膜污染現(xiàn)象在多孔膜中較為常見(jiàn), 發(fā)生污染的最直觀(guān)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(lái)描述污染的狀況。
一、污染物的類(lèi)別
1、無(wú)機(jī)污染物
以壓力為驅(qū)動(dòng)的膜分離系統(tǒng)中, 由于膜的截留作用, 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(lái)說(shuō), 當(dāng)離子的含量積超過(guò)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(wú)機(jī)類(lèi)污染物最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 最為常見(jiàn)。在大多數(shù)情況下, 無(wú)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(lèi)和多糖等大分子類(lèi)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(guò)濾阻力上升。
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(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(lèi)、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(lái)自非生物過(guò)程的膠體物質(zhì)有淤泥和黏土等無(wú)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(lèi)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)往往永久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(guò)程的膠體污染被歸類(lèi)到微生物污染。
二、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(lèi)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(shì)。二價(jià)離子, 如ca2+和mg2+等通過(guò)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(guò)離子交換以去除多價(jià)離子。化學(xué)過(guò)程還包括沉淀和絮凝, 或用專(zhuān)門(mén)的化學(xué)藥品抗污或殺菌。
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。
三、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(guò)側(cè)通過(guò)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(guò)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(lèi)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(guò)液逆流透過(guò)膜來(lái)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(guò)水力讓泡沫塑料球、海綿球反復(fù)經(jīng)過(guò)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(chǎng), 則帶電粒子或分子將沿電場(chǎng)方向移動(dòng), 通過(guò)在一定時(shí)間間隔內(nèi)施加電場(chǎng), 且在無(wú)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(lèi)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
最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(wú)機(jī)污垢和堵塞物, 且適用于低溫, 但清洗過(guò)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(zhǎng)。
3）酶清洗劑
該類(lèi)清洗劑對(duì)有機(jī)物特別是蛋白質(zhì)、油脂類(lèi)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(zhǎng)時(shí)間的浸漬。
4）表面活性劑
主要有陰離子、陽(yáng)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(lèi)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(guò)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), 其中溶解的氯氣會(huì)逸出, 對(duì)人的呼吸系統(tǒng)有害。
b.過(guò)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(wú)毒、安全, 對(duì)環(huán)境影響小, 成本低。
3、生物清洗
這類(lèi)方法又可分為兩類(lèi)：
一類(lèi)是使用清洗劑清洗, 此類(lèi)清洗劑具有生物活性;
另一類(lèi)則是將生物劑固定通過(guò)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(guò)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。
來(lái)源:環(huán)保工程師
