坏膜表面的动态膜,溶解性物质和胶体颗粒物会直接沉积到膜孔或膜表面,恶化膜过滤过程。当反应器在过大的曝气强度下运行时,溶解性物质和胶体颗粒将会是膜污染的主要贡献者,因而会在膜表面形成密实无孔的污染滤饼层。但是,当曝气强度较低时,曝气产生的剪切作用不能有效防止污泥的沉积,所以形成较厚的滤饼层,使得过滤阻力增大。因此,过高或过低的曝气强度均会给 MBR 运行带来负面影响。

(3)膜污染滤饼层 滤饼层主要是指水透过膜时被截留下来的部分活性污泥和胶体物质,在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的膜面污染。其中有无机污染物,也有有机污染物。无机污染物主要是钙、镁、硅、铁等的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐的结垢物,最常见的是 CaCO;和CaSO4。有机污染物主要是蛋白质、絮凝剂、天然高分子等有机胶体和容易在膜表面附着的溶解性有机物,它们在氢键、色散力和憎水作用下被吸附在膜上[25].滤饼层是一种可逆污染,一般可以通过水力清洗等定期清洗消除污染,快速恢复部分膜通量。

 

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