水處理設(shè)備中膜的污染防治與清洗

一、水處理設(shè)備中膜污染物的類別

1、無機(jī)污染物

以壓力為驅(qū)動(dòng)的膜分離水處理設(shè)備系統(tǒng)中, 由于反滲透設(shè)備膜的截留作用, 在膜表面會(huì)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(duì)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(huì)在膜表面和孔內(nèi)形成沉淀或結(jié)垢。無機(jī)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。天水水處理廠家提醒您：在大多數(shù)情況下, 無機(jī)與有機(jī)污染物之間還存在著相互促進(jìn)的作用, 加劇膜的污染。

2、有機(jī)污染物

有機(jī)污染物主要為細(xì)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(tuán)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(rèn)為由于膜的截留作用, 混合液中的溶解性有機(jī)物會(huì)在膜表面積累, 并造成濃差極化現(xiàn)象。

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(jìn)行新陳代謝活動(dòng)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(xì)菌和有機(jī)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(jī)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(huì)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。

二、水處理設(shè)備中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(jī)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(duì)生物膜生長的影響、細(xì)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(jìn)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(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理是為了達(dá)到膜組件的進(jìn)水的標(biāo)準(zhǔn)(如反滲透膜要求進(jìn)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(yuǎn)離等電點(diǎn), 以減少形成凝膠層的趨勢。二價(jià)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(jià)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(jià)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(duì)原水紫外照射也可有效除去由有機(jī)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(dòng)流操作和鼓泡操作, 采用兩相流操作、離心操作、電超濾、振動(dòng)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。空氣噴射使濾餅膨松, 亦使通量增加, 極限氣速下通量可增加155%。

三、水處理設(shè)備中膜的清洗

1、物理清洗

1）等壓沖洗

適用于中空纖維組件。沖洗時(shí)首先降壓運(yùn)行, 關(guān)閉濾液出口并增加原水進(jìn)入速率, 此時(shí)中空纖維組件內(nèi)壓力隨之升高, 直至達(dá)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(shí)應(yīng)該考慮在較低的壓力下進(jìn)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(dòng)振蕩,抖落或沖掉中空纖維外表面附著的污染物。

4）負(fù)壓清洗

類似于反壓清洗原理, 清洗時(shí)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(dá)到清洗膜面及膜孔內(nèi)的污染物。

5）機(jī)械刮除

對(duì)管式組件可采用軟質(zhì)泡沫塑料球、海綿球, 對(duì)內(nèi)壓管膜進(jìn)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(duì)污染物進(jìn)行械性的去除。該法適用于以有機(jī)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(dòng), 通過在一定時(shí)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(duì)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(duì)去除污染物和其他沉積物是有效的?；瘜W(xué)清洗實(shí)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), 其成鹽的溶解度較硝酸和鹽酸小, 其反應(yīng)劇烈, 使用時(shí)有一定的危險(xiǎn)性;

b.鹽酸

常用的一種清洗用酸, 溶解能力強(qiáng), 廣泛用于去除SiO2 以外的無機(jī)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(duì)鋼材有腐蝕作用;

c.硝酸 

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(duì)低碳鋼有輕微的腐蝕;

d.檸檬酸

固體, 易處理、危險(xiǎn)小, 與堵塞物形成的鹽溶解度較大, 即使在堿性條件下, 對(duì)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(shí)間較長。

3）酶清洗劑

該類清洗劑對(duì)有機(jī)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(diǎn)是價(jià)格昂貴, 反應(yīng)速度慢, 需要長時(shí)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(shí)間。

5）消毒清洗劑

這類物質(zhì)一般具有較強(qiáng)的氧化能力, 在消毒的同時(shí), 能有效的去除膜污染物中的有機(jī)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(jī)污染物, 化學(xué)反應(yīng)速度快, 清洗所需的時(shí)間短。但其腐蝕性強(qiáng), 特別在低pH 的情況下, 對(duì)不銹鋼有明顯的腐蝕作用。當(dāng)清洗溫度較高時(shí), 其中溶解的lv氣會(huì)逸出, 對(duì)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?jǐn)?shù)為1.2%的水溶液對(duì)清除有機(jī)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(dòng)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(duì)膜本身及管路系統(tǒng)不能有腐蝕作用, 清洗速度快, 對(duì)膜表面及系統(tǒng)有消毒作用, 化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng), 無毒、安全, 對(duì)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(duì)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(duì)BSA 和乳清污染的聚砜超濾反滲透設(shè)備膜清洗非常有效。另外, 水處理廠家提醒：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。