Fouling membran: empat mekanisme dan penanganan masing-masing

Fouling membran adalah kehilangan permeabilitas, bukan satu jenis endapan

Fouling membran dalam pengolahan air limbah adalah penumpukan bahan di permukaan membran atau di dalam porinya, dan diukur sebagai biaya berupa tekanan. Jalankan membran pada debit permeat tetap dan tekanan transmembran (TMP) akan naik; jalankan pada tekanan tetap dan debitnya menurun. Fouling membran MBR dan fouling rangkaian ultrafiltrasi adalah fenomena yang sama pada membran yang berbeda, dan yang menentukan pada keduanya adalah laju pergerakan tekanannya, bukan tekanan itu sendiri.

Istilahnya menyiratkan satu jenis bahan, dan langkah pertama yang berguna adalah berhenti memperlakukannya sebagai satu hal. Mixed liquor yang mencapai membran membawa padatan tersuspensi, koloid, bahan organik terlarut, ion multivalen, dan komunitas mikroba yang hidup, dan salah satu di antaranya dapat mengendap pada meter persegi membran yang sama. Apa yang dilihat IPAL biasanya berupa kombinasi: lapisan kerak (cake) dan penyumbatan pori di permukaan, gel biopolimer yang teradsorpsi di atasnya, serta kerak mineral yang mengkristal di tempat konsentrasinya paling tinggi.

Kombinasi itu penting karena bentuk tren tekanan transmembran adalah sebuah diagnosis. Endapan yang terangkat oleh pencucian balik bukan endapan yang sama dengan endapan yang memerlukan perendaman hipoklorit, dan jawaban yang salah menghabiskan umur membran. Empat mekanisme di bawah ini adalah yang terus dirujuk oleh literatur dan pengalaman operasi.

Empat mekanisme fouling membran

Keempatnya saling tumpang tindih dalam waktu dan berbagi satu gejala. Masing-masing ditanggapi dengan tindakan yang berbeda, dan tindakan yang diarahkan pada mekanisme yang salah justru memperburuk endapan, bukan memperbaikinya.

Lapisan kerak (cake)

Lapisan kerak (cake) adalah endapan yang terbentuk di permukaan membran dari bahan yang terlalu besar untuk masuk ke pori: flok, koloid, serpihan sel, dan polimer yang dibawanya. Ia adalah yang paling umum dari keempatnya dan yang paling mudah ditangani, karena tertahan di permukaan, bukan di dalam pori. Kerak yang masih segar adalah yang dirancang untuk diangkat oleh relaksasi, pencucian balik, atau gaya geser dari penggosokan udara (air scour). Kerak yang dibiarkan memadat, lalu menumbuhkan biofilm di atasnya, berhenti berperilaku sebagai endapan lepas dan mulai berperilaku sebagai membran kedua dengan hambatan yang tidak diketahui.

Penyumbatan pori

Penyumbatan pori terjadi ketika partikel yang cukup kecil untuk masuk ke pori benar-benar masuk, lalu menyempitkannya atau menutupnya. Uraian klasiknya membaginya menjadi penyumbatan lengkap, ketika sebuah partikel menutup mulut pori, dan penyumbatan standar, ketika bahan mengendap di dinding pori dan menyempitkannya. Inilah mekanisme di balik bagian tercepat dari kurva tekanan: kenaikan tajam pada jam atau hari pertama setelah membran dicuci atau dioperasikan pertama kali, lalu kemiringan yang jauh lebih datar begitu pori yang dapat dijangkau sudah terisi. Hanya sebagian dari kenaikan itu yang kembali dengan pencucian fisik, sehingga kenaikan awal yang tidak dipulihkan oleh pencucian balik layak dicatat alih-alih diabaikan.

Adsorpsi organik dan lapisan gel

Bahan organik terlarut — produk mikroba terlarut dan substansi polimer ekstraseluler (EPS) yang dihasilkan proses biologis — teradsorpsi langsung ke bahan membran dan membentuk gel di antarmuka. Ini peristiwa kimia permukaan, bukan peristiwa penyaringan: molekulnya jauh lebih kecil daripada pori, dan ia tetap datang entah padatan tertahan atau tidak. Gelnya tipis, padat, dan tahan lama, dan inilah mekanisme yang paling sering bertanggung jawab atas fouling yang tidak dapat disentuh pencucian fisik tetapi dapat disentuh pencucian kimia. Ia disuplai oleh biologinya: umur lumpur yang panjang, konsentrasi mixed liquor yang tinggi, dan rasio makanan terhadap mikroorganisme yang rendah semuanya mendorong produk mikroba terlarut masuk ke air yang harus dilewati membran, sehingga perubahan pada titik operasi biologis muncul lebih dulu di membran.

Pengerakan anorganik dan biofouling

Fouling anorganik adalah pengendapan. Kalsium karbonat, kalsium sulfat, struvit, serta oksida dan hidroksida besi, mangan, dan aluminium mengkristal di membran di tempat konsentrasi dan pH membuatnya tidak larut, dan kedatangannya membawa tanda yang tidak dimiliki ketiga mekanisme lain: lonjakan mendadak, tanpa pemulihan dari pencucian fisik, dan kimianya sendiri. Biofouling adalah bagian yang biasanya dilipat ke dalam kelompok ini alih-alih didaftarkan di sampingnya, karena biofilm adalah komunitas yang tertahan dalam matriks polimer ekstraseluler yang sama, sehingga ia mengikat bahan partikulat dan organik ke permukaan sementara asam dan alkali menyerang endapan mineral di sekitarnya. Di membran bioreaktor, biologinya bukan kontaminasi dari luar melainkan prosesnya sendiri, dan itulah sebabnya fouling membran bioreaktor berperilaku berbeda dari fouling pada rangkaian filtrasi yang sama sekali tidak menerima biologi.

Membaca keempat mekanisme dari kurva TMP

IPAL yang mencatat tekanan transmembran dan debit permeat menyimpan diagnosis di dalam catatannya, asalkan catatan itu dibaca sebagai bentuk, bukan sebagai angka. Empat bentuk yang berulang.

• Kenaikan yang mantap dan ditarik kembali oleh relaksasi atau pencucian balik menuju nilai awalnya adalah lapisan kerak yang berperilaku sebagai lapisan kerak. Ini sinyal pemeliharaan, bukan kegagalan, dan inilah sinyal yang dirancang untuk ditanggapi oleh siklus rutin.
• Kenaikan cepat pada jam atau hari pertama setelah pencucian, lalu mendatar sesudahnya, menunjuk pada penyumbatan pori. Semakin curam fase awalnya, semakin kecil partikel yang mencapai pori, dan semakin besar kebutuhan untuk memeriksa pra-pengolahan di depan membran.
• Kenaikan yang bertahan melewati setiap pencucian fisik, dan yang lebih buruk setelah periode umur lumpur tinggi atau konsentrasi mixed liquor tinggi, adalah gel yang teradsorpsi. Ia ditanggapi oleh kimia dan oleh titik operasi biologis secara bersamaan.
• Lonjakan mendadak pada titik di mana tidak ada hal lain yang berubah adalah pengerakan. Ia sering didahului oleh perubahan kimia umpan, penyimpangan pH, atau pencucian kimia yang memakai reagen yang tidak dapat melarutkan endapannya.

Satu bentuk lagi harus dipisahkan dari keempatnya, karena ia bukan fouling. Viskositas air naik saat mendingin — sekitar satu setengah kali lipat antara 25 °C dan 10 °C — dan hambatan terhadap aliran naik bersamanya, sehingga IPAL dengan fluks tetap memerlukan tekanan transmembran yang lebih tinggi untuk mempertahankan debit permeat yang sama pada musim dingin dibandingkan musim panas. Kenaikan musim dingin yang berbalik saat air menghangat, dan yang tidak menyisakan perubahan pada kemiringan pemulihan setelah pencucian, adalah suhu, bukan endapan. Penilaian tentang laju fouling harus didasarkan pada tekanan yang dikoreksi terhadap suhu.

Di mana fouling membran bioreaktor ditentukan sebelum membran melihatnya

Sebagian besar potensi fouling suatu aliran ditetapkan di hulu membran. Lima keputusan operasi membawa sebagian besar pengaruhnya.

• Penyaringan. Membran bioreaktor biasanya dilindungi oleh penyaringan halus, umumnya dikutip pada 1 sampai 3 mm, karena serat, rambut, dan pasir yang lolos dari penyaringan kasar akan mencapai membran dan tidak dapat disisihkan darinya oleh kimia apa pun.
• Umur lumpur dan konsentrasi mixed liquor. Umur lumpur yang lebih panjang menurunkan lumpur berlebih dan menaikkan fraksi organik terlarut; konsentrasi padatan tersuspensi mixed liquor yang lebih tinggi, umumnya dikutip 8 sampai 12 g/L untuk MBR terendam, menaikkan viskositas dan beban pada penggosokan udara. Melewati suatu titik, konsentrasi tambahan itu lebih banyak memakan biaya fouling daripada menghemat volume tangki.
• Aerasi di membran. Udara yang ditambahkan di bawah modul berfungsi untuk menggosok permukaan, bukan hanya memasok oksigen, dan IPAL yang menguranginya untuk menghemat energi akan menemukan penghematan itu pada tren tekanan transmembran beberapa minggu kemudian.
• Fluks. Beroperasi di bawah fluks kritis — fluks yang di atasnya laju fouling berhenti moderat dan mulai curam — adalah tuas tunggal terbesar atas pembentukan kerak.
• Suhu. Air dingin menaikkan viskositas, memperlambat kinetika biologis, dan mengubah komposisi apa yang diekskresikan biologinya, sehingga IPAL yang dirancang dari sampel musim panas dapat bertemu keempat mekanisme itu sekaligus pada musim dingin pertamanya.

Kisaran seperti yang dikutip di atas adalah yang biasanya diberikan dalam literatur dan pengalaman operasi, dan harus dibaca sebagai metode awal alih-alih spesifikasi, karena keseimbangan di antara semuanya milik air dan biologi IPAL yang bersangkutan.

Fouling reversibel dan ireversibel, serta laju yang menentukan

Perbedaan antara fouling reversibel dan ireversibel ditentukan oleh apa yang menyisihkan endapannya, bukan oleh bahan pembuatnya. Bahan yang disisihkan oleh relaksasi atau pencucian balik bersifat reversibel; bahan yang hanya kembali dengan pencucian kimia bersifat reversibel secara kimia; bahan yang tidak dipulihkan oleh pencucian apa pun bersifat ireversibel, dan ia menumpuk sampai membrannya diganti. Setiap pencucian memindahkan sebagian endapan dari kelompok kedua ke kelompok pertama, dan fraksi itulah ukuran apakah rezim pencuciannya bekerja.

Lajunya lebih menentukan daripada tingkatnya. IPAL yang mencatat permeabilitas setelah setiap pencucian dan memplot kemiringan di antaranya dapat membedakan laju fouling yang stabil dari yang makin cepat berbulan-bulan sebelum plafon tekanan tercapai, dan laju yang makin cepat adalah sinyal bahwa sesuatu di hulu telah berubah: buangan industri baru, saringan yang dilewati, atau umur lumpur yang bergeser. Membaca hanya tekanan absolutnya menunda diagnosis sampai titik di mana satu-satunya jawaban yang tersisa adalah pencucian pemulihan.

Apa yang harus dicatat agar diagnosisnya mungkin

• Tekanan transmembran dan debit permeat pada saat yang sama, agar permeabilitas dapat dihitung alih-alih diperkirakan.
• Suhu, agar koreksi viskositas dapat diterapkan sebelum kesimpulan apa pun diambil.
• Waktu dan hasil setiap relaksasi, pencucian balik, dan pencucian kimia, beserta permeabilitas yang dipulihkan oleh masing-masingnya.
• Padatan tersuspensi mixed liquor, umur lumpur, dan oksigen terlarut di tangki membran.
• Kekeruhan atau padatan tersuspensi permeat, yang memisahkan masalah membran dari masalah biologis.
• Setiap perubahan pada influen: buangan industri baru, beban musiman, saringan yang telah dilewati.

Dari diagnosis ke tugas membran

Keempat mekanisme inilah sebabnya biaya operasi IPAL membran sama-sama menjadi soal pemeliharaan dan soal desain. Artikel pendamping tentang bahan kimia dan frekuensi pembersihan membran mengambil tren tekanan yang diuraikan di sini dan mengubahnya menjadi rezim pencucian. Halaman peralatan MBR terintegrasi menguraikan bagaimana membran, biologi, dan penggosokan udara dikemas menjadi satu, dan fluks, siklus, serta kimia pencucian yang cocok untuk modul membran Anda dikonfirmasi dengan pabrik untuk modul membran dan air Anda alih-alih diasumsikan dari sebuah tabel.