梁 宇
1 膜污染的成因
膜污染一般是指污水中的污染物(包括微粒、胶体粒子或大分子溶质)与膜表面存在物理化学或机械作用而引起的膜面上的沉淀与积累。膜孔内吸附造成的孔径变小或堵塞,使膜的透水阻力增加,妨碍了膜表面上物质的溶解与扩散。从而导致膜通量与分离特性的不可逆变化现象,广义的膜污染还包括由于浓差极化导致凝胶层形成的可逆变化现象。
2 膜污染的影响因素
膜污染除了与膜本身材质与组件形式有关外,还有许多重要影响因素。1)污泥浓度(MLSS)。污泥浓度过低时,活性污泥对溶解性有机物的吸附和降解能力减弱,使得上清液中溶解性有机物浓度增加,从而易被膜表面吸附形成凝胶层使过滤阻力增加,膜通量因而下降。当污泥浓度过高时,污泥在膜表面沉积形成较厚的污泥层,导致过滤阻力升高和膜通量下降。2)胶体、溶解物。MBR内胶体与溶解物在膜污染中起到重要作用,其阻力系数是总污泥(包括 SS、胶体、溶解物)阻力系数的 10倍。以过膜的水阻力计算,胶体和溶解物在膜污染中起到约 75%的作用。胶体混合液粘度的上升将会影响到膜表面的流动状况,减弱湍流传质,进而加剧膜表面的浓差极化,引起传质推动力下降,从而造成了膜通量的下降,并遏制了水力剪切力对污染层的脱除作用。
3 膜污染的防治
3.1 膜的清洗
1)空气反吹。研究表明通过对几种不同的过滤—空气反吹操作模式的运行,15min过滤和 15m in空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量,与连续运行的工艺相比透过量提高到 370%,说明空气反冲可以减缓膜污染,但对膜组件的强度要求更高。2)水反冲洗。用处理水对膜进行定期反冲洗,其冲洗强度和水量要比出水的强度高、水量大。水反冲洗对膜性能的要求也高。3)空曝气。空曝气就是在停止进出水时,加大曝气强度并连续曝气2 d～3 d,以冲脱沉积在膜表面上的污泥层。4)药物法。最有效的方法是根据污染的程度,把膜组件浸在化学清洗剂中 2 h～48 h。5)超声波清洗。超声波可以改变污泥的结构和毛细管抽吸时间;同时也降低了污泥的水合作用速率;污泥通过高分子电解质调节后,超声波的应用改变了聚合电解质的ξ电位,从而改变了其内部结构,减少了分支结构和缩短了分支的延伸,出现了没有丛毛状的光滑表面,它间接改变了污泥结构,从而降低了污泥的ξ电位。
3.2 预处理措施
对混合液进行絮凝、沉淀、投加填料等预处理,可有效降低混合液悬浮物浓度,改善活性污泥或膜表面的性质,从而减缓膜污染的速率。通过电镜照片发现经过絮凝和吸附预处理的膜表面没有形成污染层。
3.3 操作条件的优化
1)低水通量过滤。水通量与由膜堵塞和压力导致的污染物在膜表面的增厚而引起的膜污染有关。2)间歇操作。膜污染是由于污染物附着/沉积的速率和脱离速率不同引起的。在间歇操作运行下,混合液不断通过膜过滤形成过滤液,此时存在一个从反应器指向膜表面的流速vf,使混合液中的悬浮固体向膜表面运动,并在膜表面沉积。3)合理曝气。在MBR中,曝气的目的除了为微生物供氧以外,还使上升的气泡及其产生的紊动水流清洗膜表面和阻止污泥聚集,以保持膜通量稳定,因此曝气量较高。一般气水体积比为 15∶1～30∶1,明显高于传统处理工艺。曝气对膜表面的清洗作用在于:使污泥上流和气泡混合在膜表面产生错流作用,从而产生冲击作用来擦洗膜表面,清除污泥颗粒。
3.4 膜材料选取及膜组件安装
1)膜材料选取:已经商品化的膜材料有硝化纤维素(CN)、醋酸纤维素(CA)、CN-CA混合膜、聚乙烯膜(PE)、聚丙烯膜(PP)、聚丙烯氰(PPC)、偏氟乙烯(PVF)及聚偏氟乙烯(PVDF)等,在选择膜材料时应从材料的强度、热稳定性、化学稳定性、耐污染性能、产水性能、使用寿命、膜造价等方面进行技术分析和经济性评价来确定。2)膜孔径选择:从理论上讲,在确保污染物被截留的情况下,选择孔径大的膜可以使水通量提高。但实验发现,选用较大膜孔径,反而加速了膜的污染,水通量下降很快。一般膜的切割颗粒尺寸(截留分子量)应比要分离的污染物的尺寸小一个数量级。3)膜表面改性:考虑到废水中的污染物和活性污泥是有机物质,为了防止膜污染,应降低膜和原水间的界面能,因此应采用具有优良的抗污染特性的亲水性膜;另外,膜材料的电荷与溶质的电荷相同的膜也较耐污染。4)膜组件的安装:为防止膜污染,膜组件在安装时应合理确定膜丝的长度、膜丝的松紧、膜组件和曝气池墙体之间的距离、膜组件和空气扩散管之间的距离以及膜组件和反应器液面、空气护散器和曝气池底之间的距离,以保证在一定曝气量下获得较高的液体上升速率,减少污泥层在膜表面的沉积,减缓膜污染。
4 结语
膜污染主要是由于膜孔的堵塞和膜表面污染物的沉积引起的,影响膜污染的因素主要包括膜的性能、混合液的性质、混合液的水利特性。大量研究表明采用反冲洗、预处理、优化运行条件、改善膜的性能措施可有效减缓膜的污染,延长膜的使用寿命。随着对膜生物反应器污染机理研究的深入,膜材料和膜制造技术的发展,膜分离工艺的完善,膜污染问题必将得到解决,膜生物反应器也将得到更加广泛的应用。
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