北極星環(huán)保網(wǎng)訊:膜污染是影響膜技術(shù)實際應用的關(guān)鍵問題。國內(nèi)外關(guān)于MBR 用于污水處理時的膜污染的報道較多, 但其用于給水處理時的相關(guān)研究還較少。由于MBR 用于源水處理時, 與膜接觸的懸浮物質(zhì)、有機物等的組成、濃度和性質(zhì)都與MBR 用于污水處理時的情形不同, 運行操作條件也有所不同, 因此膜污染特征也不盡相同, 有必要考察MBR 在凈水工藝中的膜污染特征及清洗。

1 試驗裝置與方法

1.1 工藝流程：一體式MBR 的工藝流程見參考文獻。微濾膜采用聚乙烯中空纖維膜, 孔徑為0 .1 μm , 膜面積為0 .2 m2 。

采用人工配制的微污染源水進行試驗。源水由進水泵打入MBR, 混合液在抽吸泵的作用下形成過濾出水。膜組件采用間歇方式運行, 抽吸時間和停抽時間分別為15 min 和2 .5 min 。設置在膜組件下的穿孔管連續(xù)曝氣以提供生物反應所需的氧氣, 并同時清除膜表面的部分污染物。

生物反應器按懸浮生長型和附著生長型(分別投加塊狀填料和PAC)運行。懸浮生長型MBR 連續(xù)運行約4 個月、塊狀填料-MBR(塊狀填料投量為10 %, 體積比)和PAC -MBR(PAC 投量為2 000mg/L)連續(xù)運行20 多天后, 將污染膜組件取出, 進行膜污染分析及清洗。

1.2 膜面污染特征分析：從污染后的膜組件截取一段污染膜絲, 干燥后噴鍍金膜, 采用掃描電鏡(HITACHI , S -570)對污染膜的內(nèi)、外表面進行了觀察。

1.3 膜污染清洗方法：采用的物理清洗方法有清水過濾和連續(xù)曝氣清洗, 化學清洗方法包括鹽酸酸洗和次氯酸鈉堿洗。試驗中發(fā)現(xiàn)MBR 中的膜污染與混凝—微濾膜組合工藝(C -MF)相比, 粘性較大, 兩種常規(guī)物理清洗方法效果較差(尤其是對附著生長型MBR膜污染的清洗), 因此采用超聲波對膜進行了清洗。

1.4 對膜清洗效果的評價：采用膜比通量K =J/ P(即單位過濾壓差下的膜通量值)來表征膜過濾性能的高低。清洗后通過清水通量試驗采用歸一化膜比通量(定義為K /K 0)來表征膜通透性能的恢復, 其中K 0 為新膜的膜比通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜面污染特征：懸浮生長型MBR 、塊狀填料-MBR 和PAC -MBR連續(xù)運行后的污染膜外、內(nèi)表面的電鏡照片分別如圖1 、2 所示。

由圖1 可見, 懸浮生長型MBR 的污染膜外表面為一層較厚濾餅層覆蓋, 顆粒物質(zhì)、懸浮物質(zhì)和微生物相互粘連、沉積在膜絲外表面, 微生物以球菌居多, 彼此之間有較多菌絲、細絲相連。經(jīng)曝氣清洗后可見濾餅層下為一粘性凝膠層。投加塊狀填料和PAC 的MBR 中的污染膜外表面附著的微生物較懸浮生長型MBR 少, 這是因為在附著生長型MBR 內(nèi)微生物以附著態(tài)為主。塊狀填料-MBR 的膜外表面為一層粘性的較薄污染層覆蓋,顆粒物質(zhì)少, 推測是由大分子有機物為主的物質(zhì)在膜表面吸附而形成的凝膠污染層。PAC -MBR 的膜外表面粗糙, 也被一層粘性凝膠層覆蓋;與前兩者不同, 其污染層上沉積、附著有許多片狀、粒狀的較大塊狀物, 推測可能是PAC 碎顆粒, 此外還有許多形狀規(guī)則、有棱角的方形污染物, 可能是無機結(jié)垢物質(zhì)。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡及X 射線能譜儀(FSEM -EDS)對上述特征污染物進行了成分分析, 結(jié)果表明這些特征污染物是無機垢體,主要含Ca , 其次是Mg , 推測結(jié)垢物質(zhì)以CaCO3 為主。

由圖2 可知, 懸浮生長型MBR 的膜內(nèi)表面無明顯污染, 同樣發(fā)現(xiàn)塊狀填料-MBR 和PAC -MBR 中膜內(nèi)表面也均無明顯污染, 這與膜直接過濾和C -MF工藝中膜內(nèi)表面以微生物為主的污染特征顯著不同。推測可能因為MBR對生物可利用的有機物去除率較高, 從而減少了能到達膜組件內(nèi)部、可供微生物生長的養(yǎng)料, 使膜絲內(nèi)表面出現(xiàn)微生物污染的可能性減少。

2.2 膜污染的清洗

2.2.1 懸浮生長型MBR：對污染膜按如下步驟清洗:清水過濾、連續(xù)曝氣、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗, 并通過SEM 觀察每步清洗后膜外表面形貌的變化(見圖3)。

由圖3 可見, 物理清洗(清水過濾和曝氣清洗)后膜外表面濾餅層大部分脫落, 且膜絲外表面沿軸向兩側(cè)的形貌明顯不同[ 圖3(a)上半部分分別對形貌不同的兩側(cè)進行了放大] 。由于一體式MBR 在膜過濾和曝氣清洗過程中, 沿膜絲軸所處不同方向的膜絲各部分受力不同, 因此會造成膜絲表面(沿軸不同方向)的膜污染分布不均。從圖3(a)較清潔一側(cè)膜絲的照片來看, 物理清洗后膜表面仍分布有一層較薄的粘性凝膠層。次氯酸鈉堿洗后[圖3(b)] , 膜絲大部分已清洗干凈, 膜孔清晰可見, 僅留有一些點狀污染物,清洗效果顯著。膜外表面仍有(沿軸不同方向)清洗效果不同的現(xiàn)象。經(jīng)鹽酸酸洗后[ 圖3(c)] , 膜絲表面殘留的污染物進一步減少。通過清水通量試驗評價了經(jīng)各步驟清洗后的膜過濾性能的恢復情況(如圖4 所示)。

由圖4 可見, 連續(xù)運行后膜組件污染較為嚴重,膜比通量已降到新膜的5 %以下。清水過濾和曝氣清洗對膜過濾性能的恢復作用較小, 說明物理清洗所清除的沉積于膜表面的由顆粒物、微生物體和懸浮物質(zhì)所組成的濾餅層污染并不是造成膜阻力的主要因素。堿洗后膜比通量幾乎完全恢復, 說明凝膠層污染、有機污染是造成膜污染的主要原因。由于堿洗已使膜過濾性能完全恢復, 故酸洗后的膜過濾性能與洗前相差不大。

2.2.2 塊狀填料-MBR：對塊狀填料-MBR 中的污染膜進行清洗時,發(fā)現(xiàn)污染層粘性較大, 常規(guī)物理清洗效果不明顯, 因此采用了以下兩組清洗方法。清洗步驟如下:**組,高壓水沖洗(5 min)、曝氣清洗、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗;第二組, 曝氣清洗、超聲波清洗(30 min)、次氯酸鈉堿洗和鹽酸清洗。兩組清洗方法對膜過濾性能的恢復情況如圖5 所示。

從圖5 可以看出, 高壓水沖洗和曝氣清洗均對膜過濾性能的恢復作用較小, 而超聲波清洗作用較顯著, 可使膜比通量恢復約30 %。將兩組試驗進行比較, 發(fā)現(xiàn)超聲波清洗后再堿洗對膜過濾性能的恢復作用較弱, 說明超聲波可代替部分堿洗來清除膜面污染層中難為常規(guī)物理清洗所清除的污染物。另一方面, 采用超聲波清洗后, 清洗總效果提高了10 %～ 15 %。

2.2.3 PAC -MBR：根據(jù)上述試驗結(jié)果, 采用超聲波清洗(120 min)※次氯酸鈉堿洗※鹽酸酸洗※超聲波化學清洗的步驟對PAC -MBR 工藝中污染的膜進行清洗。經(jīng)各步驟清洗后對膜過濾性能的恢復效果如圖6 所示。

經(jīng)超聲波清洗后K/ K0 恢復到30 %。繼續(xù)進行次氯酸鈉堿洗和鹽酸酸洗, 對膜過濾性能的恢復有較大作用, 但膜過濾性能并未完全恢復。進一步將化學清洗與超聲波相結(jié)合(稱為超聲波化學清洗)進行清洗(時間為2 h), 膜過濾性能在常規(guī)化學清洗基礎上繼續(xù)提高約20 %, 說明借助超聲波在清洗液中所起的擾動作用, 能使化學清洗劑發(fā)揮更大的清洗作用, 且所需時間縮短。

2.3 化學洗脫液成分：物理清洗將膜表面沉積的濾餅層清除后, 化學清洗的對象主要是膜表面的凝膠層、吸附層和水垢層。以懸浮生長型MBR 為例, 分析了化學清洗(堿洗和酸洗)洗脫液中的有機和無機成分(如表1 所示),

以深入了解膜表面污染物質(zhì)的性質(zhì)由表1 可見, 堿洗可有效地清除微生物和有機污染物, 酸洗可清除無機污染物, 無機成分以Ca

元素為主。將MBR 化學洗脫液的污染物成分與C -MF工藝的結(jié)果 進行了比較。與C -MF 工藝相比,MBR 中膜表面的有機污染物含量較高, 可能與MBR 內(nèi)微生物的代謝產(chǎn)物有關(guān);Ca 元素含量較低,腐殖質(zhì)組分略高, 可能因為在C -MF 工藝中腐殖質(zhì)組分易與混凝劑作用形成礬花而被去除。將化學洗脫液的pH 值調(diào)至7 , 用濾膜過濾法測定了溶解性有機污染物的表觀分子質(zhì)量分布(以TOC 為評價指標), 并與C -MF 工藝進行了比較(如圖7 所示)

由圖7 看出, 兩種工藝條件下膜面有機污染物均以小分子有機物為主, 表觀分子質(zhì)量<1 000 u 的占多數(shù)。與C -MF 化學洗脫液的表觀分子質(zhì)量分布相比, MBR 洗脫液中出現(xiàn)了較多的大分子有機污染物, 推測與反應器內(nèi)微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)。

3 結(jié)論：①MBR 型式不同, 膜外表面也表現(xiàn)出不同的污染特征。懸浮生長型MBR 膜表面濾餅層較厚、附著微生物較多, 而附著生長型MBR膜表面為粘性凝膠層所覆蓋。各種MBR 的膜內(nèi)表面基本無污染。②對懸浮生長型MBR 的污染膜, 物理清洗可使濾餅層大部分脫落, 但對膜過濾性能的恢復效果較差;堿洗對膜過濾性能的恢復作用顯著, 有機污染對膜阻力的“貢獻”**大。③附著生長型MBR 的污染膜表面粘性較大, 常規(guī)物理清洗效果差。采用超聲波清洗能使膜通透性恢復約30 %, 與超聲波結(jié)合的化學清洗效果優(yōu)于常規(guī)化學清洗。④MBR 中的膜污染與C -MF 相比,有機污染物含量較高, Ca 元素含量較低, 腐殖質(zhì)組分含量略高。兩種工藝條件下膜面溶解性有機污染物均以小分子物質(zhì)為主, MBR 洗脫液中大分子有機污染物較C -MF 增多, 推測與反應器內(nèi)微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)。