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【干货】MBR膜污堵原因分析及运行管理？

自MBR工艺问世以来，其便因占地面积小，出水水质好，有机负荷率大，污泥产量少等而在世界范围内得到广泛应用，尤其在城市污水处理中发展迅速。
但是由于运行过程中需要对膜污染进行有效控制，而必须采取加大错流速率，曝气等手段，使得MBR运行过程中消耗大量能源。
那么针对这些问题，MBR操作人员究竟该怎么做？才能快速找到膜污染根源，并给予精准打击，以此减少清洗频率。
 
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膜污染是怎么产生的？
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严格来讲，膜污染是指在运行过程中处理物料的微粒，胶体粒子或溶质大分子由于与膜发生物理化学相互作用或机械作用而引起的吸附或者沉积而造成的膜表面覆盖及膜孔堵塞的现象。

 

         

 

膜污染现象非常复杂，包括多种机理。其中，
浓差极化是表面形成滤饼层的主要原因，主要沉积颗粒有悬浮固体，胶体和微生物群。
有机和无机物污染是指有机和无机物吸附于膜表面和膜孔中产生的污染。
生物污染是微生物群在膜表面附着生长而产生的生物膜。
结垢现象是当膜表面溶解的盐的浓度超过其溶解度时产生的，不是主要的膜污染原因。
膜污染通常用于概括所有导致膜透过流量下降的现象，根据清洗方法不同，膜污染可以分为：
1、短时间内由于浓差极化、膜孔污染和凝胶层的形成使通量下降的可逆污染，通过反洗，曝气，错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、物料颗粒与膜材料发生的长期作用而产生的不可逆污染，不能被物理清洗方法去除，但可以通过化学清洗恢复通量的污染，一般指长期污染。
3、长期运行过程中不能被任何清洗方法所去除的污染称为不可恢复污染。

 

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膜污染受哪些因素影响？
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一、污泥混合液特性
膜生物反应器中的膜污染物质的来源是活性污泥混合液，污泥混合液对膜的污染极为复杂。

1、EPS和SMP

胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）都是微生物代谢产物，成分大致相同，它们对膜污染有着重要且复杂的影响，是MBR过程中最主要污染物。
EPS浓度过高，会增大混合液粘度而不利于溶解氧的扩散，使污泥系统充氧困难，从而影响菌胶团的正常生理活动，从而使膜过滤阻力升高。而EPS含量过低，会引起絮状物分解，从而对MBR的运行不利。
因此，存在一个最优EPS值，使絮状物结构稳定，并且不会引起高的膜污染趋势。
研究发现大部分SMP分子量小于1KDa和大于10KDa，小分子量的溶解有机物，在通过膜的同时，易堵塞膜孔，造成膜污染，并成为出水中主要残留有机物。
同时，SMP的特性与组成也受到多个运行参数影响。
一般来说，水圈COD君认为MBR中SMP对膜的污染趋势随MLSS的增加，有机物载入量的下降，以及溶解氧的升高而减弱。
2、混合液悬浮固体浓度MLSS
MLSS浓度直接影响混合液粘度，粘度升高是MLSS上升引起混合液过滤性能下降的主要原因，如果错流速率或者曝气强度不足以冲刷掉附着在膜表面的固体，将很快引起污染层的产生。
3、粘度
混合液粘度受MLSS影响，MLSS浓度高于临界值时，粘度随固体浓度增加而指数升高。
在中空纤维MBR中，混合液粘度影响气泡大小，及纤维膜在反应器中的灵活性。另外，粘度升高会使溶解氧DO传递效率下降，低溶解氧浓度会加剧膜污染趋势。
4、污泥亲疏水性
许多研究结果表明污泥中亲水性溶解有机物对膜污染的发生起到负面作用。然而，也有研究发现高疏水性絮状污泥同样会引起膜污染。
污泥的疏水性和表面电荷都与胞外聚合物的组成和性质以及丝状细菌生长指数有关，丝状细菌过量繁殖会产生大量，使电势下降，絮状污泥形状不规则，疏水性增强，导致严重的膜污染。
5、污泥颗粒大小
膜通量下降主要是由于2um左右的颗粒引起的。一般来说，颗粒尺寸越小，颗粒越易在膜面沉积，形成的沉积层也越致密，透水性越小，故颗粒尺寸过小将加剧膜污染。
6、污泥沉降指数SVI
尽管对膜污染没有直接影响，但污泥沉降指数（SVI）能够反映出混合液中的有机物质的沉降性。
目前不能沉降的有机物质，如胶体，溶解有机物，被普遍认为是膜的主要污染物质。

二、MBR过程的操作条件

操作条件直接或间接影响着膜污染和污泥的性质和组成。
7、污泥停留时间（SRT）
实际结果表明，增加SRT可以减少SMP和EPS的产生，膜污染率也会随之降低。
但是，过长的SRT会使污泥浓度过高，也会带来过高的粘度并影响到传质和反应器的流体力学，导致更严重的膜污染。一般城市污水处理中膜生物反应器的SRT为5-20天。 
8、水力停留时间（HRT）
虽然HRT对膜污染没有直接影响，但是短HRT会给微生物提供更多的营养物质，而使微生物快速生长，导致MLSS浓度升高，并且使通量增加，从而会增大膜污染发生的可能。
9、温度和pH
对比不同季节温度不难发现，低温期可逆污染更加严重，高温期不可逆污染发展更迅速。
MBR运行pH范围一般是6-9，范围之外，反应器中的硝化细菌会迅速减少，导致硝化作用受到抑制。当pH值高于其临界值时，膜污染迅速，而当温度升高时，最大允许pH值就会降低。
10、溶解氧（DO）
低浓度溶解氧会使细胞疏水性降低，而引起污泥絮体分解，当DO低于1mg/l时，SMP含量急剧升高 。溶解氧也会影响EPS和SMP中成分组成，在高溶解氧MBR体系中，蛋白和多 聚糖的比率也会升高，并且微生物群落组成会非常不同。
11、膜通量
对于所有膜过程，通量的升高都会引起膜污染的加剧。
在通量的选择与膜面积最小化，反冲洗和化学清洗时间间隔最小化之间取得平衡，也直接影响着运行成本。 
12、错流速率和曝气
在分体式膜生物反应器中，错流速率（CFV）是快速改变膜透过性的方法之一。
在高浓度和小孔径膜的系统中，CFV的增大可以缓解污染物在膜表面沉积。
但对于混合液颗粒物相对较大的情况下，CFV的增强对通量升高没有甚至相反的作用。
浸没式MBR工艺中曝气起到非常重要的作用：a、通过曝气提供溶解氧，供污泥中的微生物正常生长代谢；b、起到搅拌作用，使污泥悬浮，在混合溶液中充分混合；c、使中空纤维膜组件膜丝疏松，并在膜表面产生剪切力，减少污染物在膜表面沉积，一定程度上防止膜污染的产生。
三、膜的性质与膜组件结构
13、膜的孔径大小
小孔径膜，容易截留溶液中的污染物，在膜表面产生沉积层，使膜阻力增加。这类污染一般属于可逆污染，可以通过错流、反洗、曝气等物理方式去除，内部污染较小。
大孔径膜，在过滤初期膜孔堵塞较严重，随着表面动态膜的形成，截留作用开始提高。但是污染物易在膜孔表面和内部产生沉积和堵塞，形成不可逆污染甚至不可恢复污染，成为长期运行中造成膜性能下降，寿命减少的主要因素。
14、膜材料
针对厌氧MBR中不同膜材料的污染情况，研究表面在同样运行条件下，聚偏氟乙烯（PVDF）膜的污染趋势明显小于聚砜膜（PS）和纤维素膜。
值得一提的是，当活性污泥有机物组分中存在与膜材料相似的聚合物时，不可逆污染物的成分取决于膜材料。
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，但同时也增加了膜表面的挠动程度，阻碍了污染物在膜表面的沉积，因此粗糙度对膜通量的影响是两方面因素综合作用的结果。
16、亲疏水性
膜材料的憎水性对膜污染也有很重要的影响，比较了憎水性超滤膜和亲水性超滤膜，得出憎水性超滤膜膜面更容易吸附溶解性物质，表现出更大的易污染倾向。
目前，改变膜疏水性的方式大多是对膜材料进行改性。如改变孔径大小，膜表面粗糙程度，添加无机材料在膜表面形成动态预涂层等。

 

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如何控制MBR膜污染？
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1、临界通量运行 
目前，MBR工艺设计基本都采取恒通量运行，在尽量满足污水处理量要求的前提下，通过其他操作手段控制膜污染。
临界通量的概念与1995年首次提出，它的定义是在该通量以下，透膜压力不会随过滤时间的延长而增加，透膜压力和通量保持良好的线性关系。
临界通量的选择对运行有着重要作用，超过临界通量，污染就会发生，跨膜压差（TMP）随过滤时间的延长而增加，膜组件在临界通量以下运行可大大延缓膜污染。

2、曝气量以及曝气强度

一般来说，增强曝气强度有利于提高膜透过性，减少膜污染，长时间的低曝气下，污染物迅速沉积在膜表面。
然而，强曝气也会破坏污泥絮体。会改变污泥颗粒大小及分布，释放出更多的胶体和溶解有机物（EPS和SMP），而加剧膜污染。因此，水圈COD君建议找到最优曝气强度至关重要。
曝气强度对膜透过性的作用受多种因素影响，如混合液浓度、混合液粘度、运行通量等。有学者提出将曝气强度，跨膜压差（TMP）变化以及通量改变在一张图中做出，以此找到最优曝气强度。

                                                                                                          

                                                                                                     
                                               跨膜压差，曝气强度以及通量关系图

3、膜污染清洗方法的选择

膜污染清洗方法主要包括物理清洗和化学清洗。
物理清洗
物理清洗包括间歇运行和清水反洗。MBR运行过程中，反冲洗方法是去除可逆污染，延缓膜污染的有效途径。
如在中试浸没式MBR中研究了反洗对延缓膜污染的效果，发现在相同的通量下，低频率高强度反洗比高频率清洗更能有效降低膜污染。
值得一提的是，在间歇运行期间，膜表面的污染物由于重力作用而松散脱落，在曝气作用下，效果更加明显。因此，将间歇运行与反冲洗结合可以更有效缓解膜污染。
化学清洗
物理清洗无法阻止不可逆污染的发生，必须通过化学清洗手段来恢复通量。
化学清洗包括维护清洗和强力（恢复）清洗。目前常用的清洗剂有NaClO溶液，用于去除有机污染物，柠檬酸，用于去除无机污染物等。
众所周知，MBR供应商都有自己的强力清洗配方，主要区别是清洗剂浓度和清洗方法。
以MBR供应商Z公司为例，

 

                                                                                           

 

4、吸附剂的添加
在MBR中，混合液的成分非常复杂。为改善混合液特性，应用最多的就是向反应器内投加粉末活性炭PAC形成生物活性炭。
某实验比较了三个不同PAC投加量（0、0.75、1.5g/l）对膜生物反应器膜污染的影响。
结果表明膜表面污染层随PAC剂量的增加而减少， 然而不可逆污染在剂量为0.75g/l时降到最低，0和1.5g/l时不可逆污染阻力相差不大。
不难发现，活性炭都有其吸附容量，在运行过程中很快会达到吸附饱和，不但不能缓解膜污染，甚至起到加剧作用。
因此，在MBR运行中，应定期排泥，添加新鲜PAC才能有效改善MBR运行效果。
与此同时，为了节约运行成本，可尝试使用低投加浓度PAC来改善MBR运行效果。结果显示，在长SRT高HRT运行条件下，低PAC投加量可以改善运行效果，并且有效地节约了成本。（来源：水处理新视野）

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