（I）Загрязнение и засорение поверхности мембраны
1. Органическое загрязнение
Причина: Большое количество органических веществ, содержащихся в сточных водах, таких как белки, масла, полисахариды и т. д., адсорбируется и оседает на поверхности мембраны, образуя органическую пленку. Эти органические вещества обладают сильной адгезией и легко соединяются с микробными метаболитами, что еще больше усугубляет степень засорения. Например, при очистке сточных вод пищевой промышленности масло и белок, содержащиеся в сточных водах, накапливаются на поверхности мембраны, что приводит к снижению ее пропускной способности. Согласно соответствующим исследованиям, когда содержание масла в сточных водах пищевой промышленности превышает 100 мг/л, а содержание белка превышает 200 мг/л, на поверхности мембраны появляется явное органическое загрязнение в течение 24-48 часов работы, а поток через мембрану может снизиться на 20%-30%.
Влияющие факторы: Концентрация, тип, значение pH и температура органических веществ в сточных водах влияют на степень загрязнения поверхности мембраны органическими веществами. В целом, чем выше концентрация органических веществ и чем ближе значение pH к изоэлектрической точке таких веществ, как белки, тем больше вероятность загрязнения; при низкой температуре активность органических веществ снижается, и они легче осаждаются на поверхности мембраны. Например, при значении рН 4-6 количество адсорбированного белка на поверхности мембраны вблизи изоэлектрической точки примерно на 30%-50% больше, чем при значении рН 7.
2. Неорганическое загрязнение
Причина**: Осаждение неорганических солей в сточных водах, таких как кальций, магний, железо, кремний и т. д., является основной причиной неорганического загрязнения. Когда концентрация определенных ионов в сточных водах превышает их насыщенную растворимость, происходит реакция осаждения, в результате которой на поверхности мембраны образуется слой накипи. Например, в некоторых районах с жесткой водой и высокой концентрацией ионов кальция и магния в системе MBR может происходить осаждение накипи из карбоната кальция. Когда концентрация ионов кальция в сточных водах достигает более 200 мг/л, концентрация ионов магния - более 100 мг/л, а значение pH - более 8, скорость осаждения карбоната кальция значительно возрастает, и за короткий промежуток времени на поверхности мембраны может образоваться более толстый слой накипи, вызывающий резкое снижение потока через мембрану.
Влияющие факторы: Ионный состав, значение pH, температура и гидравлические условия сточных вод влияют на осаждение неорганических веществ. Например, увеличение значения pH снижает растворимость карбоната кальция, что облегчает образование осадков; при низкой скорости потока воды неорганические частицы имеют больше времени для осаждения на поверхности мембраны. Исследования показали, что при снижении скорости потока воды с 1 м/с до 0,1 м/с скорость осаждения карбоната кальция на поверхности мембраны увеличивается примерно в 5-10 раз.
3. Загрязнение микроорганизмами и их метаболитами
Причина: Микроорганизмы в системе MBR производят внеклеточные полимеры (EPS) в процессе своего роста и метаболизма. Эти EPS являются липкими и абсорбирующими и легко прилипают к поверхности мембраны. Кроме того, размножение и гибель микроорганизмов приводит к накоплению на поверхности мембраны таких веществ, как фрагменты клеток. Например, в долгосрочной системе MBR смена микробных сообществ может привести к тому, что некоторые микроорганизмы, обладающие сильными способностями к производству ЭПС, начнут размножаться в большом количестве, тем самым усугубляя загрязнение мембраны. Согласно исследованиям, в системах MBR некоторых очистных сооружений содержание EPS может достигать 10-50 мг/л, из которых содержание белков и полисахаридов составляет 40%-60% и 20%-40% от общего количества EPS, соответственно. Эти вещества EPS образуют толстую биопленку на поверхности мембраны, что приводит к снижению потока через мембрану.
Влияющие факторы: Содержание питательных веществ, уровень растворенного кислорода, температура, а также типы и количество микроорганизмов в сточных водах влияют на производство и накопление микроорганизмов и их метаболитов. Например, сточные воды с высоким содержанием питательных веществ способствуют росту и размножению микроорганизмов, что может привести к увеличению производства EPS; при недостатке растворенного кислорода метаболические пути микроорганизмов могут измениться, что приведет к образованию большего количества клейких веществ. Когда отношение химической потребности в кислороде (ХПК) к азоту и фосфору в сточных водах превышает 200, микроорганизмы активно растут, а производство ЭПС примерно на 20% - 30% выше, чем при нормальных условиях.
(ii) Закупорка пор мембраны
1. Закупорка мельчайшими частицами и коллоидами
Причина: Мелкие частицы и коллоиды, содержащиеся в сточных водах, такие как ил, глина, водоросли и т. д., имеют небольшой размер частиц и легко проникают в поры мембраны при физической фильтрации, постепенно блокируя поры мембраны. Эти мельчайшие частицы и коллоиды могут образовываться из взвешенных веществ в исходной воде, микробных метаболитов и флоккул, образующихся в процессе очистки сточных вод. Согласно исследованиям, в некоторых системах MBR с поверхностной водой в качестве источника воды, часть взвешенных веществ в воде с размером частиц менее 2 мкм может составлять 30% - 50% от общего количества взвешенных веществ. Эти мельчайшие частицы могут легко проникать в поры мембраны, вызывая ее закупорку.
Влияющие факторы: Концентрация взвешенных частиц в сточных водах, свойства коллоидных веществ и размер пор мембраны влияют на степень блокировки мельчайших частиц и коллоидных веществ. В целом, чем выше концентрация взвешенных частиц в сточных водах и чем хуже стабильность коллоидных веществ, тем легче им проникнуть в поры мембраны; чем меньше размер пор мембраны, тем выше риск блокировки. При увеличении концентрации взвешенных веществ в сточных водах с 50 мг/л до 200 мг/л риск закупорки пор мембраны возрастает примерно в 3-5 раз.
2. Закупорка в результате роста биопленки
Причина: На поверхности мембраны и в ее порах микроорганизмы растут и образуют биопленки при подходящих условиях окружающей среды. Разрастаясь, биопленки постепенно занимают пространство пор мембраны, что приводит к их закупорке. Образование биопленок тесно связано с такими факторами, как содержание питательных веществ, растворенного кислорода и температуры в сточных водах, а также зависит от свойств поверхности мембраны. Исследования показали, что при подходящей температуре (20-30℃), растворенном кислороде (2-8 мг/л) и питательных условиях скорость роста микроорганизмов на поверхности мембраны может достигать 0,1-0,3 мм/сутки, а толщина образовавшейся биопленки может достигать десятков микрон за короткое время, что серьезно влияет на пропускную способность мембраны.
Влияющие факторы: Концентрация органических веществ, уровень растворенного кислорода, температура сточных вод и гидрофильность мембраны влияют на скорость роста и степень блокировки биопленки. Например, если концентрация органических веществ высока, растворенного кислорода достаточно, а гидрофильность поверхности мембраны низкая, биопленка с большей вероятностью будет расти и блокировать поры мембраны. Когда концентрация ХПК в сточных водах превышает 500 мг/л, содержание растворенного кислорода составляет 4-6 мг/л, а угол контакта поверхности мембраны превышает 90° (плохая гидрофильность), скорость роста биопленки примерно на 40%-60% выше, чем при нормальных условиях.
(III) Проблема пузыря
Причинами чрезмерного пенообразования в мембранных бассейнах MBR являются расширение осадка, активные вещества в поступающем материале, чрезмерная аэрация и чрезмерная нагрузка на осадок. Расширение осадка приводит к увеличению объема осадка и образованию большого количества пены; активные агенты в поступающей жидкости склонны к образованию пены в процессе аэрации; чрезмерная аэрация приводит к трате энергии и образованию большого количества пузырьков; чрезмерная нагрузка на осадок влияет на эффективность отстаивания осадка и вызывает пенообразование.
(IV) Вопросы качества воды
Причины пожелтения стоков из мембранного бассейна MBR включают высокое содержание аммиачного азота в стоках, высокое содержание ионов металлов и неспособность удерживать пигментные мембраны с малыми молекулами. Отсутствие тщательной очистки аммиачного азота приводит к пожелтению стоков; ионы металлов, такие как ионы железа, меди или хрома, вызывают окрашивание воды; пигментные мембраны с малыми молекулами трудно эффективно удерживаются мембраной MBR и сбрасываются вместе со стоками.
