投稿者: サニー・ウー(Kate@aquasust.com)
投稿日: 2022年6月13日
投稿タグ:なぜMBR膜は汚れやすく、オンライン逆洗は役に立たないのでしょうか?何ができるでしょうか？
MBRは二次沈殿槽の代わりに廃水処理に広く成熟して使用されており、廃水のSSと高い汚泥濃度を保証し、運転中の多くの廃水を節約できますが、膜汚染の問題も開発を悩ませています。そしてMBRの運用！したがって、これらの問題に対応して、膜汚染の根本原因を迅速に特定し、洗浄頻度を減らす方法として正確な攻撃を行うために、MBR オペレーターは正確に何をすべきでしょうか。
テーブルの内容:
1. 膜汚染とは何ですか?
2. 膜汚染にはどのような種類がありますか?
3. 膜汚染要因の影響。
一,膜汚染とは何ですか?
膜汚染とは、通常、混合物中の物質が膜表面（外側）および膜細孔内（内側）に吸着および凝集し、その結果、膜細孔の閉塞と気孔率の低下を引き起こし、膜の劣化を引き起こすプロセスを指します。流束と濾過圧力の増加。
膜ろ過では水分子や微細物質が膜を通過し続けますが、一部の物質は膜に保持されて膜の孔を塞いだり、膜表面に堆積したりして膜汚染を引き起こします。膜汚染は膜滞留によって引き起こされると言えます。膜汚染の直接的な現れは、膜流束の減少または動作圧力の増加です。
活性汚泥混合システム中に存在する栄養基質、細菌コロイド、微生物細胞、細胞破片、微生物代謝産物（EPS、SMP）、およびさまざまな有機および無機溶解物質はすべて膜汚染の原因となります。
膜汚染の進行は通常 3 つの段階に分けることができます (2- 段階の記述もあります)。
(1) 初期汚染：膜システムが稼働し始めた初期段階で発生し、膜表面が混合物中のコロイドや有機物と強く相互作用し、付着、帯電効果、汚染の形で汚染されます。膜孔の閉塞。千鳥流ろ過の条件下では、微細なバイオフロックや細胞外ポリマーが膜表面に付着する可能性がありますが、膜孔径よりも小さい物質は膜孔内に吸着し、濃縮、結晶沈殿、成長の影響により膜汚染を引き起こします。再生。
(2) 遅い汚染: 初期には、膜表面は滑らかで、大きな粒子は容易に付着しません。これは、主に、吸着橋、ネットトラップおよびその他の効果を通じて膜表面に吸着された EPS、SMP、バイオコロイドおよびその他の粘性物質によって、膜表面が形成されます。ゲル層を形成することで膜ろ過抵抗が緩やかに上昇し、混合物中の汚染物質の保持性能が向上します。ゲル層の汚染は避けられず、膜抵抗の緩やかな上昇の影響をもたらします。これは、定流量動作での TMP のゆっくりとした上昇と、定圧モードでの流束のゆっくりとした減衰として現れます。
(3) 急速な汚染：第 2 段階で形成されたゲル層は、連続的なろ過圧力差と透過水流の作用により汚染物質の堆積により徐々に緻密になり、膜汚染が量的から質的に変化し、膜中のフロックが発生します。混合物は膜表面に急速に蓄積し、スラッジフィルターケーキを形成し、膜間圧力差が急速に上昇します。
ゲル層の汚染は避けられず、膜抵抗の緩やかな上昇の影響をもたらします。これは、定流量動作での TMP のゆっくりとした上昇と、定圧モードでの流束のゆっくりとした減衰として現れます。膜表面に汚泥フロックが大量に堆積し、汚泥ケーキ層が形成されると、基本的にシステムは正常に稼働できなくなります。 MBR の操作および保守プロセスで考慮すべき主な考慮事項は、ゲル層の汚染を遅らせること (良好な水圧条件の維持、その場での洗浄、膜汚染の進行速度の制御、ゆっくりとした汚染の操作時間の延長) とスラッジの制御です。ケーキ層の汚染（急速な汚染）。
2,W膜汚染の種類は何ですか?
(1) 汚染物質の組成による分類
a.有機汚染
それは主に、混合物中の高分子有機物質（多糖類、タンパク質など）、フミン酸、微生物のフロック、細胞破片などに由来します。このうち、溶存有機物 SMP と EPS は膜汚染の 26%-52% を占めますが、MLSS ではその割合は非常に低いです。膜細孔内および膜表面での微生物の増殖と吸着も膜汚染の重要な要因です。
b.無機汚染
金属塩、無機塩のイオン架橋作用によって形成されます。膜の一般的な無機汚染は、主にカルシウム、マグネシウム、鉄、シリコンの炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩の汚れ物質であり、中でも炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、水酸化マグネシウムが多くなります。
(2) 汚染物質の性質による分類
可逆的汚染 (一時的汚染): 膜汚染を除去するための特定の水圧手段によって除去できます。清水による逆洗、曝気振とうなどの除去が可能です。
不可逆的汚染（長期汚染）：膜汚染を除去するための水力洗浄手段では除去できませんが、酸化剤、酸、アルカリ、還元剤などによる洗浄で除去できます。
可逆性と不可逆性、どちらも洗い流すことができます。洗浄手段を洗い流すことができないものを回復不能な汚染といいます。
(3) 汚染物質の発生場所による分類
混合物中の物質が膜の細孔内で吸着、濃縮、結晶化し、内部汚染が形成されることを内部汚染といいます。膜表面での凝集と堆積の形成は外部汚染と呼ばれます。
3,T膜汚染要因の影響
1. 汚泥混合特性
膜分離生物反応器における膜汚染物質の発生源は活性汚泥混合物であり、汚泥混合物による膜の汚染は非常に複雑です。
1)EPSとSMP
細胞外ポリマー (EPS) と溶解微生物生成物 (SMP) はどちらもほぼ同じ組成を持つ微生物の代謝産物であり、膜汚染に重要かつ複雑な影響を及ぼし、MBR プロセスにおける最も重要な汚染物質です。
EPS 濃度が高すぎると、混合物の粘度が上昇し、溶存酸素の拡散が促進されなくなり、汚泥系への酸素供給が困難になり、細菌コロイドの正常な生理活性に影響を及ぼし、膜濾過抵抗が増加します。一方、EPS 含有量が低すぎるとフロックの分解が発生し、MBR の動作に悪影響を及ぼします。
したがって、フロック構造を安定にし、膜汚染の高い傾向を引き起こさない最適な EPS 値が存在します。
ほとんどの SMP の分子量は 1 KDa 未満および 10 KDa を超え、低分子量の溶解有機物は膜を通過する間に膜の細孔を詰まらせる傾向があり、膜汚染を引き起こし、主要な残留有機物となることが判明しました。排水中の物質。
一方、SMP の特性と構成は、いくつかの動作パラメータにも影響されます。
一般に、MBR の膜への SMP 汚染の傾向は、MLSS が増加し、有機負荷が減少し、溶存酸素が増加すると減少します。
2)混合液中の懸濁物質のMLSS濃度
MLSS 濃度は混合物の粘度に直接影響します。間違った流量または通気強度が混合物に付着した固体を洗い流すのに十分でない場合、粘度の上昇が MLSS の上昇によって引き起こされる混合物のろ過性能の低下の主な原因です。膜の表面はすぐに汚染層の生成を引き起こします。
3) 粘度
混合液の粘度はMLSSに影響されます。 MLSS 濃度が臨界値より高い場合、固形分濃度の増加に伴って粘度は指数関数的に増加します。
中空糸 MBR では、混合物の粘度が反応器内の気泡のサイズと繊維膜の柔軟性に影響します。さらに、粘度の増加により溶存酸素の DO 移動効率が低下し、溶存酸素濃度が低いと膜汚染の傾向が増加します。
4) 汚泥の親疎水性
多くの研究の結果、汚泥中の親水性溶解有機物が膜汚染の発生に悪影響を与えることが示されています。しかし、疎水性の高い凝集汚泥も膜汚染を引き起こす可能性があることも判明しています。
汚泥の疎水性と表面電荷は両方とも、細胞外ポリマーの組成と性質、および糸状細菌の増殖指数に関連しています。糸状菌の異常増殖により大量発生し、電位の低下、凝集汚泥の形状不整化、疎水性の増大などを引き起こし、深刻な膜汚染を引き起こします。
5) 汚泥粒子径
膜流束の減少は主に 2um 付近の粒子によって引き起こされます。一般に粒子径が小さいほど膜表面に粒子が堆積しやすくなり、形成される堆積層が緻密になるため透過性が低下するため、粒子径が小さいと膜汚染が悪化します。
6) 汚泥沈降指数SVI
膜の汚染には直接的な影響はありませんが、スラッジ沈降指数 (SVI) は混合物中の有機物質の沈降を反映する可能性があります。
現在、膜の主な汚染物質は、コロイドや溶解有機物などの、沈降できない有機物であると一般に考えられている。
2,MBRプロセスの運転条件
運転条件は、膜の汚染、スラッジの性質と組成に直接的または間接的に影響を与えます。
1) スラッジ滞留時間(SRT)
実際の結果は、SRT を増加させると SMP と EPS の生成が減少し、膜の汚染率が減少することを示しています。
しかし、SRT が長すぎるとスラッジ濃度が高くなり、過剰な粘度が生じ、物質移動や反応器の流体力学に影響を及ぼし、より深刻な膜汚染を引き起こす可能性があります。一般的な都市廃水処理における膜バイオリアクターの SRT は 5-20 日です。
2) 油圧保持時間 (HRT)
HRT は膜汚染に直接的な影響はありませんが、HRT が短いと微生物により多くの栄養分が供給され、微生物の増殖が早くなり、MLSS 濃度が高くなりフラックスが増加するため、膜汚染の可能性が高まります。
3) 温度とpH
季節ごとの気温を比較すると、低温期では可逆的汚染がより深刻であり、高温期では不可逆的汚染がより急速に進行することが容易にわかります。
MBR の動作 pH 範囲は一般に 6-9 であり、範囲外では反応器内の硝化細菌が急速に減少し、硝化が阻害されます。 pH が臨界値よりも高い場合、膜の汚染が急速に進み、温度が上昇すると、最大許容 pH が低下します。
4) 溶存酸素(DO)
溶存酸素濃度が低いと細胞の疎水性が低下し、汚泥の凝集分解が起こり、DO が 1mg/l より低いと SMP 含有量が急激に増加します。溶存酸素は EPS と SMP の組成にも影響を及ぼし、高 DO MBR システムではタンパク質と多糖類の比率が増加し、微生物群集の組成が大きく異なります。
5) 膜フラックス
すべての膜プロセスにおいて、流束の上昇により膜の汚染が増加する可能性があります。
フラックスの選択と膜面積の最小化のバランスをとること、逆洗および化学洗浄の間隔も、運転コストに直接影響します。
6) 千鳥流量とエアレーション
CFV は、分割膜バイオリアクターにおいて膜透過性を急速に変化させる方法の 1 つです。
高濃度で細孔径の小さな膜を使用したシステムでは、CFV の増加により膜表面への汚染物質の堆積が軽減されます。しかし、比較的大きな混合液粒子状物質の場合、CFV の強化は流束上昇にまったく影響を及ぼさないか、逆の効果さえありません。
曝気は、浸漬MBRプロセスにおいて非常に重要な役割を果たします。 a、汚泥中の微生物の正常な増殖と代謝のために、曝気を通じて溶存酸素を供給します。 ｂ、汚泥を懸濁させて混合溶液中で完全に混合する撹拌の役割を果たす。 ｃ、中空糸膜モジュールの膜フィラメントを緩め、膜表面にせん断力を発生させ、膜表面への汚染物質の堆積を低減し、膜汚染の発生をある程度防止する。
3,膜と膜コンポーネントの構造の性質
1) 膜の孔径
膜の孔径が小さく、溶液中の汚染物質が保持されやすく、膜表面に堆積層が生成されるため、膜抵抗が増加します。このタイプの汚染は一般に可逆的汚染であり、間違った流れ、逆洗、曝気、およびその他の物理的手段によって除去でき、内部汚染は小さいです。
大きな孔径の膜では、濾過の初期段階で膜の孔詰まりがより深刻になり、表面に動的膜が形成され、保持効果が向上し始めます。しかし、汚染物質は膜の表面や細孔内に容易に堆積して詰まり、不可逆的な汚染、さらには回復不可能な汚染を形成し、長期使用では膜の性能低下や寿命低下を引き起こす主な要因となります。
2) 膜材料
嫌気性 MBR におけるさまざまな膜材料の汚染については、同じ操作条件下では、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) 膜の汚染傾向は、ポリスルホン (PS) およびセルロース膜の汚染傾向よりも大幅に少なくなっています。
膜材料に類似したポリマーが活性汚泥有機画分に存在する場合、不可逆的な汚染物質の組成は膜材料に依存することに言及する価値があります。
3) 膜表面粗さの程度
膜表面の粗さが増加すると、膜表面に汚染物質が吸着する可能性が高くなりますが、膜表面のたわみの程度も増加し、膜表面への汚染物質の堆積が妨げられるため、膜フラックスに対する粗さの影響は次のようになります。両方の要因の組み合わせの結果。
4) 疎水性
膜材料の疎水性も膜の汚染に重要な影響を及ぼします。疎水性限外濾過膜と親水性限外濾過膜を比較すると、疎水性限外濾過膜表面の方が溶解物質を吸着しやすく、汚染が起こりやすいと結論付けられています。
現在、膜の疎水性を変更する方法のほとんどは、膜の材料を変更することです。細孔径や膜表面粗さを変更したり、無機材料を添加して膜表面に動的プレコーティングを形成したりするなど。
4,膜汚染の管理措置
膜汚染の形成の主な要因は、膜の固有の性質、混合物の性質、システムの動作環境です。膜汚染の制御と解決には、これら 3 つの側面から対応する措置を講じる必要があります。
(1) 膜本来の性質
膜の物理的および化学的特性は膜の材質によって決まり、混合物中の膜の汚染防止能力はその材質に関係します。膜の親水性が汚染防止能力に非常に重要な影響を与えることが示されています。有機膜材料の中には、PANなどの親水性材料もあれば、PVDF、PE、PSなどの疎水性材料がほとんどです。疎水性有機材料は塗布時に親水化する必要があり、改質プロセスの違いにより損失が大きくなります。使用過程における親水性の変化は早いものと遅いものがあります。
さらに、膜の耐汚染能力は、膜の表面粗さ、膜の表面電荷、膜の孔径などにも関係します。一般に、膜の耐汚染能力は、より優れた親水性の膜材料を選択し、粗さを改善することによって向上できます。膜表面の最適化、混合物と同じ電位を持つ膜材料の選択、および適切な膜孔径の選択。
セラミック膜などの無機膜: アルミナ、炭化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどを原料として、高温焼結、フラックス、強度、化学的安定性において有機膜よりも利便性が高いという明らかな利点があります。
(2) 混合液の性質
膜の汚染は主に、膜と混合物の間の相互作用の結果です。混合物の性質には、汚泥の濃度と粘度、粒子分布、溶存有機物の濃度、微生物の代謝産物の濃度などが含まれます。
汚泥濃度が低い場合、汚泥の吸着能力と有機物の分解能力が不十分で、混合物中の有機物濃度が増加し、膜細孔の閉塞が深刻になり、膜表面の溶質濃度が著しく上昇します。濃度分極があり、ゲル層を形成しやすく、濾過抵抗が増加します。汚泥濃度が一定の値より高い場合、EPC濃度が増加し、汚泥粘度が急激に増加し、粘度は膜流束と混合物中の気泡のサイズに影響を及ぼし、汚泥が堆積しやすくなります。膜表面を保護し、より厚い汚泥層を形成します。一般に、汚泥濃度には臨界値が存在すると考えられており、汚泥濃度がこの値よりも高い場合、膜流束が悪影響を受けるため、膜汚染を適切な範囲内で効果的に制御するように汚泥濃度を選択することができます。スラッジの膨張とスラッジの微粒子は深刻な膜汚染を引き起こす可能性があります。
MBRプロセスの流入水質も混合成分に大きな影響を与えます。そのため、毛髪やゴミがパターンに絡みつき、膜モジュールに泥が蓄積し、膜の損傷につながるなど、ある程度の前処理が必要です。汚染は、好気性生化学に入る前に、さまざまな微細な膜グリッドによって除去する必要があります。泥、砂、その他の硬い粒子は膜フィラメントを損傷する可能性があるため、サンドシンクで除去する必要があります。油は膜フィラメントに洗浄不可能な汚染を引き起こします。要件を超える汚染は、オイルトラップや空気浮上などによって除去する必要があります。無機物質: 膜表面に沈殿し、スケーリングが発生し、膜の細孔を塞ぐ可能性があります。凝集と沈殿、または沈殿を防ぐための pH 調整によって制御できます。有機溶剤、界面活性剤、消泡剤、PAM、硬度、アルカリ度、温度など、膜に影響を与えるその他の特徴的な汚染物質には、特定の場合に特別な注意を払う必要があります。
(3) システム動作環境
a.亜臨界フラックス
臨界流束は、流束がこの値より大きい場合、TMP が大幅に増加する一方、流束がこの値より小さい場合、TMP は安定した状態を保つような流束の存在として定義されます。この概念は、膜流束の最大化と効果的な膜汚染制御の間の基準点を見つけるのに役立ちます。膜モジュールの実際の運転において、臨界流束以上の運転流束を超臨界フラックス運転、臨界流束未満の運転フラックスを亜臨界フラックス運転と呼びます。実際には、適切な動作磁束を選択する必要があります。この動作磁束値は臨界未満の範囲にあり、場合によっては動作磁束が臨界磁束の約 50% にすぎないこともあります。もちろん、長時間稼働している MBR の膜汚染は、亜臨界流束動作モードであっても、TMP が徐々に増加します。
b.適度なエアレーション
MBRにおけるエアレーションの目的は、微生物に酸素を供給するだけでなく、上昇する気泡とそれによって発生する妨害水を流して膜表面を洗浄し、汚泥の凝集を止めて膜流束を安定に保つことである。同時に、気泡と膜繊維の衝突によって発生するジッター効果により、膜繊維が互いに擦れ合い、膜表面の堆積物の脱落が促進され、膜汚染の軽減が促進されます。曝気量が大きすぎると、膜表面の堆積物の粒径が小さくなり、フィルターケーキの構造がより緻密になり、膜濾過抵抗が増加します。逆に、曝気量が少なすぎると撹乱が弱まり、汚染が悪化するため、適切な曝気量を選択する必要があります。
c.運転・停止交互
膜汚染の 3- 段階理論によれば、膜表面に汚染が形成されるにはプロセスが必要です。まず、汚染物質が膜表面に吸着、堆積、蓄積します。間欠排気運転は、膜ろ過を定期的に停止し、膜表面に堆積した汚泥を曝気や水流によるせん断力により膜表面から剥離し、膜ろ過性能を回復させることを目的としています。一般に、ポンピング時間が長いほど、膜表面上の懸濁物質の蓄積が多くなります。停止時間を長くするほど、膜表面に堆積した汚泥が完全に脱落し、膜ろ過性能を回復させることができます。原則として、代替運転および停止方法は、膜メーカーの推奨および実際のプロジェクトの運用に応じて、その特性に合わせて決定する必要があります。
