Загрязнение мембран: четыре механизма и что требует каждый

Загрязнение мембран — это потеря проницаемости, а не один отложившийся слой

Загрязнение мембран в очистке сточных вод — это накопление материала на поверхности мембраны или внутри её пор, и измеряется оно как цена в давлении. Ведите мембрану при постоянном расходе пермеата — и трансмембранное давление растёт; ведите её при постоянном давлении — и расход падает. Загрязнение мембран в MBR и загрязнение цепочки ультрафильтрации — одно и то же явление на разных мембранах, и в обоих случаях важно, с какой скоростью движется давление, а не само давление.

Слово предполагает один материал, и первый полезный шаг — перестать считать его одним. Иловая смесь, приходящая к мембране, несёт взвешенные вещества, коллоиды, растворённую органику, многовалентные ионы и живую микробную популяцию, и любое из этого может осесть на том же квадратном метре мембраны. Обычно станция видит комбинацию: слой кека и блокирование пор у поверхности, адсорбированный гель из биополимеров поверх него и минеральное отложение, кристаллизующееся там, где концентрация наибольшая.

Комбинация важна, потому что форма тренда трансмембранного давления — это диагноз. Отложение, которое снимает обратная промывка, — не то же самое, что отложение, которому нужно замачивание в гипохлорите, и неверный ответ расходует ресурс мембраны. Четыре механизма ниже — те, к которым постоянно возвращаются литература и опыт эксплуатации.

Четыре механизма загрязнения мембран

Четыре механизма перекрываются во времени и имеют один общий симптом. На каждый отвечает своё действие, и действие, направленное не на тот механизм, делает отложение хуже, а не лучше.

Слой кека

Слой кека — это отложение, которое нарастает на поверхности мембраны из материала, слишком крупного, чтобы войти в поры: хлопьев, коллоидов, обломков клеток и переносимых ими полимеров. Это самый распространённый из четырёх и самый податливый, потому что он удерживается на поверхности, а не внутри поры. Свежий кек — то, что призваны снимать релаксация, обратная промывка или сдвиг от аэрационной продувки. Кек, которому дали уплотниться, а затем нарастить на себе биоплёнку, перестаёт вести себя как рыхлое отложение и начинает вести себя как вторая мембрана с неизвестным сопротивлением.

Блокирование пор

Блокирование пор происходит, когда частицы, достаточно мелкие, чтобы войти в пору, входят в неё и либо сужают, либо закупоривают её. Классическое описание делит его на полное блокирование, когда частица закупоривает устье поры, и стандартное блокирование, когда материал осаждается на стенке поры и сужает её. Это механизм, стоящий за самой быстрой частью кривой давления: резкий подъём в первые часы или сутки после очистки или пуска мембраны, а затем гораздо более пологий наклон, как только доступные поры заняты. Лишь часть этого подъёма возвращается физической очисткой, поэтому ранний подъём, который не снимает обратная промывка, стоит записывать, а не отбрасывать.

Органическая адсорбция и гелевый слой

Растворённая органика — растворимые микробные продукты и внеклеточные полимерные вещества, которые производит биологический процесс, — адсорбируется непосредственно на материал мембраны и образует гель на границе раздела. Это событие поверхностной химии, а не просеивания: молекулы намного меньше пор и приходят независимо от того, задерживаются ли твёрдые частицы. Гель тонкий, плотный и стойкий, и именно этот механизм чаще всего отвечает за загрязнение, до которого не добраться физической очисткой, но можно химической. Его питает биология: большой возраст ила, высокая концентрация иловой смеси и низкое соотношение питания и микроорганизмов вытесняют растворимые микробные продукты в воду, которую мембране приходится пропускать, поэтому изменение биологической рабочей точки проявляется сначала на мембране.

Неорганическое солеотложение и биообрастание

Неорганическое загрязнение — это осаждение. Карбонат кальция, сульфат кальция, струвит и оксиды и гидроксиды железа, марганца и алюминия кристаллизуются на мембране там, где концентрация и pH делают их нерастворимыми, и приходят со следом, которого нет ни у одного из трёх других: внезапная ступенька, отсутствие восстановления физической очисткой и собственная химия. Биообрастание — та часть, которую обычно включают в эту группу, а не перечисляют рядом, потому что биоплёнка есть сообщество, удерживаемое в матрице из тех же внеклеточных полимеров, так что она связывает твёрдый и органический материал с поверхностью, пока кислота и щёлочь атакуют минеральное отложение вокруг неё. В мембранном биореакторе биология — не загрязнение извне, а сам процесс, и именно поэтому загрязнение мембранного биореактора ведёт себя иначе, чем загрязнение цепочки фильтрации, в которую биология не поступает вовсе.

Как читать четыре механизма по кривой трансмембранного давления

Станция, которая записывает трансмембранное давление и расход пермеата, имеет диагноз в журнале, при условии что журнал читают как форму, а не как число. Повторяются четыре формы.

• Ровный подъём, который релаксация или обратная промывка возвращает к исходному значению, — это слой кека, ведущий себя как слой кека. Это сигнал обслуживания, а не отказ, и именно на него рассчитан штатный цикл.
• Быстрый подъём в первые часы или сутки после очистки, выравнивающийся затем, указывает на блокирование пор. Чем круче эта ранняя фаза, тем мельче частицы, достигающие пор, и тем больше нужно присмотреться к предварительной обработке перед мембраной.
• Подъём, который переживает любую физическую очистку и усиливается после периода большого возраста ила или высокой концентрации иловой смеси, — это адсорбированный гель. На него отвечают химией и биологической рабочей точкой вместе.
• Внезапная ступенька там, где больше ничего не изменилось, — это солеотложение. Часто ей предшествует изменение химии исходного стока, выход pH за пределы или химическая очистка, в которой применили реагент, в котором отложение не растворяется.

Ещё одну форму нужно отделить от всех четырёх, потому что это не загрязнение. Вязкость воды растёт при охлаждении — примерно в полтора раза между 25 °C и 10 °C, — и сопротивление потоку растёт вместе с ней, поэтому станции с постоянным потоком зимой нужно более высокое трансмембранное давление, чтобы удержать тот же расход пермеата, чем летом. Зимний подъём, который обращается вспять по мере прогрева воды и не оставляет изменения в наклоне восстановления после очистки, — это температура, а не отложение. Суждения о скорости загрязнения должны опираться на давление, приведённое к температуре.

Где загрязнение мембранного биореактора решается до того, как его увидит мембрана

Большая часть потенциала загрязнения потока фиксируется выше мембраны. Пять эксплуатационных решений дают основную часть эффекта.

• Решётка. Мембранный биореактор обычно защищён тонкой решёткой, которую принято указывать как 1–3 мм, потому что волокна, волосы и песок, проходящие грубую решётку, достигают мембраны, и никакая химия не удалит их оттуда.
• Возраст ила и концентрация иловой смеси. Больший возраст ила снижает выход избыточного ила и повышает растворимую органическую фракцию; более высокая концентрация взвешенных веществ иловой смеси, которую для погружного MBR принято указывать как 8–12 г/л, повышает вязкость и нагрузку на аэрационную продувку. После определённого предела дополнительная концентрация обходится дороже в загрязнении, чем экономит в объёме резервуара.
• Аэрация у мембраны. Воздух, подаваемый под модули, нужен для продувки поверхности, а не только для подачи кислорода, и станция, которая урезает его ради экономии энергии, обнаруживает эту экономию в тренде трансмембранного давления через несколько недель.
• Поток. Работа ниже критического потока — потока, выше которого скорость загрязнения перестаёт быть умеренной и становится крутой, — самый крупный отдельный рычаг для образования кека.
• Температура. Холодная вода повышает вязкость, замедляет биологическую кинетику и меняет состав того, что выделяет биология, поэтому станция, рассчитанная по пробе тёплого сезона, может встретить все четыре механизма сразу в первую же зиму.

Диапазоны такого рода — те, что обычно приводят литература и опыт эксплуатации, и читать их следует как отправный метод, а не как спецификацию, потому что баланс между ними принадлежит воде и биологии конкретной станции.

Обратимое и необратимое загрязнение и скорость, которая важна

Различие между обратимым и необратимым загрязнением определяется тем, что снимает отложение, а не тем, из чего оно состоит. Материал, который снимает релаксация или обратная промывка, обратим; материал, который возвращается только химической очисткой, химически обратим; материал, который не возвращает никакая очистка, необратим, и он накапливается, пока мембрану не заменят. Каждая очистка переводит некоторую долю отложения из второй группы в первую, и эта доля — мера того, работает ли режим очистки.

Скорость важнее уровня. Станция, которая записывает проницаемость после каждой очистки и строит наклон между ними, может отличить стабильную скорость загрязнения от ускоряющейся за месяцы до достижения потолка давления, а ускоряющаяся скорость — сигнал, что выше по потоку что-то изменилось: новый промышленный сброс, решётка в обход, ушедший возраст ила. Чтение только абсолютного давления откладывает диагноз до той точки, где единственный оставшийся ответ — восстановительная очистка.

Что записывать, чтобы диагноз был возможен

• Трансмембранное давление и расход пермеата в один и тот же момент, чтобы проницаемость можно было рассчитать, а не оценить.
• Температуру, чтобы поправку на вязкость можно было применить до того, как сделан любой вывод.
• Время и результат каждой релаксации, обратной промывки и химической очистки с проницаемостью, восстановленной каждой из них.
• Взвешенные вещества иловой смеси, возраст ила и растворённый кислород в мембранном резервуаре.
• Мутность или взвешенные вещества пермеата, которые отделяют мембранную проблему от биологической.
• Каждое изменение исходного стока: новый промышленный сброс, сезонную нагрузку, решётку, пущенную в обход.

От диагноза к задаче мембраны

Четыре механизма — причина того, что эксплуатационные затраты мембранной станции в такой же мере вопрос обслуживания, как и вопрос проектирования. Парная статья о реагентах и периодичности промывки мембран берёт описанный здесь тренд давления и превращает его в режим очистки. Страница интегрированного оборудования MBR показывает, как мембрана, биология и аэрационная продувка собраны вместе, а поток, цикл и химия очистки, подходящие вашему мембранному модулю, подтверждаются с заводом для вашего мембранного модуля и вашей воды, а не берутся из таблицы.