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膜污染防治與清洗指導(dǎo)手冊完整版

污染現(xiàn)象在多孔膜中較為常見, 發(fā)生污染的直觀表現(xiàn)就是通量的持續(xù)降低, 一般用通量下降的程度以及污染物的質(zhì)量來描述污染的狀況。

污染物的類別

1、無機污染物

       以壓力為驅(qū)動的膜分離系統(tǒng)中, 由于膜的截留作用, 在膜表面會發(fā)生體系中組分的濃縮, 導(dǎo)致濃差極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。對于可溶性的組分來說, 當(dāng)離子的含量積超過其溶解度后就會在膜表面和孔內(nèi)形成沉淀或結(jié)垢。無機類污染物主要的是鈣和鋇等的硫酸鹽和碳酸鹽所形成所謂的水垢層, 其中以CaCO3 和CaSO4 為常見。在大多數(shù)情況下, 無機與有機污染物之間還存在著相互促進的作用, 加劇膜的污染。

2、有機污染物

        有機污染物主要為細菌胞外聚合物( EPS) , 蛋白質(zhì)、多肽、脂肪類和多糖等大分子類的物質(zhì), 其中含有活性基團的大分子物質(zhì)可能與金屬離子Ca2+,Mg2+和Ba2+等相互作用在膜的表面形成凝膠層, 從而可使膜的通量下降或膜的過濾阻力上升。YasutoshiS 等認為由于膜的截留作用, 混合液中的溶解性有機物會在膜表面積累, 并造成濃差極化現(xiàn)象。

3、微生物污染物

         微生物污染主要是由微生物及其代謝產(chǎn)物組成的粘性物質(zhì)。膜的表面易吸附腐殖質(zhì)、聚糖脂和微生物進行新陳代謝活動的產(chǎn)物等大分子物質(zhì), 具備了微生物的生存條件, 極易形成一層生物膜, 因此造成膜的不可逆堵塞, 使水通量下降。

4、膠體污染

         藻類、細菌和有機物都可能處于膠體尺寸，這些膠體狀物質(zhì)有可能吸附于膜表 面引起污染。膠體物質(zhì)有不同的起源，它們產(chǎn)生的膜污染亦有很大差別。來自非生物過程的膠體物質(zhì)有淤泥和黏土等無機物，它們引起的水通量衰減往往源于濾餅層污染，它們一般不會熱力學(xué)不可逆地吸附在膜表面；積聚在膜表面的這些類型的膠體很容易為水力清洗(如反沖洗和空氣擦洗)所去除。微生物新陳代謝產(chǎn)生的膠體物質(zhì)往往*性吸附在膜表面從而引起不可逆的吸附性污染。源于微生物過程的膠體污染被歸類到微生物污染。

膜污染的影響因素及其防治

1、膜污染的影響因素

         膜本身的特性如膜孔徑及其分布、膜結(jié)構(gòu)、膜的物理特性、膜-溶質(zhì)-溶劑之間的相互作用；

         被處理的污水水質(zhì),特別是水中有機物的種類和濃度；

         操作條件如污泥泥齡、溶解氧濃度、膜面流速、溫度等；

         膜組件的特征尺寸,高度、曝氣系統(tǒng)布置等；

        其他因素如微生物種群之間的相互影響、膜本身對生物膜生長的影響、細菌胞外聚合物(EPS)的組成及濃度等。

2、膜污染的防治

1）膜表面改性

  膜表面的改性可分為物理改性和化學(xué)改性。

 物理改性包括共混和表面層。共混是將親水性高分子與成膜材料進行共混, 以改善膜的親水性; 表面涂層是指在膜表面上形成一層功能性預(yù)涂覆層, 防止膜材料與溶液中的組分發(fā)生吸附作用, 從而提高分離膜的抗污染性。

2）料液預(yù)處理

        對料液進行預(yù)處理是為了達到膜組件的進水的標(biāo)準(zhǔn)( 如反滲透膜要求進料污染指數(shù)SDI 小于5) 。預(yù)處理是指在原料液過濾前向其中加入一種或幾種物質(zhì), 使原料液的性質(zhì)或溶質(zhì)的特性發(fā)生變化。

預(yù)處理包括化學(xué)處理和物理處理。

        物理處理通常包括預(yù)過濾和離心, 以除去可能阻塞膜孔的懸浮顆粒; 化學(xué)處理則包括調(diào)節(jié)料液pH 值, 使大分子或膠質(zhì)污染物遠離等電點, 以減少形成凝膠層的趨勢。二價離子, 如Ca2+和Mg2+等通過在大分子鏈上架橋可以形成沉淀, 而一價離子相反卻可預(yù)防沉淀和污染。所以人們多通過離子交換以去除多價離子?；瘜W(xué)過程還包括沉淀和絮凝, 或用專門的化學(xué)藥品抗污或殺菌。Otaki 對原水紫外照射也可有效除去由有機微生物增長帶來的膜污染。

3、操作條件的優(yōu)化

        操作條件的優(yōu)化包括控制初始滲透通量, 反向放置微孔膜, 利用高分子溶液的流變特性及脈動流操作和鼓泡操作, 采用兩相流操作、離心操作、電超濾、振動膜組件和超聲波輻射等。例如Laborie 等人采用兩相流超濾技術(shù)在中空纖維超濾膜制飲用水中用連續(xù)切向空氣流, 使膜表面產(chǎn)生氣- 液兩相流, 可產(chǎn)生高剪切力和流體不穩(wěn)定性, 阻止顆粒物在膜表面上沉積, 即使在很低氣速下超濾通量也明顯提高?？諝鈬娚涫篂V餅膨松, 亦使通量增加, 極限氣速下通量可增加155%。

膜的清洗

1、物理清洗

1）等壓沖洗

        適用于中空纖維組件。沖洗時首先降壓運行, 關(guān)閉濾液出口并增加原水進入速率, 此時中空纖維組件內(nèi)壓力隨之升高, 直至達到中空纖維外側(cè)腔體操作壓力相等, 即膜兩側(cè)壓差為0, 這樣滯留于膜表面的溶質(zhì)分子懸浮于溶液中并隨濃縮液排出。

2）反沖洗

        指從膜的透過側(cè)通過液體沖洗, 將膜面污染物除去的方法。同時應(yīng)該考慮在較低的壓力下進行( 0.1 MPa 左右) , 以免引起膜破裂。

3）氣液混合振蕩清洗技術(shù)

        氣液振蕩清洗方法是在膜組件的內(nèi)腔鼓入壓縮空氣, 伴隨著反洗的透過液, 使中空纖維在空氣泡和水流的作用下晃動振蕩, 抖落或沖掉中空纖維外表面附著的污染物。

4）負壓清洗

         類似于反壓清洗原理, 清洗時使膜組件接在泵的吸程上, 造成膜的功能面壓力低于膜的另一面壓力, 從而使透過液逆流透過膜來達到清洗膜面及膜孔內(nèi)的污染物。

5）機械刮除

      對管式組件可采用軟質(zhì)泡沫塑料球、海綿球, 對內(nèi)壓管膜進行清洗, 在管內(nèi)通過水力讓泡沫塑料球、海綿球反復(fù)經(jīng)過膜表面, 對污染物進行械性的去除。該法適用于以有機膠體為污染成分的膜表面的清洗。

6）電清洗

         在膜上施加電場, 則帶電粒子或分子將沿電場方向移動, 通過在一定時間間隔內(nèi)施加電場, 且在無需中斷操作的情況下從界面上除去粒子或分子。清洗劑的選擇決定于污染物的類型和膜材料的性質(zhì)。在清洗方案的選擇中, 應(yīng)考慮以下因素: 清洗設(shè)備的要求, 膜的類型和清洗劑的相容性,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料, 污染物的鑒定, 對使用過的清洗液的排放條件及由此造成的影響。

2、化學(xué)清洗

         許多化學(xué)試劑對去除污染物和其他沉積物是有效的。化學(xué)清洗實際上涉及到所使用的化學(xué)藥劑和污垢、沉積物和腐蝕產(chǎn)物及影響通量速率和產(chǎn)水水質(zhì)的其他污染物的反應(yīng)。

1）堿性清洗劑

        常用的是氫氧化物和磷酸鹽等。其中氫氧化物是指在某種程度上能溶解SiO2, 皂化脂類和溶解蛋白質(zhì)的物質(zhì)。磷酸鹽呈弱堿性, 其清洗效果有限, 常被用作分散劑、溶解磷酸鹽、調(diào)節(jié)pH值、乳化脂類和膠溶蛋白等。

2）酸性清洗劑

a.硫酸

        可用于較寬的溫度范圍, 不揮發(fā), 其成鹽的溶解度較Xiao酸和鹽酸小, 其反應(yīng)劇烈, 使用時有一定的危險性;

b.鹽酸

        常用的一種清洗用酸, 溶解能力強, 廣泛用于去除SiO2 以外的無機污垢和堵塞物, 且適用于低溫, 但清洗過程中可能產(chǎn)生HCl 氣體對鋼材有腐蝕作用; 

c.Xiao酸

        反應(yīng)劇烈, 溶解度大, 可鈍化不銹鋼、鋁等, 應(yīng)用的范圍較硫酸、鹽酸更廣, 但對低碳鋼有輕微的腐蝕; 

d.檸檬酸

        固體, 易處理、危險小, 與堵塞物形成的鹽溶解度較大, 即使在堿性條件下, 對鐵離子的絡(luò)合力大, 也難以形成氫氧化物沉淀, 但常需在溫度80～100 ℃下使用, 且清洗所需的時間較長。

3）酶清洗劑

        該類清洗劑對有機物特別是蛋白質(zhì)、油脂類的污染物的清洗是有效的, 其缺點是價格昂貴, 反應(yīng)速度慢, 需要長時間的浸漬。

4）表面活性劑

       主要有陰離子、陽離子和非離子3 種表面活性劑。他們可以改善清洗劑和膜面沉積物的接觸, 減少水的用量, 縮短清洗所需的時間。

5）消毒清洗劑

         這類物質(zhì)一般具有較強的氧化能力, 在消毒的同時, 能有效的去除膜污染物中的有機成分, 使膜的通透能力得到較好的恢復(fù)。常用的有次氯酸鈉以及過氧化氫等。

a.次氯酸鈉

         能夠非常有效的去除有機污染物, 化學(xué)反應(yīng)速度快, 清洗所需的時間短。但其腐蝕性強, 特別在低pH 的情況下, 對不銹鋼有明顯的腐蝕作用。當(dāng)清洗溫度較高時, 其中溶解的氯Qi會逸出, 對人的呼吸系統(tǒng)有害。

b.過氧化氫

       是一種二元弱酸, 遇光、氧化物、還原物即分解, 產(chǎn)生大量的泡沫, 是一種較溫和的消毒殺菌劑。質(zhì)量分數(shù)為1.2%的水溶液對清除有機物質(zhì)所堵塞的微濾和超濾膜具有良好的效果。所選定的膜污染的清洗技術(shù)必須能夠有效的去除膜的污染物, 使膜的正常通透能力和分離性能得到較為明顯的恢復(fù)。

         理想的清洗劑應(yīng)該具備以下的特征： 能松動或溶解膜的污染物, 不能導(dǎo)致新的污染的產(chǎn)生或堵塞, 對膜本身及管路系統(tǒng)不能有腐蝕作用, 清洗速度快, 對膜表面及系統(tǒng)有消毒作用, 化學(xué)穩(wěn)定性強, 無毒、安全, 對環(huán)境影響小, 成本低。

3、生物清洗

         這類方法又可分為兩類： 一類是使用清洗劑清洗, 此類清洗劑具有生物活性;；另一類則是將生物劑固定通過特殊的方法固定在膜上, 使膜具有抗污染的能力。

         對含蛋白體系的混合物膜分離過程, 酶制劑清洗是一種非常有效的方法。采用酶制劑清洗可以切斷蛋白鏈, 而表面活性劑可與特定的蛋白鏈發(fā)生作用, 另外還可快速溶解小的松散的蛋白片段。因此, 先采用酶制劑清洗, 后采用表面活性劑清洗的方法對BSA 和乳清污染的聚砜超濾膜清洗非常有效。另外, 也可將2 種清洗劑復(fù)配成一種, 但必須考慮優(yōu)化, 即清洗劑之間不能發(fā)生相互作用。

PS：以平板膜膜組件的運行維護為例

1、日常檢查

         為了膜組件的穩(wěn)定運行，曝氣狀態(tài)及生物處理的穩(wěn)定尤其重要。需要實行以下的日常檢查。

1）跨膜壓差

         檢查跨膜壓差的穩(wěn)定性?？缒翰畹耐蝗簧仙砻髂ざ氯陌l(fā)生，這可能是不正常的曝氣狀態(tài)或污泥性質(zhì)的惡化導(dǎo)致的。這種情況發(fā)生時，檢查下列參數(shù)并采取必要的行動，例如膜組件的化學(xué)清洗。

2）曝氣狀態(tài)

         檢查曝氣空氣量是否為標(biāo)準(zhǔn)量、以及是否為均勻曝氣。發(fā)現(xiàn)曝氣空氣量異常、有明顯的曝氣不均一時，請進行必要的措施：如除去曝氣管的結(jié)垢，檢查安裝情況，檢查鼓風(fēng)機以及調(diào)整曝氣等。

2、膜的清洗

         平板膜的清洗為在線沖洗, 即無需將膜組件從膜池中提出, 直接在膜池內(nèi)清洗。

       清洗時, 一般采用次氯酸鈉 ( 濃度為 0. 5% ) 或 草酸 ( 濃度為 0. 5% ) 兩種藥液。清洗前, 首先關(guān)閉抽吸泵和鼓風(fēng)機。將藥液通過安裝在膜組件上部的進藥口重力自流進入膜片內(nèi)部中, 注入藥液的量要按照操作說明書給出的量進行控制, 一般清洗每片膜, 每種藥劑的用量為3L/5L左右。

        注入藥液后, 靜止浸泡1~3h左右, 然后用抽吸泵將藥液排出。如果確認有必要, 需再注入鹽酸或同等藥劑, 靜止浸泡1~3h左右,再用抽吸泵將藥液排出。整個清洗過程將持續(xù)4~5h。平板膜清洗后, 即可恢復(fù)膜通量。