第四章 膜污染及控制
反渗透膜的污染及其控制方法
1、颗粒污染
◆起因 ⑴预处理过程的设计和设备缺陷。预处理设备和反渗透设备不匹配，造成预处理效率过 低。 ⑵预处理过程中设备有泄漏，特别是 5μ过滤器密封不好，细小砂粒和活性炭粉末及水 中悬浮的晶体颗粒漏入反渗透系统中。 ⑶预处理过程操作的问题，如絮凝剂和混凝剂的加入量不合适，预处理流速过高。 ◆表现 一段压差增加。 ◆解决办法 (1)检查预处理流程 (2)检查絮凝剂、流速、过滤器的滤料 (3)检查保安过滤器的压差和安装情况 (4)清洗。颗粒一旦进入膜后会在隔网的交叉点处沉积下来，这种情况一般发生在系统 的进口处，常规的清洗很难将其清洗出来。若遇到这种情况，目前的解决方法是将一段进口 的第一支膜元件抽出换掉，或将进口端的膜换到系统的末端并且改变其进水方向，并且采用 大流量低压冲洗。
3、有机物和胶体污染
◆起因 在反渗透制水过程中胶体微粒随水流流动方向有一渗透压力，这个力将胶体拉到膜面附 近聚集，形成胶体的碰撞长大而吸附在膜表面，成为污堵物。无论采用的是地下水还是地表 水，都有胶体存在，只是状态和量不同而已，所以胶体污染是反渗透最普遍的污染。 ◆表现 一段压差增加，产水量降低。 ◆预防及解决方法 (1)使用阴离子型高分散性的阻垢剂。 (2)尽量降低膜面的粗糙度，使用耐污染膜。 (3)在膜允许的给水流量下，尽可能的提高膜的进水量以保证足够的湍流程度，如果资 金许可，最好设计带有定时的自动低压冲洗。 (4)选择适当的阴离子型高效分散剂，运行过程中要定期进行低压冲洗，尤其是停机时 一定要进行低压冲洗，如果对水的回收率要求不高，可以采用低回收率运行。注意在不同回 收率运行时，阻垢剂的添加量不同。 (5)采用膜适用的清洗剂进行清洗。
第四章 膜污染ppt课件
离效果进一步降低。
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膜污染原因
• 浓差极化 • 离子结垢 • 金属氧化物沉积 • 胶体物污染 • 生物污泥
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膜两侧溶液传递理论
• 通量与系统操作参数和物理特征的函数： ①浓差极化-凝胶层模型（concentration Polarization-gel layer model） ②阻力模型（resistance model） ③管状收缩效应(Tubular Pinch effect)的影响
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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• 在超滤和微滤中，处理的是高分子或 胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成 凝胶层，增大了阻力而使通量降低。
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浓差极化 - 凝胶层模型
• 当发生浓差极化后，膜面上浓度 Cw大于 主体浓度Cb，溶质向主体反扩散；
• 当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度 达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定 的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层；
p1
p2
P０
P t (P 1P 0) 2(P 2P 0)P 1 2P 2(以表压 ) 表
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在反渗透中通量与截留率随压力的变化
水
截留率
通
量
或
截
留
率
水通量
△Ｐ 精品课件
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在微滤和超滤中通量与截留率随压力的变化
1）未浓差极化（开始过滤）：
符合公式J＝P/Rm
Rm－膜阻力，常数 J与P呈线性关系。
量的影响
MBR膜污染及控制方法介绍
MBR膜污染及控制方法介绍自MBR工艺问世以来，其便因占地面积小，出水水质好，有机负荷率大，污泥产量少等而在世界范围内得到广泛应用，尤其在城市污水处理中发展迅速。
但是由于运行过程中需要对膜污染进行有效控制，而必须采取加大错流速率，曝气等手段，使得MBR运行过程中消耗大量能源。
那么针对这些问题，MBR操作人员究竟该怎么做？才能快速找到膜污染根源，并给予精准打击，以此减少清洗频率。
1、膜污染产生原因严格来讲，膜污染是指在运行过程中处理物料的微粒，胶体粒子或溶质大分子由于与膜发生物理化学相互作用或机械作用而引起的吸附或者沉积而造成的膜表面覆盖及膜孔堵塞的现象。
膜污染现象非常复杂，包括多种机理。
其中，浓差极化是表面形成滤饼层的主要原因，主要沉积颗粒有悬浮固体，胶体和微生物群。
有机和无机物污染是指有机和无机物吸附于膜表面和膜孔中产生的污染。
生物污染是微生物群在膜表面附着生长而产生的生物膜。
结垢现象是当膜表面溶解的盐的浓度超过其溶解度时产生的，不是主要的膜污染原因。
膜污染通常用于概括所有导致膜透过流量下降的现象，根据清洗方法不同，膜污染可以分为：1、短时间内由于浓差极化、膜孔污染和凝胶层的形成使通量下降的可逆污染，通过反洗，曝气，错流等表面清洗方法可以迅速去除的污染，一般指短期污染。
2、物料颗粒与膜材料发生的长期作用而产生的不可逆污染，不能被物理清洗方法去除，但可以通过化学清洗恢复通量的污染，一般指长期污染。
3、长期运行过程中不能被任何清洗方法所去除的污染称为不可恢复污染。
二、膜污染受哪些因素影响？（一）、污泥混合液特性膜生物反应器中的膜污染物质的来源是活性污泥混合液，污泥混合液对膜的污染极为复杂。
1、EPS和SMP胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）都是微生物代谢产物，成分大致相同，它们对膜污染有着重要且复杂的影响，是MBR过程中最主要污染物。
EPS浓度过高，会增大混合液粘度而不利于溶解氧的扩散，使污泥系统充氧困难，从而影响菌胶团的正常生理活动，从而使膜过滤阻力升高。
膜污染及其控制
尽管目前在膜污染机制方面还没有达成共识，但对不同的具体环境下膜污染影响因素可归纳为以下3个方面：微生物特性、运行条件与膜自身的结构性质，如图1-3所示，这些都会直接影响膜污染。
图1-3膜污染影响因素
Fig.1-3 Influencing factor of membrane fouling
3.3膜材料的选择
膜的亲疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间的相互作用大小，通常应选用孔径适合，孔隙率高，带有负电，亲水性的膜，自然憎水性的膜要进行膜面改性。膜面改性是在膜表面引入亲水基团，或用复合膜手段复合一层亲水性分离层，或用阴极喷镀法在膜表面镀一层碳[17]。J.Pieracci等研究表明，改性后的膜可以增加25%的膜通量，减少49%的生物污染[18]。目前，膜面改性和形成动态膜的防治技术应值得注意。
新近的研究发现微生物代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)对膜污染有重要影响。EPS和SMP主要是微生物细胞分泌的黏性物质，成分复杂，包括多糖、蛋白质、脂类、核酸等高分子物质。一些学者认为EPS质量浓度与膜污染呈线性关系的，EPS减少40%，滤饼的流体阻力也相应地减少40%。Wontae Lee等发现膜污染与蛋白质比例呈正比，同时蛋白质的表面特性能影响微生物絮体的表面特性[4]。近年来，以SMP为主要成分的溶解性物质对膜污染的影响越来越引起人们的重视。分置式膜-生物反应器中，循环泵产生的剪切力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的SMP等溶解性物质，从而增加了膜污染，形成了很大的膜过滤阻力。Wisniewski C等用微滤膜过滤城市污水处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质对膜污染的影响时，得出了溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力[5]。
MBR中膜污染及其控制
1引言膜生物反应器是膜技术与生物反应器有机结合的产物，较早作为化工工业中一种高效的分离手段。
当它被引入环境工程领域用于污水处理时，其优良的水质、紧凑的结构及低污泥产量是传统工艺难以超越的。
通常提到的膜生物反应器，实际是三类反应器的总称，它们分别是膜-曝气生物反应器(Membrane Aeration Bioreactor)、萃取膜生物反应器(Extractive Membrane Bioreactor)和膜分离生物反应器(Biomass Separation Membrane Bioreactor)。
目前进行了大量富有成效的研究并已投入实际使用的只有膜分离生物反应器(Biomass Separation Membrane Bioreactor)，这里主要对该种膜生物反应器(Membrane Bioreactor)中膜污染控制的研究现状作简单评述。
尽管该类膜生物反应器的技术可行性早已被人们认可，但处理工艺的费用较高，在一定程度上限制了它的推广。
G.Owen指出，膜工艺的费用主要来自膜价格、膜更换频率和能耗需求。
随着制膜水平的提高，膜的价格已大大下降；膜的更换频率与膜的稳定运行有关，但膜污染问题大大影响了膜系统的稳定运行；能耗高的原因是多重的，其中之一是膜污染造成通量下降而迫使能耗加大以维持通量。
由此可见膜污染是影响MBR经济性和推广应用的主要原因。
2膜污染的形式在膜生物反应器中，膜处于由有机物、无机物及微生物等组成的复杂的混合液中，特别是生物细胞具有活性，有着比物理过程、化学反应更为复杂的生物化学反应。
因此膜污染是一个很复杂的过程，其机理目前尚不完全清楚。
此外，由于MBR多应用微滤膜和超滤膜，膜的污染问题较纳滤和反渗透膜更为严重。
从污染物的位置来划分，膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞。
在附着层中，发现有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层，溶解性有机物浓缩后粘附的凝胶层，溶解性无机物形成的水垢层，而特定反应器中膜面附着的污染物随试验条件和试验水质不同而不同。
膜的污染及其控制方法
MBR技术在污水处理中的应用 1膜生物反应器(MembraneBioreactor,简称MBR),是由膜分离和生物处理结合而成的一种新型、高效的污水处理技术。
膜分离技术最早应用于微生物发酵工业,随着膜材料和制膜技术的发展,其应用领域不断扩大,已经涉及到化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工和污水处理等多个领域。
1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用膜分离技术在污水处理中的应用开始于20世纪60年代末#1969年美国的Smith等人首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研究,该工艺大胆地提出了用膜分离技术取代常规活性污泥法中的二沉池,利用膜具有高效截留的物理特性,使生物反应器内维持较高的污泥浓度,在F/M低比值下工作,这样就可以使有机物尽可能地得到氧化降解,提高了反应器的去除效率,这就是MBR的最初雏形。
进入20世纪70年代,有关MBR的研究进一步深入开展#1970年,Hardt等人使用完全混合生物反应器与超滤膜组合工艺处理生活污水,获得了98%的COD去除率和100%去除细菌的结果。
1971年,Bemberis等人在污水处理厂进行了MBR试验,取得了良好的试验结果。
1978年,Bhattacharyya等人将超滤膜用于处理城市污水,获得了非饮用回用水。
1978年,Grethlein利用厌氧消化池与膜分离进行了处理生活污水的研究,BOD和TN的去除率分别为90%和75%。
在这一时期,尽管各国学者对MBR工艺做了大量的研究工作,并获得了一定的研究成果,但是由于当时膜组件的种类很少,制膜工艺也不是十分成熟,膜的寿命通常很短,这就限制了MBR工艺长期稳定的运行,从而也就限制了MBR技术在实际工程中的推广应用。
进入20世纪80年代以后,随着材料科学的发展与制膜水平的提高,推动了膜生物反应器技术的向前发展,MBR工艺也随之得到迅速发展。
日本研究者根据本国国土狭小!地价高的特点对MBR技术进行了大力开发和研究,并在MBR技术的研究和开发上走在了前列,使MBR技术开始走向实际应用。
膜污染机制及防治和控制技术研究
膜污染的各种因素及EPS对膜污染的影响膜污染是膜应用过程中普遍面临的问题，它主要来源于处理过程中溶液中的溶质沉积在膜表面或者进入膜孔内部，即膜面污染和膜孔污染，这两种形式的膜污染都会造成过膜压力的提高和膜通量的迅速下降。
一直以来，关于膜污染的研究很多，主要集中在对具体形式的膜污染特点进行分析，或者针对某种特定水的膜污染特点进行分析。
例如：2009年清华大学的朱洪涛等人研究的在臭氧消毒的膜法水处理工艺中臭氧的投加量对膜污染的影响，具体内容在下文会介绍到。
2010年西安建筑科技大学的金鹏康等人采用热重分析法(TG)测定污染膜的表面沉积物变化情况，并利用光散射颗粒分析仪( PDA)评价膜过滤过程中膜表面截留液中颗粒物的沉积情况，同时借助扫描电镜(SEM)以检测膜表面和横截面污染物情况来分析超滤膜过滤过程，讨论不同截留分子量超滤膜的膜面污染和膜孔污染的关系。
得出结论：（1）截留分子量越小，膜表面污染物质越多，其截留液的中颗粒物浓度在初始时刻增加显著。
膜截留分子量的增加使得截留液颗粒物浓度逐渐减小，膜面污染较小。
（2）截留分子量较小的膜，在初始时刻的过滤过程中主要是膜面截留的污染物质起主要作用，即首先形成滤饼层，滤饼层可进一步吸附截留水中污染物质，防止污染物质进入膜孔内部。
但是对于截留分子量较大的超滤膜，由于膜孔相对较大，污染物质则相对容易进入膜孔内部，从而迅速造成膜孔内部污染，膜面污染物质则较少。
2010年同济大学的董滨等人研究了不同泥龄下溶解性微生物产物对膜污染的影响。
溶解性微生物产物( soluble microbial product s ,SMP) 是指微生物代谢过程中产生的可溶性有机物，近年来在污水生物处理中备受关注，已被证实是引起膜污染的重要物质。
SMP 的组成极为复杂，既包括疏水性物质(如腐殖酸和黄腐酸，也包括亲水性物质(如碳水化合物和蛋白质)，且其组分的相对分子质量和电荷性质不尽相同。
目前,普遍认为SMP构成了二级生物处理水中溶解性有机碳(DOC)的绝大部分，并具有一些其他特性,如对生化反应的毒性、与金属的鳌合性等。
膜的污染及其控制方法
膜的污染及其控制方法控制方法, 污染简介：反渗透系统在日常的运行中，难免会出现系统的无机物结垢、胶体颗粒物的沉积、微生物的滋生、化学污染以及其它问题，这些因素影响着系统安全稳定的运行。
关键字：反渗透结垢胶体污染SDI 化学污染相关站中站：膜技术产品及应用反渗透系统在日常的运行中，难免会出现系统的无机物结垢、胶体颗粒物的沉积、微生物的滋生、化学污染以及其它问题，这些因素影响着系统安全稳定的运行。
下面主要阐述膜系统在日常中出现的问题及控制方法。
一、无机物的结垢在水中存在Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋、Sr2＋、CO32－、SO42－、PO43－、SiO2等离子。
在一般的情况下是不会造成无机物结垢，但是在反渗透系统中，由于源水一般浓缩4倍，并且pH也有较大的提高，因此比较难溶解的物质就会沉积，在膜表面形成硬垢，导致系统压力升高、产水量下降，严重的还会造成膜表面的损伤，使系统脱盐率降低。
衡量水质是否结垢有两种计算方法：控制苦咸水结垢指标对于浓水含盐量TDS≤10,000mg/L的苦咸水，朗格利尔指数(LSIC)作为表示CaCO3结垢可能性的指标：LSIC=pHC-pHS式中：LSIC：反渗透浓水的朗格利尔指数pHC：反渗透浓水pH值pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值当LSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。
控制海水及亚海水结垢指标及处理方法：当浓水含盐量TDS>10,000mg/L的高盐度苦咸水或海水水源，斯蒂夫和大卫饱和指数(S&DSIC)作为表示CaCO3结垢可能性的指标。
S&DSIC=pHC-pHS式中：S&DSIC：反渗透浓水的斯蒂夫和大卫饱和指数pHC：反渗透浓水pH值pHS：CaCO3溶液饱和时的pH值当S&DSIC≥0，就会出现CaCO3结垢。
其它无机盐结垢预处理的控制方案碳酸钙结垢预处理的控制方案在反渗透系统的结垢中，以碳酸盐垢为主，大多数地表水和地下水中的CaCO3几乎呈饱和状态，由下式表示CaCO3化学平衡：Ca2+ + HCO3– <---> H+ + CaCO3从化学平衡式可以看出，要抑制CaCO3的结垢，有几种途径：降低Ca2+的含量降低了Ca2+含量，可以使化学平衡向左侧移动，不利于形成CaCO3垢。
膜的污染及其控制方法
膜的污染及其控制方法膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象［１］。
实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。
据调查，就超滤而言，污染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽［２］。
对膜污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除它的不良影响。
1 沉淀污染以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)和微滤(MF)。
根据不同膜与水中微粒的相互关系［３］，可知沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。
当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。
普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。
设在溶液中有化学反应：x A y－＋y B x＋＝A x B y当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积K sp＝γx A［A y－］xγy B ［B x＋］y为常数。
其中，γA、γB为自由离子A和B的平均活度系数；［A］，［B］为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。
平均活度系数可用离子强度［I ］的函数来估测：logγA＝－0.509 Z A I1/2，logγB＝0.509 Z B I1/2；Z A、Z B为自由离子的化合价。
对稀溶液，如大多数天然水体，其活度系数γA、γB近似等于1。
如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为C f，C r，C p。
图1 膜系统中不同位置的溶质浓度由阻截率知：R＝1－C p/C f(1)设系统回收率为r，由物料平衡，知：C f－(1－r)C r＝rC p(2)由式(1)，(2)可得：C r＝C f［1－r(1－R)］/(1－r)(3)由(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度C r，随进水浓度C f，回收率r和截留率R的增加而增加。
膜与膜过程_第四章_浓差极化与膜污染(1)
4.2.2 反渗透中浓差极化
浓差极化度可据通过边界层的传 质平衡微分方程进行积分并结合 边界条件来求得。稳态下的积分 传质方程为：
dC J s Ds J wC J wC p dx
由边界条件：x=0，C=Cb， x=δ，C=Cm
Cp
图4.1 浓差极化引起的 稳态下的浓度分布
Cb C p J w 1 1 dC dx ln Cm C p Ds C J s J wC 0 Ds
4.5.2 影响因素
1．膜的物化性质 1)膜的亲水性和表面张力 （溶剂化作用， 氢键相互作用）
亲水性好的膜，膜表面与水成氢键，不疏水溶质接近 膜表面时，要打破这一氢键结合，这需能量，膜耐污染； 而疏水膜表面无氢键形成，疏水溶质接近膜表面时，挤开 水是一熵增大过程，易进行，则膜易被污染。
2)膜的荷电性（静电作用力）
膜清洗效果的表征
通常用纯水透水率恢复系数r来表示
r J Q J 0 100
JQ和J0分别表示清洗后和初始水透过通量
由于许多系统使用湍流强化器，会影响传质系数。如在反 引用、纳滤中使用的卷式膜器，在原料腔室的膜之间放有 间隔器（spacer），因而使传质系数增大，并且使壁面处 浓度减小。传质系数可由如下Sherwood关系式
纯水通量与膜两侧的压差成正比。 当水中加入溶质（溶质分子量比相对应的膜孔大的情况） 以后，压力增加，通量也增加，但当达到某一有限压力后 ，通量不再随压力增大而增大，最大通量称为极限通量， 该通量取决于原料主体浓度和传质系数。
1.
微滤和超滤，通量下降非常严重，实际通量通常 低于纯水通量的5%。
对气体分离和全蒸发，通量下降问题则不严重。
2.
造成通量衰减的原因有许多，如浓差极化、吸附、 凝胶层的形成及孔的堵塞。所有这些因素都对原料 侧通过膜的传递增加了新的阻力。发生这些现象的 程度取决于膜过程的种类及所使用的原料液。
膜污染ppt课件
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膜污染 2.2 溶解性有机物质 溶解性有机物是 MBR 膜在抽吸过程中出现浓差极化现 象的重要原因之一 ,反应器污水中自身的溶解性高分子 有机物、大分子的微生物可溶性代谢产物都容易通过浓 差极化作用而在膜表面形成凝胶层 ,或被膜内的微孔表 面所吸附或结晶 , 堵塞孔道, 使膜通量减少。
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膜污染
4 膜污染的分析技术
4.1常规检测 主要的测试指标包括：浊度、pH 值、高锰酸盐指数（ CODMn）、总有机碳（TOC）、紫外吸光度（UV254）。
4.2仪器分析测试 为了分析污染物的结构、组成和性质，需采用各种现代化 的仪器分析手段，对污染前后的膜进行微观分析。 4.2.1微观形貌分析 一般采用直接观察法，主要用于表征膜上污染物的形态， 包括透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、 场发射扫描电镜（FSEM）、原子力显微镜（AFM）等6ຫໍສະໝຸດ 膜污染 2.3 微生物污染
微生物也是造成膜污染的一个主要因素 。微生物污染主要由微生物及其代谢 产物组成的粘泥引起 ,膜表面易吸附腐殖质 、 聚糖脂 、 微生物新陈代谢产物 等大分子物质 。 膜内的微孔中也有微生物生长所需的营养物质 ,适宜微生物生 存 , 因而不可避免地有大量微生物滋生 ,极易形成一层生物膜 , 造成膜的不可逆 阻塞 , 使膜通量下降 , 成为膜污染的一个重要原因。 如刘锐等发现在中空纤维 膜的微孔中有大量的丝状菌 、 球状菌和短杆状菌。 F l e mm i ng等提出了膜 被微生物污染的 4阶段学说: 首先有机大分子物质吸附在膜组件上 ,然后进水体 系中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程 ,粘附后期大量群集生物生长 ,最后在 膜表面上形成生物膜 。 膜污染还与膜材料、膜孔径的大小及分布、膜性能及原水的特性密切相关。 关于膜污染机理目前还没有统一的理论，但文献中一致认同原水中颗粒物与膜 材料之间的相互作用是影响膜污染的最主要因素。
膜污染及其控制
Ｎ ａＵ Ｈ 。
２ 防 止 膜 污 染 的 预 处 理
被 处 理 液 中含 有 不 同 的 溶
质 和 悬 浮 物 ， 其 中 的 不 少 物 质
性 剂 ｘｔ 表 面 改 性 。 膜 表 面 的 ，膜 改 性 可 分 为 物 理 改 性 和 化 学 改
原 水 中 溶 解 性 有 机 物 ， 特
法
适 宜 的 ， 因 为 填 料 有 可 能 堵 塞 （１ ） 错 流 过 滤
指 主 体 流 动 方 向 平 行 于 过 膜 组 件 ， 也 可 以 采 用 通 入 气 泡 的 方 法 来 形 成 流 化 床 。
度 下 进 行 操 作 。
５０ 设 技Ｏ ． 建 科 ２ ２ Ｏ７
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【水 处 理
・膜 技 术
・交 流 】
（２ ） 微 生 物 垢 体 当微 生 物 附着 在 膜 表 面 时 ， 就 会 形 成 一 层 粘 质 层 。 进 水 中 的 杂 质 就 会 被 粘 质 层 粘 附 住 ， 长 时 间使 用 便 形 成 垢 层 ， 垢 层 会 和 膜 粘 结 在 一 起 ， 更 严 重 的 是 有 些 微 生 物 会 以膜 材 料 为 食 ， 或 者 以料 液 中的 有 机 物 为 食 料 ， 在 膜 的表 面 生 长 繁 殖 形 成 一 层 生 物 膜 。除 非 作 用 消 毒 剂 或 杀 生 剂 的 化 学 清 洗 液 清 洗 ，否 则 膜 将 整 个 失 去 作 用 。常 使 用 的 消 毒 剂 有 氯 、二 氧 化 氯 、臭 氧 、 甲 醛 、 双 氧水 及 浓 亚 硫 酸 氢 钠 等 氧 化 剂 。 此 外 采 用 紫 外 线 或 电子 杀 菌 剂 也 可 以达 到 很好 的杀 菌 灭 藻效 果 。 （３ ） 悬 浮 物 、 胶 体 物 质 这 些 物 质 会 粘 附 在 膜 表 面 或 堵 塞 微 孑Ｌ，使 膜 通 量 下 降 。悬 浮 固 体 可 以通 过 一 系 列 过 滤 将 其 脱 除 ，对 于 胶 体 ，最 常 用 的 方 法 是 絮 凝 后 进 行 常 规 过 滤 。 （ ） 有 机 污 染 物 ４
膜生物反应器膜污染机理及控制措施分析_宋万召
膜生物反应器膜污染机理及控制措施分析宋万召1，杨云军2(1．扬州环境资源职业技术学院，江苏225127;2．山东博洋环境资源有限公司，山东276700)摘要：膜生物反应器作为城市污水处理的一项重要技术，研究其膜污染的机理和控制措施对水处理技术的发展有重要意义。
文章概述了膜污染的4种经典模型，并从膜的性质、活性污泥混合液和膜组件的运行条件等方面分析了膜污染的影响因素，最后对膜污染的防治和治理给出了对策。
关键词：膜生物反应器;膜污染;对策中图分类号：X703．1文献标识码：A文章编号：1007－0370（2012）05－0177－03The analysis of mechanism and control measure of membrane pollution for MBRSong Wanzhao1，Yang Yunjun2（1．Yangzhou Vocational College of Environmental and Resources，Jiangsu225127；2．Shandong Boyone Environmental Resources Co．Ltd，Shandong276700）Abstract：Membrane Bioreactor is an important technology for the treatment of municipal sewage．It studies the mechanism and control measure of membrane pollution，which has the important meaning for the wastewater treatment．It concludes that there are four classical mod-els in the membrane pollution，and analyses the impact factor from the membrane property，activated sludge mixture and membrane module．In the end，it gives some suggestion for the control measure of membrane pollution．Keywords：Membrane biological reactor；Membrane pollution；Measure1引言自从上世纪六十年代起，膜生物反应器研究成果开始应用于污水处理领域，美国科学家Smith1969首先报道了超滤活性污泥处理城市污水工艺设计的结合。
膜系统常见污染问题及控制
膜系统常见污染问题及控制膜系统常见的污染问题主要包括背渗、膜污染、浓缩回收导致溶质结晶、沉淀等。
针对这些问题，可以采取一系列控制措施来保证膜系统的正常运行。
首先，背渗问题是指膜系统运行过程中，溶质从高浓度侧通过膜散失到低浓度侧。
这种背渗现象主要是由于膜的不完全选择性导致的，解决背渗问题的方法包括加强膜的选择性、调整膜系统操作参数等。
其次，膜污染是指膜表面或孔道被吸附、吸附和结垢等导致的膜通量下降。
膜污染的常见原因包括微生物污染、有机胶体物质和胶体颗粒污染等。
为了解决膜污染问题，可以采用物理清洗、化学清洗、生物清洗等方法进行膜的恢复。
此外，由于膜系统在水处理过程中会导致浓缩回收，浓缩溶液中的溶质可能会发生结晶、沉淀现象，这也是常见的污染问题之一。
对于溶质结晶问题，可以通过调节膜系统操作参数来降低浓缩倍数，减少结晶的发生。
对于膜系统的控制，需要从设计、操作和管理等多个方面来考虑。
在设计方面，需要选择合适的膜材料和膜结构，以满足不同处理工艺要求，并考虑膜系统的抗污染能力。
在操作方面，需要根据处理水质的特点和要求来调整膜系统的操作参数，如进水流量、进水压力、回收比、清洗周期等，以保证膜系统的正常运行，并及时监测膜系统的运行状态，发现问题及时处理。
在管理方面，需要建立完善的膜系统运行管理体系，包括膜设备的维护保养、定期清洗和更换膜元件等；培训操作人员，提高其对膜系统运行的理解和能力；建立监测系统，通过监测膜通量、压差、水质等参数，及时发现问题并采取措施解决。
此外，为了提高膜系统的抗污染能力，还可以采取预处理手段，如混凝、沉淀、过滤等，来去除水中的悬浮物、胶体物质和有机物等；采用化学预处理手段，如酸碱调节、消毒、添加阻垢剂等，以减少膜的污染和结垢。
综上所述，膜系统常见的污染问题包括背渗、膜污染和溶质结晶等，可以通过加强膜的选择性、调整操作参数、物理、化学和生物清洗等方法来解决。
在设计、操作和管理方面采取相应措施，预处理手段也可以提高膜系统的抗污染能力。
污水处理中的膜污染控制
污水处理中的膜污染控制在当今的污水处理领域，膜技术因其高效的分离性能而得到了广泛的应用。
然而，膜污染问题却始终是制约膜技术进一步发展和广泛应用的关键因素。
膜污染不仅会降低膜的过滤性能，增加运行成本，还会缩短膜的使用寿命。
因此，深入研究膜污染的控制策略具有重要的现实意义。
膜污染是指在膜过滤过程中，污水中的污染物在膜表面或膜孔内的积累和沉积，从而导致膜通量下降、跨膜压差升高以及过滤效率降低等现象。
膜污染的形成机制非常复杂，涉及到物理、化学和生物等多个方面。
从物理角度来看，膜表面的粗糙度和孔隙结构是影响膜污染的重要因素。
粗糙的膜表面容易吸附污染物，而较小的膜孔隙则容易被污染物堵塞。
此外，污水中的悬浮颗粒和胶体物质也会在膜表面形成滤饼层，增加过滤阻力。
化学污染主要是由于污水中的有机物、无机物与膜材料之间发生化学反应，导致膜表面性质的改变。
例如，有机物在膜表面的吸附和沉积可能会引起膜的亲水性下降，从而增加膜与污染物之间的相互作用。
无机物如钙、镁等离子可能会形成水垢，堵塞膜孔。
生物污染则是由微生物在膜表面的生长和繁殖引起的。
微生物会分泌胞外聚合物（EPS），形成生物膜，进一步加重膜污染。
为了有效控制膜污染，需要采取一系列的措施。
首先，优化膜的预处理工艺是至关重要的。
在膜过滤之前，对污水进行适当的预处理，如格栅过滤、沉淀、混凝沉淀等，可以去除污水中的大部分悬浮颗粒、胶体物质和有机物，减轻膜的污染负荷。
其次，选择合适的膜材料和膜组件也能在一定程度上控制膜污染。
具有良好亲水性和抗污染性能的膜材料能够减少污染物在膜表面的吸附和沉积。
同时，合理设计膜组件的结构，如增加膜的装填密度、优化流道设计等，可以提高膜的冲刷效果，减少污染物的积累。
膜的清洗也是控制膜污染的重要手段。
根据膜污染的类型和程度，选择合适的清洗方法，如物理清洗（反冲洗、气水冲洗等）、化学清洗（酸洗、碱洗、氧化剂清洗等）和生物清洗。
定期的清洗可以有效地恢复膜的性能，但需要注意的是，过度清洗可能会对膜造成损伤，缩短膜的使用寿命。
污染控制第四章-2 生物膜法最终版.ppt
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焦炭、炉渣、陶瓷滤料：
比表面积大、布水均匀、空隙小、易堵 塞，重量大；
适宜负荷低、生物膜生长慢污水； 焦炭、炉渣便宜；
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4)布水器、通风和排水系统：
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布水器：
固定喷嘴式、旋转布水式和移动式。 以旋转布水式为主。利用水压头（5-
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生 物 膜 传 质 示 意 图
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一、生物膜法净化机理
生物膜的形成（挂膜） 生物膜的更新 净化效果的影响因素
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1.生物膜的形成（挂膜）
吸附作用：微生物附着在填料表面； 微生物生长：利用水中有机物为营养，
获得能量和生命物质，在填料表面生长 繁殖；
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2. 塔 式 生 物 滤 池
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1）“塔滤”主要特征：
水力负荷高：
30-200m3/(m2•d)，BOD可大于500mg/L，BOD负荷 2000-3000g/(m3•d)；
塔式滤池内部紊流强烈、通风好：
塔高8-24m，径高比1:6-1:8，内部环境有利于微生 物膜更新和有机物降解。
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2．工艺设计参数：
水力负荷q= 1 ~ 3（m3/m2d）;
有机负荷Fw =0.1 ~ 0.25kgBOD/ m3d;
BOD去除率 80~95%; 出水BOD<25mg/L, NO-3<10mg/L
3.主要优缺点：
优点：
（1）处理效果较好
（2）运行稳定，节约能源
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动态旋转膜
DYNO filter (Bokela)
Optifilter CR （Metso paper）
Rotary Membrane System (Spin TeK)
• 动态旋转膜是一种新型膜分离工艺，具有抗污染、低能耗、高通量等优点，已经成功 应用于高浓度乳品废水、含油废水等复杂料液体系的分离。
μ为溶液粘度；Rm为膜阻力；Rbl为浓差极化边界阻力；Rf为膜污染产生的 阻力； Rt(膜过程的总阻力)=Rm+Rbl+Rf ，串联阻力模型
如何定量测定各阻力？
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串联阻力模型
目前主要采用阻力系数法定量地表征膜污染程度，基本步骤如下：
①测定膜的初始纯水透过量 由于此时Rbl＝Rf＝0，根据上式可知
•凝胶的形成可以是可逆的或不可逆的 这对于膜的清洗是十分重要的 不可逆凝胶很难除去-尽可能避免这种情况 •对于用凝胶层模型来描述通量行为-凝胶形成是否 可逆并不重要
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浓差极化和凝胶形成
（凝胶层阻力Rg，膜阻Rm）
凝胶层模型
利用凝胶层模型可以描述极限通量的发生 假设溶质完全被膜截留则溶剂通过膜的通量随压力提高而增加，直到达到对应 于凝胶浓度的临界浓度 当压力进一步增加时，溶质在膜表面浓度不能进一步增加(因为已达最大浓度)， 所以凝胶层会越来越厚或越紧密 这表明，凝胶层对溶剂传递的阻力(Rg)增大-凝胶层成为决定通量的制约因素 在极限通量区域，压力增加使得凝胶层阻力增大，所以净的结果是通量不变( 此时忽略了大分于溶液的渗透压)
• 简述影响浓差极化的因素，或其危害。
20
四、膜污染机理和模型
The mechanism and model of membrane fouling
21
How to characterize membrane fouling? Filtration model 过滤模型
根据Darcy定律，过滤模型可得：
膜污染还可能由微生物在膜运行过程或停运中的繁殖和 积累造成
3
膜污染
膜孔堵塞; 膜面的溶质吸附。
4
Membrane fouling is one of crucial problems of membrane technology 膜污染是膜技术广泛应用的瓶颈
The hazard of membrane fouling ➢ 膜通量（分离效率）严重下降、产品质量下降
由于一般情况下扩散系数无法提高(只有改变温度才能改变)，因此只有通 过提高沿膜表面的原料流速和改变膜器构型或采用脉冲流动。
提高原料温度可以提高传质系数，因而也可以减少浓差极化(温度提高使
被截留溶质的扩散系数增大且原料粘度减小).但是提高原料温度会使通量
上升，这对分离系数会严生不利影响
18
膜表面的电性及吸附引起的污染
第三阶段：超滤的长期通量降低 ----指超滤膜运行一定时间(几小时．几天．几周)后的长期通量降低。它与孔的堵塞、 膜表面的浓差极化现象，凝胶层形成及其固化等因素有关。
12
可逆（Reversible）污染和不可逆（Irreversible）污染
可逆污染 : 它可通过流体力学条件的优化以及回收率的控制来减轻和改善 不可逆（Irreversible）污染 由膜表面的电吸附引起或由膜孔隙的机械堵 塞而引起。只能靠水质的预处理或通过抗污染膜的使用来缓解
②膜运行污染后的通量，即
P
J 0 Rm
③膜运行污染后，仅用清水洗一下，再测定其纯水透过量， 此时Rbl＝0，上式化简为：
根据J1、J2、J0值，并假定μ在测试过程中不变，即可求出Rm，Rbl，Rf 值在总阻力Rt中所占比例
23
此部分自学…………..层模型 渗透压模型 边界层阻力模型
• 膜污染与浓差极化的概念不同，但二者密切相关，常常同时发生， 在许多场合，浓差极化是导致膜污染的根源。
• 微滤、超滤、纳滤以及反渗透膜均能发生污染，除了具有膜污染产生的共性原因， 每种膜污染又有自身的特点。
13
可逆污染---不可逆污染
膜污染现象
膜在使用过程中，膜的性能(渗透通量，截留率等)通常随时间的延长而降低
(3)膜孔的堵塞与阻塞（pore block and pore plug） 由于被分离溶质(尤其是 大分子) 在膜表面或膜孔内产生吸咐或沉积，膜孔道的堵塞使膜通降低。
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超滤膜最易发生污染，以超滤膜为例阐述膜污染的形成。
第一阶段：纯水初始通量降低
什么叫纯水初始通量？
第二阶段：超滤的初始通量下降 -----原则上，这种通量下降是可逆的，其成因是因为浓差极化层的形成。可通过 降低料液浓度或改善膜料液侧的水力学条件来减轻。
减少浓差极化的方法
➢ 控制回收率：
装设湍流促进器-减小浓差极化
➢控制流态和流程
对流动施以脉冲
➢ 升温
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常见膜组件
动态膜组件
动态旋转膜组件
Chemical Engineering Journal 163 (2010) 307–316
提高错流速度以保证降低膜污染
Journal of Membrane Science 162 (1999) 199-211
产生的原因 • 进水中生物活性高 • 前处理不充分 • 系统间断操作 • 清洗的不彻底
7
常见的污染物 - 2无机物结垢
• 导致TMP升高 • 减少膜进水侧隔网间隙 • 脱盐率下降 • 清洗不当可划伤膜表面
• 高碱度
• 高硬度或金属氧化物含量
• 高PH值
• 高回收率
• 加药系统不准确
8
常见的污染物- 3化学污染
2
一 膜污染定义 What is membrane fouling?
膜污染指料液中的微粒（或溶质大分子）在膜表面或膜 孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量 与分离特性的不可逆变化现象。
物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结 构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。
化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷 性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度 等有关。
凝胶层的通量
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凝胶层模型
模型优缺点
优点： 可解释浓差极化理论和超滤极限通量行为 缺点： •凝胶浓度视为常数，实际上不是（文献证明）-取决于主体浓度及错流速度 •对于同一溶质，不同作者报导的凝胶浓度值相差很大 •k被假设为常数，而大分于溶质的扩散系数经常是与浓度有关的 •蛋白质较容易形成凝胶，但许多其他大分子溶质（葡聚糖），即使在很高 的浓度下也不容易形成凝胶
……
目前还没有一个可用于估算膜污染性质和程度的通用规则
24
滤饼模型-认为膜过滤阻力由滤饼阻力和膜阻力组成
J
p
Rm
Rf
Rf
1801 2
d02 3
m
25
孔堵塞模型-是用粒子对膜孔的堵塞来解释渗透通量的下降。 通量由未堵孔和被堵孔的通量提供。 干净膜的膜阻为Rm，孔被 堵塞的膜阻为Rbm，则有
J0
浓差极化小结The summary of concentration polarization
浓差极化不仅导致传质速率降低，也导致分离效率降低。
对于压力驱动型膜过程来说，浓差极化与传质系数有直接关系，影响传 质系数的主要因素是原料流速、溶质扩散系数D、粘度、密度、膜器的 形状和规格等
在微滤和超滤过程中，被截留下来的大分子或悬浮颗粒的扩散系数比反 渗透、气体分离及渗透汽化过程所截留组分的扩散系数要小，因此在微 滤和超滤过程中浓差极化很严重
该模型可描述极限通量行为 压差增大-通量上升-膜表面处浓度上升-导致渗透压上升 所以压力的增高会(部分地)被渗透压增大而抵消
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边界层阻力模型
浓差极化现象导致膜表面处浓度增加 如溶质分子被膜完全截留，稳态条件下溶质分子通过对流流向膜表面的量=反向 扩散回原料主体的量 因此，100％截留时边界层中溶质分子的平均速度为零 由于浓度增加．边界层对渗透着的溶剂分于产生流体力学阻力 溶剂通量可用一个阻力模型表示，
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三 膜污染的形成：
致使膜通量下降的主要原因
(1)浓差极化(concentration polarization) 使膜面上溶质的局部浓度增加，边界 层流体阻力增加(或局部渗透压的升高)，使传质推动力下降和通量降低。
(2)凝胶层的出现及其固化 (gelation)在低流速，高溶质浓度下，浓差极化使 膜面达到或超过溶质饱和溶解度时，将有凝胶层出现 ----导致膜的透过量不依赖于所加压力，引起膜通量的急剧降低。浓差极化的严 重恶化会导致凝胶层的出现和固化 。
• 产水量下降, 脱盐率下降 • 阳离子物质过量或进水中有油类
化学污染产生的原因 • 前处理絮凝剂加入过量 • 化学品互不兼容 • 清洗用化学品不适合
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常见的污染物 - 4胶体
• 压差上升, 产水量下降
产生原因
• 进水水质较差 • 进水SDI值超出控制范围
淤泥密度指数（Silting Density Index, 简称SDI）值，是水质指标的重 要参数之一。它代表了水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水净化设备 的物体含量。
Inorganic fouling (CaSO4, CaCO3, BaSO4, silica) Organic fouling (NOM - protein & carbohydrate) Biofouling (the microbial attachment to membrane surface)
当反渗透膜带有电性时，不仅要考虑吸附作用，还应考虑电荷间的 相互作用
例如：CA膜和PAN膜都带有负电荷，后者的负电位比前者大5-6倍 当用这两种膜在相同条件下处理带正电荷的溶液时，后者的污染(吸 附)比前者严重得多 若处理带负电荷的溶液，后者的污染要比前者轻得多