Анализ основ мембранного загрязнения и последних достижений в области стратегии смягчения последствий загрязнений в МБР

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ОСНОВ МЕМБРАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОСЛЕДНИХ ДОСТИЖЕНИЙ В ОБЛАСТИ СТРАТЕГИИ СМЯГЧЕНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В МБР

Нибусина Вероника Игоревна

магистрант,

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Аннотация

Мембранный биореактор (MBR) является эффективной и компактной технологией для очистки бытовых и промышленных сточных вод. Однако, существует важный недостаток, который препятствует широкому применению МБР - это мембранное загрязнение, которое значительно снижает производительность мембраны и продолжительность её жизни, что усложняет эксплуатацию и приводит к повышению затрат. Определение мембраны, устойчивой к загрязнениям в МБР является одной из основных проблем данной технологии в течение последних двух десятилетий. В данной статье представлен обзор мембранного загрязнения и исследований, проведенных для выявления факторов, снижающих загрязнение мембран в МБР. Также описаны классы загрязнений, включая биозагрязнения, органические и неорганические загрязнения, а также факторы загрязнения мембраны. Помимо этого, представлены недавние исследования в области контроля загрязнений, в том числе добавление коагулянтов и адсорбентов, сочетание аэробной грануляции с МБР и внедрение гранулированных материалов с воздушной очисткой в резервуар МБР. Добавление коагулянтов и адсорбентов показывает значительное снижение загрязнения мембраны, однако необходимы дальнейшие исследования для установления оптимальных доз различных коагулянтов/адсорбентов. Аналогичным образом, интеграция аэробной грануляции с МБР, которая ориентирована биозагрязнения и органические загрязнения, показывает отличную производительность инфильтрации и значительно уменьшает скорость обрастания мембран, а также превосходно удаляет питательные вещества. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования по повышению долгосрочности и целостности мембран.

Ключевые слова: аэробная грануляция, внеклеточные полимерные вещества, МБР, мембранное загрязнение, мембранный биореактор, определение загрязнения, очистка сточных вод, растворимые продукты жизнедеятельности микробов

мембранный биореактор загрязнение сточный

The membrane bioreactor (MBR) has emerged as an ef?cient compact technology for municipal and industrial wastewater treatment. The major drawback impeding wider application of MBRs is membrane fouling, which signi?cantly reduces membrane performance and lifespan, resulting in a signi?cant increase in maintenance and operating costs. Finding sustainable membrane fouling mitigation strategies in MBRs has been one of the main concerns over the last two decades. This paper provides an overview of membrane fouling and studies conducted to identify mitigating strategies for fouling in MBRs. Classes of foulants, including biofoulants, organic foulants and inorganic foulants, as well as factors in?uencing membrane fouling are outlined. Recent research attempts on fouling control, including addition of coagulants and adsorbents, combination of aerobic granulation with MBRs, introduction of granular materials with air scouring in the MBR tank. The addition of coagulants and adsorbents shows a signi?cant membrane fouling reduction, but further research is needed to establish optimum dosages of the various coagulants/adsorbents. Similarly, the integration of aerobic granulation with MBRs, which targets biofoulants and organic foulants, shows outstanding ?ltration performance and a signi?cant reduction in fouling rate, as well as excellent nutrients removal. However, further research is needed on the enhancement of long-term granule integrity.

Keywords: aerobic granulation, EPS, extracellular polymeric substances, membrane bioreactor, membrane fouling, SMPS, soluble microbial products, wastewater treatment

Введение

Классификация загрязнений

Мембранные загрязнения в MBR могут быть сгруппированы в биозагрязнения, органические и неорганические загрязнения на основе их биологических и химических характеристик [27].

Биозагрязнения

К биозагрязнениям относятся бактерии или хлопья, которые осаждаются, растут и обмениваются веществами в результате мембранного загрязнения [2]. Для начала, одна клетка бактерии может прикрепиться к поверхности мембраны или внутри ее пор и, по прошествии некоторого времени, клетка размножается в кластер из клеток, что приводит к образованию биокорки, и, следовательно, снижению проницаемости мембраны. Бактерии (биозагрязнения) и продукты их жизнедеятельности способствуют загрязнению [28]. По существу, биозагрязнение мембраны представляет собой двухстадийный процесс, который заключается в прикреплении бактерии, а затем её размножение на поверхности мембраны [29].

Органические загрязнения

Органическими загрязнениями в МБР являются биополимеры, например, полисахариды и белки, осаждение которых на мембране приводит к снижению ее проницаемости. Эти загрязнения появляются из продуктов метаболизма бактерий, которые в совокупности называются внеклеточными полимерными веществами EPS. По сравнению с крупными частицами, такими как хлопья шлама, осаждение органических загрязнений на поверхности мембраны удалить значительно труднее [5]. В эксперименте исследования мембранного загрязнения при различных эксплуатационных условиях с использованием лабораторного погружного МБР модулем половолоконной мембраны, Ван и Ли [31] сообщили, что биополимеры являются важными загрязнителями и оказывают значительное влияние на мембранное обрастание.

Выводы из их эксперимента в дальнейшем показали, что скорость загрязнения мембраны в реакторе коррелирует с концентрацией биополимера в суспензии осадка при различных условиях.

В дополнение к EPS, как показало исследование, в осадке МБР также содержится объединение свободных органических растворенных веществ, называемых кластером биополимеров (BPC) [32].

BPC является результатом группирования свободных EPS и растворенных микробных продуктов (SMP) в активном иле [33]. BPC намного больше, чем SMP и состоят они в основном из биополимеров с небольшим количеством микроорганизмов [33,34]. Наличие нескольких микроорганизмов в кластере биополимеров делает его отличными от бактериальных хлопьев. Из-за своих больших размеров, BPC удерживается мембраной в МБР и, таким образом, не проникает в очищенные стоки. Большая площадь поверхности мембраны в МБР обеспечивает благоприятные условия для формирования кластера биополимеров и его роста. В то же время, образование и накопление BPC в МБР приводит к серьезному загрязнению мембраны [34]. В эксперименте исследования склонности обрастания ила МБР, Сун и др. [35] сообщили о том, что увеличение концентрации BPC на 20% и 60% в приблизительно 3,5 мг/л в иловой смеси заметно повысило скорость загрязнения на 120% и 300%, соответственно. Это указывает на то, что кластер биополимеров в суспензии МБР оказывает существенное влияние на загрязнение. Также проводились исследования для нахождения пути снижения мембранного загрязнения за счет BPC. Сообщалось, что озонирование BPC позволит уменьшить негативную роль BPC при загрязнении мембран [35]. В этом эксперименте при 0,03 мг О₃/мг общего органического углерода (ТОС) BPC уменьшался средний размер BPC от 38 до 27 мкм а увеличение дозы до 0,3 мг О₃/мг ТОС дополнительно уменьшается размер BPC до 12 мкм. Далее сообщалось, что озонирование также изменило свойства поверхности кластера биополимеров, что привело к увеличению фильтруемой доли и снижению вязкости смешанной жидкости.

Неорганические загрязнения

Неорганические загрязнения представляют собой группу неорганических веществ, которые осаждаются на поверхности мембраны или в ее порах, что приводит к мембранному загрязнению. Примеры таких веществ включают в себя катионы и анионы, такие как Ca^2+, Mg²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, SO₄^2-, PO₄³, CO₃^2-, OH^- и т.д. [36,37]. Эти разновидности осаждаются на поверхности мембраны из-за гидролиза, что приводит к изменению рН и окислению [31].

В сущности, неорганические загрязнения образуются при химическом осаждении неорганических соединений и/или биологического осаждения неорганических-органических комплексов [36]. В то время как умеренное количество ионов металлов, таких как Са²⁺ (до 280 мг/л), может быть полезным при контроле и улучшении биообрастания ввиду привязки и преодоления EPS (следовательно, повышении биофлокуляции), его высокие концентрации (выше 800 мг/л) значительно увеличивают неорганическое загрязнение в связи с высоким содержанием неорганического осадка в иловой смеси МБР [38]. Неорганические загрязнения также называют “минеральные отложения”, чтобы отличать их от биозагрязнения и органического загрязнения [39]. Кристаллизация и обрастание частицами являются двумя основными механизмами, которые играют решающую роль в процессе неорганического загрязнения мембраны в МБР. В кристаллизации, осаждение ионов - это путь к осаждению на поверхности мембраны; в то время как обрастание частицами представляет собой последующую конвективную транспортировку коллоидных частиц в растворе к поверхности мембраны [40]. Для удаления неорганических осадков с поверхности мембраны как правило применяется химическая очистка, как более эффективная, чем механическая [2].

Факторы, влияющие на мембранное загрязнение в МБР

На мембранное загрязнение в МБР влияют различные факторы. Они могут быть сгруппированы в три категории, а именно: характеристики мембраны, условия эксплуатации, а также характеристики подачи и биомассы (рис. 2).

Рис. 2. Факторы, влияющие на мембранное загрязнение в МБР

Характеристики Мембраны

Материал мембраны

Материал, из которого изготовлена мембрана оказывает влияние на ее предрасположенность к загрязнениям в МБР. Исходя из материала, мембраны могут быть подразделены на: керамические, полимерные и композитные. Керамические мембраны демонстрируют хорошие показатели фильтрации благодаря их высокой химической стойкости, целостности, инертности и легкости очистки, что приводит к низким эксплуатационным расходам [13,41,42]. Керамические мембраны являются также высокогидрофильными [5], что делает их более устойчивыми к загрязнениям. Тем не менее, их высокая стоимость изготовления и хрупкость [41] делает их применение экономически нецелесообразным для систем МБР. Полимерные мембраны являются наиболее распространенным и доступным типом мембран.

Полимерные мембраны имеют хорошую физическую и химическую стойкость, но в основном являются гидрофобными [5]. Примеры полимерных мембранных материалов включают в себя поливинилиденфторид (PVDF), полиэтилсульфон (PES), полиакрилонитрил (PAN), полисульфон (PS), полиэтилен (PE), поливинилбутираль (PVB), ацетилцеллюлоза (СА), полипропилен (РР), политетрафторэтилен (PTFE), и т.д. Из-за гидрофобности полимерные мембраны, как правило, легко загрязняются, но тем не менее, они широко используются в настоящее время из-за простоты установления размеров пор. Композиционные мембраны получают из двух или более материалов для объединения сильных сторон составных материалов в конечном продукте. Как правило, один материал образует активную поверхность, а другой - форму опорного слоя [13]. К примеру, гидрофобные мембраны покрываются гидрофильным полимером, для исключения недостатка обрастания.

В следствие этого, свойства мембран могут быть модифицированы с целью уменьшения их загрязнения. Таким образом были проведены исследования, сосредоточенные на модификации мембранных материалов для уменьшения загрязнения в МБР. Ю. и др. [43] представили работу, в которой была модифицирована поверхность РР мембраны с помощью плазменной обработки воздуха; также эта модифицированная мембрана была использована для исследования характеристик загрязнения в погруженном МБР. Полученные данные показали, что поток воды, восстановленный после очистки мембраны каустической содой, был на 35% выше, чем у мембраны без каких-либо модификаций [43]. Еще одно исследование было проведено PES ультрафильтрационной (UF) мембраной, модифицированной использованием различных видов наносеребра [44]. Результаты этого исследования показали, что модифицированная мембрана нуждается в меньшем контроле загрязнений. Другой новой модификацией для снижения загрязнения является производство мембраны с фотокаталитическими наночастицами. В связи с этим, Могадам и др. [45] оценили производительность потока и свойства обрастания PVDF-TiO₂ нанокомпозитных мембран, с и без УФ-облучения. Авторы обнаружили, что композитные мембраны (по сравнению с PVDF мембранами без модификаций) очень быстро достигли стабилизации потока и без облучения и под действием УФ.

Кроме того, PVDF-TiO₂ нанокомпозитные мембраны представили лучшее восстановление соотношения потока при сочетании фильтрации с УФ-облучением при 365 нм. Также сообщается о более низкой частоте очистки мембраны для PVDF-TiO₂ нанокомпозитных мембран по сравнению PVDF мембран без модификаций.

Тем не менее, долгосрочные последствия применения модифицированных мембран требуют дальнейшего изучения, особенно для мембран, модифицированных наночастицами, поскольку эти наночастицы могут иметь влияние на здоровье человека и экотоксикологическое воздействие [46].

Сродство к воде

Сродство к воде (гидрофильность или гидрофобность) является свойством материала мембраны, влияющим на загрязнения в МБР. Признак сродства к воде для материала мембраны определяется путем измерения угла смачивания капли воды на его поверхности [47].

Меньшие углы смачивания указывают на гидрофильность, в то время как большие углы говорят о гидрофобности. Из-за гидрофобных взаимодействий, происходящих между материалом мембраны, микробной клеткой и растворенными веществами, загрязнение мембраны более серьезно с гидрофобными материалами по сравнению с гидрофильными [1].

Это происходит потому, что более гидрофильные материалы мембран в меньшей степени адсорбируют растворенные в сточных водах макровещества, таких как белки. Гидрофобные материалы, с другой стороны, имеют тенденцию адсорбировать гидрофобные вещества в сточных водах, что приводит к загрязнению. Для того, чтобы установить баланс, композитные мембраны получают путем покрытия гидрофобных мембран тонким слоем гидрофильного материала, сочетая тем самым в себе надежность первого и низкую склонность к загрязнениям второго материала [47].

Шероховатость поверхности мембраны

Шероховатость поверхности мембранного материала также имеет некоторое влияние на загрязнение мембран в МБР. Мембраны с однородными поверхностями менее подвержены загрязнениям чем те, которые имеют шероховатость [47]. Результаты исследований показали, что мембраны с более высокой шероховатостью поверхности загрязняются быстрее [48]. Это происходит потому, что грубая поверхность мембраны обеспечивает впадины для коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах, которые накапливаются в них [49], что приводит к закупориванию впадин, таким образом, увеличивая серьезность загрязнения для более грубых поверхностей мембран [50].

Тем не менее, исследование, проведенное с целью изучения взаимосвязи между шероховатостью поверхности и загрязнением мембраны в МБР показали, что мембраны, имеющие более высокие выступы на их внешней поверхности, проявляют высокое сопротивление загрязнениям после восстановления проницаемости путем обратной промывки мембраны [51].

Это связано с накоплением загрязнений во впадинах между выступами. Поэтому, несмотря на то, что грубые поверхности увеличивают склонность загрязнений, шероховатая поверхность с выступами может улавливать загрязнения в своих впадинах и продолжать функционировать нормально.

Поверхностный заряд мембраны

Поверхностный заряд мембраны - еще одно важное свойство относительно мембранного загрязнения, особенно в случаях, когда в исходных стоках имеются заряженные частицы. Было показано, что большинство мембранных материалов отрицательно заряжены при нормальных условиях [47]. Отчасти это связано с коллоидными частицами, которые откладываются на поверхности мембраны [49]. Некоторые катионы в MLSS, такие как Ca²⁺ и Al³⁺, могут реагировать с отрицательно заряженной поверхностью мембраны, что приводит к неорганическому загрязнению.

Размер пор мембраны

Как правило, мембраны, используемые при очистке сточных вод, в широком смысле разделены на два вида: пористые и непористые. Пористые мембраны используют деформацию, просеивание, или размер исключения для отдельных частиц, например, микрофильтрацией (MF), ультрафильтрацией (UF), и нанофильтрацией (NF) [39]. Непористые мембраны используют различия в температуропроводности или растворимости между растворителем и растворенным веществом в мембранах для разделения [39,52]. Примером непористых мембран являются нанофильтрационные (NF) мембраны и мембраны обратного осмоса (RO). Поскольку механизмом разделения в МБР является отбор (с исключением по размеру), для этого в основном используются MF и UF мембраны [5], что обеспечивает полное физическое удерживание бактериальных хлопьев и практически всех взвешенных твердых частиц в биореакторе [1]. Размер пор мембран по отношению к размерам частиц в подаваемом потоке сточных вод в МБР может иметь влияние на загрязнение мембраны. Блокирующий поры механизм имеет тенденцию к увеличению с возрастанием размера пор мембраны [47]. Это происходит потому, что это проще для мелких частиц, которые входят в поры мембраны и попадают в ловушку, в результате чего поры закупориваются [53]. С меньшими порами, большие частицы быстро образуют верхний слой на мембране и собирают более мелкие частицы. Полученный слой, сформированный на поверхности мембраны может быть легко удален с помощью очистки воздухом или турбулентностью в результате фильтрации поперечного потока.

Это схематически показано на рисунке 3. В общем случае, воздействие размера пор мембраны на загрязнения в значительной степени зависит от состава сточной воды, в частности, распределения частиц по размерам.

Рис.3. Схемы блокировки пор мелкопористых и крупнопористых мембран

Миёси и др. [54] исследовали влияние различных полимерных мембранных материалов, взаимосвязи между размером пор мембраны и загрязнением в МБР с использованием CAB, PVB и PVDF мембран.

Их результат показал, что мембранное загрязнение уменьшается с увеличением размера пор мембраны для PVDF мембран; однако САВ мембраны проявляли противоположную тенденцию [54]. Это указывает на то, что лучший размер пор, снижающий мембранное загрязнение в МБР, отличается для различных полимерных материалов. Следовательно, рабочие параметры МБР должны быть тщательно подобраны для различных полимерных мембранных материалов.

Условия эксплуатации

Рабочий режим

У МБР в основном есть два режима работы, а именно - постоянное TMД с переменным потоком пермеата и постоянный поток пермеата (L/м² ч) с переменным TMД. Последний является наиболее предпочтительным, так как он может легко справиться с флуктуациями гидравлической нагрузки [47].

При работе в постоянном потоке пермеата, загрязнение мембраны наблюдается при скачке ТМД [181]. Критический поток должен быть определен в постоянной работе потока, поскольку он является важным параметром работы MБР [5]. Определение критического потока представлено Diez и др. [55]. Критический поток представляет собой количественный параметр для фильтруемости различных мембран и/или различного раствора активного ила [56]. Критический поток является потоком, выше которого осаждение твердых частиц на поверхности мембраны становится очевидным (кек или гелеобразование) [55]. С практической точки зрения, однако, критический поток недостижим в МБР.

Устойчивый поток относится к потоку, выше которого скорость загрязнения мембраны экономически и экологически неустойчива [57], или поток, для которого происходит постепенное увеличение ТМД с приемлемой скоростью, таким образом, что химическая очистка не требуется [1]. В сущности, устойчивый поток, который меньше критического, обеспечивает приемлемый рост TMД. Этот рабочий поток играет ключевую роль в загрязнении MБР. Для системы МБР, работающей при потоке ниже критического, предотвращается избыточное отложение биомассы на поверхности мембраны [2,44,58].

Скорость аэрации

Аэрация играет двойную роль в аэробных МБР. Она поставляет кислород для биологических процессов и выступает в качестве способа очистки поверхности мембраны (воздушная очистка). Кислород, подаваемый путем аэрации, облегчает биодеградацию и клеточный синтез биомассы [12]. Исследования показали, что увеличение скорости аэрации в MБР приводит к уменьшению загрязнения мембраны [59,60]. В исследовании, для изучения влияние скорости аэрации на мембранное загрязнение в лабораторном погружном МБР, Yigit и др. [61] сообщили, что увеличение скорости аэрации положительно влияет на возможность контроля загрязнения. Тем не менее, степень такого положительного эффекта была существенно уменьшена, при увеличении MLSS. Это связано с повышенной вязкостью в результате высоких уровней MLSS. Скорость аэрации должна быть в пределах от 3л воздуха/мин м² до 12л воздуха/мин м² [17].

В то время как высокая скорость аэрации может свести к минимуму загрязнение мембраны под действием очистки, она также оказывает влияние на характеристики биомассы. Высокая интенсивность аэрации приводит к разрушению хлопьев осадка и последующему производству SMP [2]. Более высокая скорость аэрации также увеличивает потребление энергии, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов [62,63]. Таким образом, необходимо найти оптимальную интенсивность аэрации, которая приводит к балансу между ними. Было установлено, что выход за пределы критической интенсивности аэрации увеличивает мембранное загрязнение, вследствие распада больших хлопьев [64]. В связи с этим, Nywening и Чжоу [63] изучали производительность мембранного загрязнения и очистку аэрацией в трех пилотных погружных МБР, работающих на серии потоков пермеата, с интенсивностью очищающей аэрации и циклической частотой аэрации как для обработки муниципальных сточных вод. Они разработали очень полезное эмпирическое соотношение, связывающее стабильное обратимое сопротивление загрязнению с устойчивым потоком пермеата и интенсивностью очищающей аэрации, которое показано в уравнении (1):

где

сопротивление загрязнению при рабочих условиях

сопротивление загрязнению на контрольной точке

критический поток,

поток пермеата на контрольной точке

поток пермеата в рабочем состоянии

интенсивность очищающей аэрации в рабочем состоянии

интенсивность очищающей аэрации на контрольной точке

показатель интенсивности очищающей аэрации, который приблизительно равен -2.

Время удержания твёрдых веществ в системе (SRT)

SRT является очень важным фактором, влияющим на мембранное загрязнение в МБР [13]. SRT влияет главным образом на образование внеклеточных полимерных веществ (EPS). Большинство исследований указывают на то, что с увеличением SRT в результате снижается концентрация EPS, так как биомасса дольше остается в системе; с понижением SRT увеличивается EPS [65-68]. Высокие показатели SRT приводят к условиям голодания в биореакторе, создавая благоприятные условия для снижения EPS, уменьшения производства осадка и нитрификации [5,69]. Тем не менее, чрезвычайно высокое SRT не желательно, так как оно увеличивает загрязнение мембраны вследствие накопления веществ (MLSS) и увеличения вязкости шлама [66]. Чрезмерно высокое SRT также может привести к увеличению концентрации биомассы что способствует снижению эффективности аэрации [53].

В эксперименте, где исследовалось влияние SRT на загрязнение мембраны МБР, Ван ден Брок и др. [53] сообщили о низкой скорости загрязнения мембраны за 30 дней и 50 дней по сравнению с SRT 10 дней. Было показано, что при работе в 50 дней имеется тенденция к увеличению загрязнения [13].

Аналогичным образом, работа при очень низком SRT (до двух дней) значительно увеличивает мембранное загрязнение [1]. Это было связано с увеличением концентрации EPS при таких низких SRT [2]. Чрезвычайно низкое SRT также приводит к снижению производительности МБР в результате низкой концентрации биомассы [70].

Гидравлическое время удерживания (HRT)

HRT имеет косвенное влияние на мембранное загрязнение, оно определятся рабочими параметрами, характеристиками ила. Большинство исследователей сходятся во мнении, что при уменьшении HRT, скорость мембранного загрязнения в МБР возрастает [71,72] в связи с увеличением вязкости ила и концентрации EPS [2]. Снижение HRT стимулирует высвобождение EPS из бактериальных клеток, вызывает разрастание нитчатых бактерий, а также образование иррегулярных больших хлопьев. Кроме того, снижение HRT вызывает увеличение концентрации MLSS и вязкости ила, которые являются доминирующими факторами, влияющими на гидродинамические условия системы МБР [30,70]. Isma и др. [73] исследовали влияние HRT и SRT на мембранное загрязнение с использованием синтетических сточных вод. В результате при SRT 4, 15 и 30 дней и HRTS 4, 8 и 12 ч, соответственно, было обнаружено, что низкое загрязнение мембраны и медленный рост TMД наблюдался на самом длинном SRT (30 дней) и самым длинном HRT (12 ч). Аналогичным образом, исследование влияния микробной активности на потенциал загрязнения в погружном анаэробном МБР, работающим на HRT 14, 16 и 20 дней показало, что уменьшение HRT от 20 до 14 дней приводит к увеличению EPS и, следовательно, серьезным загрязнениям [74].

Соотношение Пища-Микроорганизмы (M/F)

Отношение F/M является важным рабочим параметром в биологических системах очистки сточных вод. Для того чтобы определить влияние отношения F/M на мембранное загрязнение, Кимура и др. [19] исследовали загрязнения в трех идентичных пилотных МБР с использованием реальных городских сточных вод в различных условиях эксплуатации. Их результаты показали, что отношение F/M влияет и на характер загрязнений, так высокое F/M связано с положительными изменениями белковых загрязнений [19]. Точно так же, Трассела и др. [75] сообщили, что скорость загрязнения мембраны в МБР возрастает с увеличением отношения F/M. Высокие значения отношения F/M могут также поднять уровень EPS из-за высокой загрузки пищевых продуктов за счет биомассы [70]. В другом исследовании также сообщалось, что снижение отношения F/M приводит к снижению концентрации EPS [76]. Поэтому желательно работать при наиболее низких значениях отношения F/M.

Коэффициент органической загрузки (OLR)

OLR является одним из наиболее важных параметров, влияющих на функционирование биологических систем очистки сточных вод [77]. В МБР, Чжан и др. [78] исследовали влияние постоянного и переменного OLR на загрязнение мембраны с использованием двух идентичных лабораторных погружных МБР, работающих в течение 162 дней при SRT 30 дней; OLR поддерживался постоянным в одном МБР и менялся в другом.

Они сообщили, что мембранное загрязнение в течение начального периода в МБР, питаемом переменным OLR было более значительным, чем в МБР питаемым постоянным OLR. Тем не менее, при устойчивом состоянии МБР (когда системы МБР постепенно стабилизируется с точки зрения концентрации биомассы и удаления ТОС), тенденция загрязнения наблюдается при переменном OLR. В другом исследовании, Johir и др. [79] искали влияние OLR на мембранное загрязнение в МБР, работающим в шести различных OLR в пределах от 0,5 до 3,0 кгХПК/м³ сут (ХПК - химическая потребность в кислороде) при постоянном HRT и SRT 8 ч и 40 сут, соответственно. Выводы из их исследования показали, что более высокие скорости загрязнений наблюдались при более высоких OLR (2.75-3.0 кгХПК/м³ в сутки) с большим количеством гидрофильных веществ при более высоких OLR.

Коэффициент ХПК/Азот

Соотношение ХПК/N является одним из наиболее важных параметров для роста микроорганизмов. Он также играет ключевую роль в удалении питательных веществ (в частности, нитрификации и денитрификации) [80]. Этот рабочий параметр также хорошо коррелирует с мембранным загрязнением в МБР.

Feng и др. [81] изучали влияние соотношения ХПК/N на мембранное загрязнение в двух идентичных погруженных МБР, работающих параллельно при соотношениях ХПК/N 10:1 и 5:1, соответственно. Они сообщили, что работа при соотношении ХПК/N от 10:1 значительно уменьшила загрязнение мембраны путем замедления роста ТМД по сравнению с МБР, работающим при соотношении ХПК/N 5:1. Кроме того, они обнаружили, что продолжительность 2-й стадии скачка TMД была в два раза дольше (в течение 30 дней) в соотношении ХПК/N от 10:1 по сравнению с 5:1. Точно так же, Хао и др. [82] исследовали влияние соотношения ХПК/N на загрязнение мембраны в МБР, работающих при трех различных соотношениях (100:5, 100:2,5, и 100:1,8) в течение года. Результаты показали, что увеличение ХПК/N от 100:5 до 100:1,8 привело к улучшению производительности мембраны и более длительном периоде эксплуатации до очистки мембраны. Тем не менее, существует несоответствие влияния соотношения ХПК/N на мембранное загрязнение в других исследованиях. Хан и др. [83] сравнивали производительность мембранной фильтрации в аноксидном МБР и в МБР с аэрацией, с соотношением ХПК/N 9,9 и 5,5. Они обнаружили более высокое загрязнение мембраны с высоким отношением ХПК/N, поскольку увеличение соотношения ХПК/N привело к возрастанию производства гуминовых кислот в SMP, а также углеводов, белков и гуминовых кислот в LB-EPS. Точно так же, Гасми и др. [84] обнаружили более низкое специфичное сопротивление фильтрации и скорости загрязнения мембран при низких соотношениях ХПК/N (2.3 и 1.5). Ян и др. [85] также сообщили, что низкое отношение ХПК/N 3.5 значительно облегчило контроля мембранного загрязнения с помощью простой аэрации и оперативной обратной промывки.

Температура

Температура, как известно, влияет на скорость биодеградации. В МБР температура воздействует на загрязнение мембранного обрастания из-за изменения характеристик MLSS. Сообщалось, что снижение рабочей температуры приводит к тому, что бактерии выпускают больше EPS [86]. Очень низкие температуры связаны с повышением частоты возникновения нитевидных бактерий, которые производят больше SMP в MLSS [30], следовательно, оказывают большую склонность к мембранному загрязнению. Дефлокуляция, коэффициент диффузии, биодеградация, и адсорбция в МБР также зависит от температуры [3].

Были выдвинуты четыре гипотезы для объяснения увеличения мембранного загрязнения при более низких температурах в МБР: (а) повышенная вязкость уменьшает касательное напряжение, порожденное аэрацией; (Б) усиливается дефлокуляция, которая уменьшает размер хлопьев биомассы и высвобождает EPS и виде субмикронных частиц в MLSS; (С) уменьшается скорость обратной транспортировки; и (d) снижается биодеградация органических веществ (ХПК) [87]. Ма и др. [86] исследовали влияние температуры на мембранное загрязнение в пилотном погружном МБР и сообщили о значительно более высокой концентрации EPS (EPS связанных и SMP) при низкой температуре, с SMP убывающей от 28,1 мг/гMLSS на 8.7⁰C, до 2,2 мг/гMLSS в 19.7⁰C с разницей в 25,9 мг/гMLSS.

Кроме того, резкие изменения температуры вызвали спонтанное высвобождение SMP и повысили скорость загрязнения [88]. Дефлокуляция хлопьев ила происходит после повышения температуры от 30°С до 45°, что способствует увеличению мутности и увеличению концентрации SMP [89]. Внезапное повышение температуры также ухудшает состояние биомассы и уменьшает количество белков в EPS [30]. Для преодоления этих проблем, предлагается работать МБР при температуре окружающей среды и избегать резких изменений температуры. Если низкие температуры неизбежны, необходимо активизировать аэрацию, чтобы избежать повышенную вязкость.

Характеристики подачи и биомасса

Подача (сточные воды) и биомасса играют ключевую роль в мембранном загрязнении в МБР. Сложные взаимодействия среди компонентов биомассы и мембранного материала влияют на загрязнение мембраны.

Концентрация взвешенных органических веществ в активном иле (MLSS)

MLSS содержит хлопья бактерий, EPS, коллоиды, растворенные микро и макровещества. Мембранные биореакторы работают при концентрациях MLSS гораздо более высоких, чем сооружения традиционной очистки сточных вод. Однако, с повышением концентрации MLSS в МБР ускоряется загрязнение мембраны в результате увеличения концентрации взвешенных веществ [90]. Результаты исследований показали, что проницаемость мембраны уменьшается с увеличением концентрации MLSS [60]. Ву и Хуанг [91] сообщили, что работа при концентрациях MLSS выше 10000 мг/л значительно увеличивает вязкость, которая, в свою очередь, сказывается на фильтруемости. Yigit и др. [61] изучали влияние условий эксплуатации и характеристик биомассы на мембранное загрязнение в погружном МБР. Было сообщено, что концентрации полисахаридов и белков увеличивают долю EPS с увеличением концентрации MLSS. Исследование показало, что дальнейшее увеличение MLSS привело к значительному уменьшению проницаемости мембран и увеличению скорости обрастания на каждый поток испытания. Эти результаты показывают, что загрязнение мембраны возрастает с увеличением концентрации MLSS. Аналогично, если существует доминирование нитчатых бактерий в MLSS, наблюдается тенденция к возникновению нитчатого набухания. Нитчатое набухание может значительно увеличить производство SMP, которое в свою очередь, существенно увеличивает засорение мембран [68].

Тем не менее, отчеты о влиянии MLSS на мембранное загрязнение в МБР неоднозначны. Например, Розенбергер и др. [92] сообщили о снижении мембранного загрязнения при увеличении концентрации MLSS до 15 г/л; тенденция изменяется и скорость загрязнения увеличивается при концентрациях, превышающих 15 г/л. Это может быть объяснено значительными изменениями реологических свойств ила. Другие исследования сообщают об отсутствии или малом влиянии концентрации MLSS на загрязнение мембраны в МБР, включая Розенбергера и др [93] (MLSS=9-14г/л: отсутствие эффекта), Лe-Клеш и др [94] (MLSS=4.4-11.6 г/л: нет воздействия от 4 до 8 г/л, небольшие загрязнения при 12 г/л), и Брукса и др. [95] (MLSS = 6-18: эквивалент скорости загрязнения для потока ниже 10 л/м²ч и чуть ниже загрязнения для более быстрых потоков). Таким образом, нет четкой корреляции между концентрацией MLSS и мембранным загрязнением.

Кажущаяся вязкость ила

Вязкость является мерой сопротивления жидкости к постепенной деформации сдвига или растягивающего напряжения. Поскольку МБР работают при высокой MLSS, содержание взвешенных веществ также очень высоко, и это приводит к более высоким значениям вязкости [96]. Высокая вязкость в МБР может ограничить транспортировку кислорода, что приводит к более высокому потреблению энергии для аэрации. Трассела и др. [60] сообщают, что увеличение вязкости в результате приводит к снижению проницаемости мембраны.

Существует критическая концентрация MLSS, ниже которой вязкость ила остается низкой и увеличивается медленно с увеличением концентрации [1]. При работе МБР с критическими концентрации MLSS, вязкость растет в геометрической прогрессии с концентрацией MLSS [97]. В зависимости от условий эксплуатации, критическое значение MLSS наблюдается в диапазоне от 10000 до 17000 мг/л MLSS [1]. При более высокой MLSS, наблюдается повышенная скорость загрязнения мембраны в МБР.

Внеклеточных полимерные вещества (EPS)

Внеклеточные полимерные вещества (EPS) являются продуктами жизнедеятельности бактерий, происходящих вследствие микробных метаболитов, лизис клеток или неметаболизированных компонентов сточных вод [3]. EPS, как известно, оказывают существенное влияние на физико-химические свойства микробных скоплений, такие как поверхностный заряд, структура, свойства осаждения, флокуляция, адсорбционная способность и т.д. [98]. Они включают в себя в основном белки, полисахариды (углеводы), гуминовые кислоты, нуклеиновые кислоты, липиды и уроновую кислоту [68,99,100]. Белки и полисахариды являются основными компонентами EPS, влияющими на его количество [98]. С точки зрения биологического обрастания, белки проявляют гидрофобные свойства в то время как полисахариды являются гидрофильными по своей природе, и это означает, что фракции полисахаридов в EPS имеют более высокую склонность к загрязнению, чем белковые фракции [61,101], при условии, что используются гидрофильные мембраны. EPS разделены на две группы, а именно связанные EPS и растворимые EPS (называемые также SMP) [100]. Связанные EPS дополнительно разбиты на слабо связанные EPS (LB-EPS) и сильно связанные EPS (ТБ-EPS) [102]. SMP и связанные EPS рассматриваются как основные загрязнители в МБР [2,36,103,104], поскольку они имеют многочисленные взаимодействия со всеми другими загрязнителями [100]. Агрегирование биомассы может происходить путем участия связанных EPS и SMP, которые обеспечивают высоко гидратированную гелевую матрицу [12,104]. Эти вещества действуют как “клей”, чтобы держать микробные скопления вместе.

Связанные EPS характеризуются адгезией к иловым хлопьям [99,100]. Они расположены на или за пределами поверхности клетки. Связанные EPS способствуют агрегации биомассы для образования микробных скоплений, которые изменяют способность флокуляции, поверхностный заряд, гидрофобность, и вязкость ила [13]. Эти изменения влияют на мембранное загрязнение. TB-EPS обеспечивают внутренний слой, в то время как LB-EPS распределены на внешней поверхности микробных скоплений. Связанные EPS являются строительным материалом для микробных скоплений, таких как хлопья ила и биопленка. В этих микробных скоплениях, EPS имеют много заряженных групп, таких как гидроксильные, карбоксильные, сульфгидрильные, фосфорные и фенольные группы; а также полярные группы, такие как гидрофобные участки углеводов, алифатические углеводороды в белках и ароматических соединениях [30]. Наличие и гидрофобных и гидрофильных групп в EPS подразумевает, что они являются амфотерными по своей природе. Так как гидрофильная доля, как известно, загрязняет мембраны (гидрофильные мембраны) больше, чем гидрофобная доля, процент гидрофобной органики к гидрофильной играет важную роль в формировании загрязнения [105]. Таким образом, соотношение белков (гидрофобные) к полисахаридам (гидрофильные) в EPS регулирует мембранное загрязнение в МБР, особенно формирования слоя осадка [12].