Par : Sunny Wu (Kate@aquasust.com)
Date de publication : 13 juin 2022
Balises du message :Pourquoi la membrane MBR est facile à encrasser et le lavage à contre-courant en ligne est inutile ?Que pouvons-nous faire ?
Le MBR a été largement et maturement utilisé dans le traitement des eaux usées car le MBR remplace le bassin de décantation secondaire, ce qui peut garantir les effluents SS et une concentration élevée de boues et éviter beaucoup de problèmes d'exploitation des eaux usées, mais le problème de contamination des membranes a également perturbé le développement. et le fonctionnement du MBR ! Alors, en réponse à ces problèmes, que doivent faire exactement les opérateurs de MBR pour trouver rapidement la cause profonde de la contamination de la membrane et donner des frappes précises afin de réduire la fréquence de nettoyage ?
Contenu du tableau :
1. Qu’est-ce que la contamination des membranes ?
2. Quels sont les types de contamination des membranes ?
3. L'influence des facteurs de contamination membranaire.
一,Qu’est-ce que la contamination des membranes ?
La contamination de la membrane fait généralement référence au processus d'adsorption et d'agrégation des substances présentes dans le mélange à la surface de la membrane (à l'extérieur) et à l'intérieur des pores de la membrane (à l'intérieur), entraînant le blocage des pores de la membrane et la réduction de la porosité, provoquant la dégradation de la membrane. flux et l’augmentation de la pression de filtration.
Lors du fonctionnement de la filtration membranaire, les molécules d'eau et les matériaux fins traversent continuellement la membrane, tandis que certains matériaux sont retenus par la membrane et bloquent les pores de la membrane ou se déposent à la surface de la membrane, provoquant ainsi une contamination de la membrane. On peut dire que la contamination membranaire est causée par la rétention membranaire. La manifestation directe de la contamination de la membrane est la diminution du flux membranaire ou l'augmentation de la pression de fonctionnement.
Les substrats nutritifs, les colloïdes bactériens, les cellules microbiennes, les débris cellulaires, les métabolites microbiens (EPS, SMP) et diverses substances organiques et inorganiques dissoutes présentes dans le système de mélange de boues activées contribuent tous à la contamination des membranes.
Le développement d'une contamination membranaire peut généralement être divisé en 3 étapes (il existe également des instructions 2-étapes).
(1) Contamination initiale : elle se produit au stade initial lorsque le système de membrane est mis en service et que la surface de la membrane interagit fortement avec les colloïdes et la matière organique du mélange, et la contamination se présente sous forme d'adhésion, d'effet de charge et blocage des pores de la membrane. Dans les conditions de filtration à flux décalé, de fins bioflocs ou polymères extracellulaires peuvent toujours adhérer à la surface de la membrane, tandis que les substances plus petites que la taille des pores de la membrane s'adsorberont dans les pores de la membrane et provoqueront une contamination de la membrane par les effets de la concentration, de la précipitation et de la croissance par cristallisation. reproduction.
(2) Contamination lente : initialement, la surface de la membrane est lisse et les grosses particules ne se fixent pas facilement, principalement par l'EPS, le SMP, les biocolloïdes et d'autres substances visqueuses adsorbées sur la surface de la membrane via des ponts d'adsorption, un piégeage en filet et d'autres effets pour former un couche de gel, ce qui entraîne une lente augmentation de la résistance à la filtration membranaire et les performances de rétention des polluants dans le mélange seront améliorées. La contamination de la couche de gel est inévitable et entraîne une lente augmentation de la résistance de la membrane. Cela se manifeste par une lente augmentation du TMP en mode débit constant et une lente décroissance du flux en mode pression constante.
(3) Contamination rapide : la couche de gel formée à l'étape 2 est progressivement dense avec le dépôt de contaminants sous l'action d'une différence de pression de filtration continue et d'un débit d'eau perméable, conduisant à la contamination de la membrane d'un changement quantitatif à un changement qualitatif, et aux flocs dans le Le mélange s'accumule rapidement sur la surface de la membrane et forme un gâteau de filtration de boue, et la différence de pression trans-membranaire augmente rapidement.
La contamination de la couche de gel est inévitable et entraîne une lente augmentation de la résistance de la membrane. Cela se manifeste par une lente augmentation du TMP en mode débit constant et une lente décroissance du flux en mode pression constante. Une fois qu'une grande quantité de flocs de boues est déposée sur la surface de la membrane et qu'une couche de gâteau de boues est formée, le système est fondamentalement incapable de fonctionner normalement. les principales considérations pour le processus d'exploitation et de maintenance du MBR sont de retarder la contamination de la couche de gel (maintenir de bonnes conditions hydrauliques, nettoyage in situ, contrôler le taux de développement de la contamination de la membrane et prolonger la durée de fonctionnement de la contamination lente) et de contrôler les boues. contamination de la couche du gâteau (contamination rapide).
2,WQuels sont les types de contamination des membranes ?
(1) Classification selon la composition des contaminants
a.Contamination organique
Il provient principalement des substances organiques macromoléculaires (polysaccharides, protéines...), des acides humiques, des flocs microbiens, des débris cellulaires... présents dans le mélange. Parmi eux, les matières organiques dissoutes SMP et EPS représentent 26 %-52 % de la contamination membranaire, bien que la proportion soit très faible pour les MLSS. La croissance microbienne et l'adsorption dans les pores de la membrane et à la surface de la membrane sont également des facteurs importants de contamination de la membrane.
b.Contamination inorganique
Formé par des sels métalliques, une action de pontage des ions de sel inorganique. La pollution inorganique courante de la membrane est principalement constituée de substances encrassantes de carbonate, de sulfate et de silicate de calcium, de magnésium, de fer et de silicium, parmi lesquelles le carbonate de calcium, le sulfate de calcium et l'hydroxyde de magnésium sont plus nombreux.
(2) Classification selon la nature des polluants
Pollution réversible (pollution temporaire) : peut être éliminée grâce à certaines mesures hydrauliques pour éliminer la pollution membranaire ; comme le lavage à contre-courant à l'eau propre, les secousses d'aération peuvent être supprimées.
Pollution irréversible (pollution à long terme) : ne peut pas être éliminée par des mesures de nettoyage hydrauliques pour éliminer la pollution des membranes, peut être éliminée par un nettoyage avec des oxydants, des acides, des alcalis, des agents réducteurs, etc.
Réversible et irréversible, les deux peuvent être lavés. Tout moyen de nettoyage qui ne peut être lavé est appelé pollution irrécupérable.
(3) Classification selon la localisation des contaminants
Le matériau du mélange est adsorbé, concentré et cristallisé dans les pores de la membrane, et la formation de pollution interne est appelée pollution interne ; la formation d'agrégation et de dépôt à la surface de la membrane est appelée pollution externe.
3,Til influence des facteurs de contamination membranaire
1. caractéristiques du mélange de boues
La source de contaminants membranaires dans le bioréacteur à membrane est un mélange de boues activées, et la pollution de la membrane par le mélange de boues est extrêmement compliquée.
1)EPS et SMP
Le polymère extracellulaire (EPS) et les produits microbiens dissous (SMP) sont tous deux des métabolites microbiens ayant à peu près la même composition. Ils ont un impact important et complexe sur la contamination des membranes et sont les polluants les plus importants dans le processus MBR.
Une concentration trop élevée d'EPS augmentera la viscosité du mélange qui n'est pas propice à la diffusion de l'oxygène dissous, rendant difficile l'oxygénation du système de boues, affectant ainsi les activités physiologiques normales du colloïde bactérien, et augmentant ainsi la résistance de filtration membranaire. Une teneur trop faible en EPS provoquera une décomposition des flocs, ce qui nuira au fonctionnement du MBR.
Par conséquent, il existe une valeur EPS optimale qui rend la structure du floc stable et ne provoque pas une forte tendance à la contamination de la membrane.
Il a été constaté que la plupart des SMP ont des poids moléculaires inférieurs à 1 KDa et supérieurs à 10 KDa, et que la matière organique dissoute de faible poids moléculaire, en passant à travers la membrane, a tendance à obstruer les pores de la membrane, provoquant une contamination de la membrane et devenant le principal résidu organique résiduel. matière dans l'effluent.
Parallèlement, les caractéristiques et la composition du SMP sont également affectées par plusieurs paramètres de fonctionnement.
En général, la tendance à la contamination de la membrane par le SMP dans le MBR diminue avec l'augmentation du MLSS, la diminution de la charge organique et l'augmentation de l'oxygène dissous.
2)Concentration MLSS de matières en suspension dans la liqueur mélangée
La concentration de MLSS affecte directement la viscosité du mélange, l'augmentation de la viscosité est la principale raison de la baisse des performances de filtration du mélange provoquée par l'augmentation du MLSS, si un mauvais débit ou une mauvaise force d'aération ne suffit pas à éliminer les solides attachés à la surface de la membrane, va bientôt provoquer la génération d'une couche de pollution.
3) Viscosité
La viscosité de la liqueur mélangée est influencée par le MLSS. Lorsque la concentration MLSS est supérieure à la valeur critique, la viscosité augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la concentration en solides.
Dans le MBR à fibres creuses, la viscosité du mélange affecte la taille des bulles et la flexibilité de la membrane fibreuse dans le réacteur. De plus, une viscosité accrue diminue l'efficacité du transfert de DO de l'oxygène dissous, et une faible concentration en oxygène dissous augmente la tendance à la contamination de la membrane.
4) Hydrophilie et hydrophobie des boues
Les résultats de nombreuses études ont montré que la matière organique dissoute hydrophile dans les boues joue un rôle négatif dans l’apparition de contamination des membranes. Cependant, il a également été constaté que des boues floculées hautement hydrophobes peuvent également provoquer une contamination des membranes.
L'hydrophobie et la charge superficielle des boues sont liées à la composition et à la nature des polymères extracellulaires et à l'indice de croissance des bactéries filamenteuses. La prolifération de bactéries filamenteuses génère une grande quantité, ce qui diminue le potentiel électrique, la forme irrégulière des boues floculées et l'augmentation de l'hydrophobie, conduisant à une grave contamination des membranes.
5) Taille des particules de boues
La diminution du flux membranaire est principalement causée par les particules autour de 2 µm. D'une manière générale, plus la taille des particules est petite, plus les particules se déposent facilement sur la surface de la membrane, et plus la couche de dépôt formée est dense, moins la perméabilité est grande, de sorte que la petite taille des particules aggravera la pollution de la membrane.
6) Indice de sédimentation des boues SVI
Bien qu'il n'y ait pas d'effet direct sur la contamination de la membrane, l'indice de décantation des boues (SVI) peut refléter la décantation des substances organiques dans le mélange.
À l’heure actuelle, les substances organiques non décantables, comme les colloïdes, matières organiques dissoutes, sont généralement considérées comme les principaux contaminants de la membrane.
2,Conditions opératoires du procédé MBR
Les conditions opératoires affectent directement ou indirectement la contamination des membranes ainsi que la nature et la composition des boues.
1) Temps de rétention des boues (SRT)
Les résultats pratiques montrent que l’augmentation du SRT peut réduire la production de SMP et d’EPS, et que le taux de contamination des membranes sera réduit.
Cependant, un SRT trop long peut conduire à une concentration élevée de boues, ce qui entraîne également une viscosité excessive et affecte le transfert de masse et l'hydrodynamique du réacteur, conduisant à une contamination plus grave des membranes. Le SRT pour les bioréacteurs à membrane dans le traitement général des eaux usées municipales est de 5-20 jours.
2) Temps de rétention hydraulique (HRT)
Bien que le THS n'ait aucun effet direct sur la contamination membranaire, un THS court fournira plus de nutriments aux micro-organismes et les fera croître rapidement, ce qui entraînera une concentration plus élevée de MLSS et un flux accru, ce qui augmentera le risque de contamination membranaire.
3) Température et pH
En comparant la température des différentes saisons, il est facile de constater que la pollution réversible est plus grave pendant la période de basse température et que la pollution irréversible se développe plus rapidement pendant la période de haute température.
La plage de pH de fonctionnement du MBR est généralement de 6-9, en dehors de la plage, les bactéries nitrifiantes dans le réacteur seront rapidement réduites, entraînant l'inhibition de la nitrification. Lorsque le pH est supérieur à sa valeur critique, la contamination de la membrane est rapide et lorsque la température augmente, le pH maximum admissible diminue.
4) Oxygène dissous (OD)
Une faible concentration d'oxygène dissous réduira l'hydrophobicité des cellules et provoquera la décomposition des flocs de boues. Lorsque l'OD est inférieure à 1 mg/l, la teneur en SMP augmente fortement. L'oxygène dissous affecte également la composition de l'EPS et du SMP, et dans les systèmes à haute DO MBR, le rapport protéines/polysaccharides augmente et la composition de la communauté microbienne est très différente.
5) Flux membranaires
Pour tous les procédés membranaires, des flux élevés peuvent entraîner une contamination accrue de la membrane.
Équilibrer le choix du flux en minimisant la surface de la membrane, les intervalles de lavage à contre-courant et de nettoyage chimique ont également un impact direct sur les coûts d'exploitation.
6) Débit et aération échelonnés
Dans les bioréacteurs à membrane divisée, le CFV est l’une des méthodes permettant de modifier rapidement la perméabilité de la membrane.
Dans les systèmes avec des membranes à forte concentration et de petite taille de pores, l'augmentation du CFV peut atténuer le dépôt de contaminants sur la surface de la membrane. Cependant, pour les particules de liqueur mélangée relativement importantes, l’amélioration du CFV n’a aucun effet, voire un effet opposé, sur l’élévation du flux.
L'aération joue un rôle très important dans le processus MBR immergé : a, en fournissant de l'oxygène dissous grâce à l'aération pour une croissance et un métabolisme normaux des micro-organismes dans les boues ; b, jouant un rôle d'agitation pour suspendre les boues et les mélanger entièrement dans la solution mélangée ; c, desserrer les filaments de membrane du module de membrane à fibres creuses et générer des forces de cisaillement sur la surface de la membrane pour réduire le dépôt de polluants sur la surface de la membrane et empêcher dans une certaine mesure la génération d'une contamination de la membrane.
3,La nature de la membrane et la structure de ses composants
1) Taille des pores de la membrane
Membrane de petite taille de pores, facile à retenir les contaminants dans la solution et à produire une couche déposée sur la surface de la membrane, de sorte que la résistance de la membrane augmente. Ce type de pollution est généralement une pollution réversible, peut être éliminée par un mauvais débit, un lavage à contre-courant, une aération et d'autres moyens physiques, la pollution interne est faible.
Membrane de grande taille de pores, le colmatage des pores de la membrane est plus grave au début de la filtration, avec la formation d'une membrane dynamique sur la surface, l'effet de rétention commence à s'améliorer. Mais les polluants se déposent et s'obstruent facilement à la surface et à l'intérieur des pores de la membrane, formant une pollution irréversible, voire non récupérable, qui devient le principal facteur provoquant une dégradation des performances de la membrane et une réduction de sa durée de vie en fonctionnement à long terme.
2) Matériaux membranaires
Pour la contamination de différents matériaux de membrane dans le MBR anaérobie, la tendance à la contamination de la membrane en polyfluorure de vinylidène (PVDF) est nettement inférieure à celle des membranes en polysulfone (PS) et en cellulose dans les mêmes conditions opératoires.
Il convient de mentionner que la composition des contaminants irréversibles dépend du matériau de la membrane lorsque des polymères similaires au matériau de la membrane sont présents dans la fraction organique des boues activées.
3) Degré de rugosité de la surface de la membrane
L'augmentation de la rugosité de la surface de la membrane augmente la possibilité d'adsorption de contaminants sur la surface de la membrane, mais elle augmente également le degré de déflexion de la surface de la membrane, ce qui empêche le dépôt de contaminants sur la surface de la membrane, de sorte que l'effet de la rugosité sur le flux de la membrane est le résultat d’une combinaison des deux facteurs.
4) Hydrophobie
L'hydrophobie du matériau de la membrane a également une influence importante sur la contamination de la membrane. En comparant les membranes d'ultrafiltration hydrophobes et hydrophiles, on conclut que la surface de la membrane d'ultrafiltration hydrophobe est plus susceptible d'adsorber les substances dissoutes et présente une plus grande tendance à la contamination.
Actuellement, la plupart des moyens de modifier l’hydrophobicité des membranes consistent à modifier les matériaux des membranes. Comme modifier la taille des pores, la rugosité de la surface de la membrane, ajouter des matériaux inorganiques pour former un pré-revêtement dynamique sur la surface de la membrane, etc.
4,Mesures de contrôle de la contamination des membranes
Les principaux facteurs de formation d'une contamination de la membrane sont : la nature inhérente de la membrane, la nature du mélange et l'environnement d'exploitation du système, le contrôle et la résolution de la contamination de la membrane doivent également prendre des mesures correspondantes à ces trois aspects.
(1) La nature inhérente de la membrane
Les propriétés physiques et chimiques de la membrane sont déterminées par le matériau de la membrane, et la capacité antipollution de la membrane dans le mélange est liée à son matériau. Il a été démontré que le caractère hydrophile de la membrane a un effet très important sur la capacité anti-pollution. Parmi les matériaux de membrane organique, certains sont des matériaux hydrophiles tels que le PAN et la plupart sont des matériaux hydrophobes tels que le PVDF, le PE, le PS, etc. Les matériaux organiques hydrophobes doivent être modifiés de manière hydrophile lorsqu'ils sont appliqués, et en raison de la différence dans le processus de modification, la perte L'hydrophilie en cours d'utilisation sera rapide et lente.
De plus, la capacité anti-pollution de la membrane est également liée à la rugosité de la surface de la membrane, à la charge de la surface de la membrane, à la taille des pores de la membrane, etc. D'une manière générale, la capacité anti-pollution de la membrane peut être améliorée en choisissant des matériaux de membrane présentant une meilleure hydrophilie, améliorant ainsi la rugosité. de la surface de la membrane, en choisissant des matériaux de membrane ayant le même potentiel que le mélange et une taille de pores de membrane appropriée.
Les membranes inorganiques telles que les membranes céramiques : alumine, carbure de silicium, oxyde de titane, oxyde de zirconium, etc. en tant que matières premières, frittage à haute température, en termes de flux, de résistance, de stabilité chimique, présentent des avantages évidents par rapport aux membranes organiques.
(2) La nature du liquide mélangé
La contamination de la membrane résulte en grande partie de l’interaction entre la membrane et le mélange. La nature du mélange comprend la concentration et la viscosité des boues, la distribution des particules, la concentration en matière organique dissoute, la concentration en métabolites microbiens, etc.
Lorsque la concentration des boues est faible, la capacité d'adsorption et de dégradation de la matière organique des boues est insuffisante, la concentration de matière organique dans le mélange augmente, le blocage des pores de la membrane est grave et la concentration de soluté à la surface de la membrane est considérablement augmentée en raison de la concentration de polarisation de concentration, qui permet de former facilement une couche de gel, ce qui entraîne une résistance de filtration accrue ; lorsque la concentration des boues est supérieure à une certaine valeur, la concentration en EPC augmente, la viscosité des boues augmente rapidement et la viscosité a un impact sur le flux membranaire et la taille des bulles dans le mélange, et les boues Il est facile de se déposer dessus la surface de la membrane et forment une couche de boue plus épaisse. On pense généralement qu'il existe une valeur critique de concentration des boues, lorsque la concentration des boues est supérieure à cette valeur, le flux membranaire sera affecté de manière négative, de sorte que la concentration des boues peut être choisie pour contrôler efficacement la contamination de la membrane dans une plage appropriée. L'expansion des boues et leurs fines peuvent provoquer une grave contamination des membranes.
La qualité de l'eau entrante du processus MBR a également un impact plus important sur les composants du mélange, ce qui nécessite un certain degré de prétraitements, tels que les cheveux et les déchets qui s'enrouleront autour du motif, provoquant l'accumulation de boue dans le module membranaire et conduisant ainsi à la membrane. contamination, qui doit être éliminée par différentes grilles membranaires fines avant d'entrer dans la biochimie aérobie ; la boue, le sable et d'autres particules dures peuvent endommager les filaments de la membrane, qui doivent être éliminés par le bac à sable ; l'huile provoque une contamination non nettoyable des filaments de la membrane. la pollution, au-delà des exigences, doit être éliminée par piège à pétrole, flottation aérienne, etc. ; substances inorganiques : peuvent précipiter à la surface de la membrane, s'incruster et bloquer les pores de la membrane. Il peut être contrôlé par floculation et précipitation ou par ajustement du pH pour l’empêcher de précipiter. D'autres contaminants caractéristiques ayant un impact sur la membrane, tels que les solvants organiques, les tensioactifs, les antimousses, le PAM, la dureté, l'alcalinité et la température, doivent faire l'objet d'une attention particulière dans des cas spécifiques.
(3) Environnement d'exploitation du système
a.Flux sous-critique
Le flux critique est défini comme l'existence d'un flux tel que lorsque le flux est supérieur à cette valeur, le TMP augmente significativement, tandis que lorsque le flux est inférieur à cette valeur, le TMP reste stable. Ce concept peut nous aider à trouver un point de référence entre la maximisation du flux membranaire et un contrôle efficace de la contamination membranaire. Dans le fonctionnement réel des modules à membrane, le flux de fonctionnement supérieur au flux critique est appelé fonctionnement à flux supercritique, et le flux de fonctionnement inférieur au flux critique est appelé fonctionnement à flux sous-critique. En pratique, il faut choisir le flux opératoire approprié. Cette valeur de flux de fonctionnement se situe dans la plage sous-critique, et parfois le flux de fonctionnement ne représente qu'environ 50 % du flux critique. Bien entendu, la contamination de la membrane dans un MBR de longue durée, même avec le mode de fonctionnement à flux sous-critique, entraîne une augmentation progressive du TMP.
b.Aération raisonnable
Dans le MBR, le but de l'aération n'est pas seulement de fournir de l'oxygène aux micro-organismes, mais également de faire circuler les bulles montantes et l'eau perturbatrice qu'elles génèrent pour nettoyer la surface de la membrane et arrêter l'agrégation des boues pour maintenir le flux membranaire stable. Dans le même temps, l'effet de tremblement généré par la collision entre les bulles et les fibres de la membrane fait même frotter les fibres de la membrane les unes contre les autres, ce qui peut accélérer l'élimination des sédiments à la surface de la membrane et faciliter l'atténuation de la pollution de la membrane. Lorsque l'aération est trop importante, la taille des particules du dépôt à la surface de la membrane diminuera, rendant la structure du gâteau de filtration plus dense, augmentant ainsi la résistance à la filtration membranaire ; au contraire, lorsque l'aération est trop faible, la perturbation sera affaiblie et la pollution sera aggravée, il faudra donc choisir l'aération appropriée.
c.Fonctionnement et arrêt de l'alternance
Selon la théorie des 3-étapes de contamination membranaire, la formation d'une contamination à la surface de la membrane nécessite un processus. Premièrement, les contaminants vont s’adsorber, se déposer et s’accumuler à la surface de la membrane. Le mode de fonctionnement du pompage intermittent vise à restaurer les performances de filtration membranaire en arrêtant périodiquement la filtration membranaire afin que les boues déposées à la surface de la membrane puissent être délogées de la surface de la membrane par la force de cisaillement provoquée par l'aération et l'écoulement de l'eau. Généralement, plus le temps de pompage est long, plus l'accumulation de matières en suspension à la surface de la membrane est importante ; plus le temps d'arrêt est long, plus les boues déposées à la surface de la membrane tomberont complètement et plus les performances de filtration membranaire pourront être récupérées. En principe, la méthode alternative de fonctionnement et d'arrêt doit être déterminée en fonction des recommandations du fabricant de la membrane et du fonctionnement réel du projet afin de répondre à ses propres caractéristiques.
