一體式氣升陶瓷膜反應(yīng)器的研制及其應(yīng)用特性研究.pdf

1、膜反應(yīng)器(MembraneReactor，MR)是一種能夠?qū)⒎磻?yīng)與分離相耦合的裝置，氣升式膜反應(yīng)器(AirliftMR)是MR的一種，它可以利用曝氣產(chǎn)生的氣升流體實(shí)現(xiàn)擬錯(cuò)流過(guò)濾、攪拌和供氧三種功能，是活性污泥法水處理膜生物反應(yīng)器(MBR)的首選類型。
　　 氣升式MR研究和應(yīng)用的關(guān)鍵是提高膜元件和膜組件/器件的性能并降低其制造和運(yùn)行成本。圍繞這一問(wèn)題，本文針對(duì)膜元件、膜組件和一體式氣升MR展開了設(shè)計(jì)工作(所設(shè)計(jì)的膜元件和膜組件已

2、分別申請(qǐng)了發(fā)明專利)，并分別在鋼鐵酸洗廢液和生活污水的處理過(guò)程中考察了其應(yīng)用特性，主要研究?jī)?nèi)容如下。
　　 通過(guò)對(duì)管式陶瓷膜內(nèi)通道結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)出了一種滲透?jìng)?cè)在膜管通道中的新型管式膜元件。在相同外形尺寸情況下，所設(shè)計(jì)的新型多通道膜元件可以具有不同比例的滲透?jìng)?cè)面積和原料側(cè)面積，從而可以針對(duì)不同料液體系對(duì)膜元件的滲透效率進(jìn)行優(yōu)化。如果以7通道膜管(中心通道為滲透?jìng)?cè))的滲透效率為100％，19通道膜管的總平均滲透效率為24％-34％

3、(純水物系)；而在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)效率達(dá)到了64％-75％(污泥液物系)。與普通的管式多通道膜元件相比，因?yàn)樵趹?yīng)用過(guò)程中避免了使用封閉式外套作為滲透腔的束縛，不僅降低了設(shè)備投資成本，還能使膜元件在應(yīng)用過(guò)程中減少附屬裝置，提高了單位體積的膜裝填面積。
　　 在所設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)的管式膜元件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種使用輔助陣列排布裝置的浸入式膜組件。在2.5m·s-1氣速下，曝氣孔孔徑在0.4mm(毛細(xì)孔)到6.0mm(曝氣管)之間時(shí)，

4、脫離氣泡直徑為1.6mm到11mm，這將在內(nèi)徑為4mm或6mm的膜管通道中直接形成氣彈。通過(guò)陣列排布和使用輔助陣列排布裝置，可以解決原料流體在膜管原料側(cè)表面速度分布的均勻性問(wèn)題，并能解決多通道膜管在浸入式膜組件中的支撐、定位和滲透液引出的問(wèn)題。
　　 在陣列排布式膜組件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種氣升式膜反應(yīng)器。通過(guò)調(diào)整膜組件在反應(yīng)器內(nèi)的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)料液中的固形物進(jìn)行沉淀收集或再分散的操作。在實(shí)驗(yàn)所用的反應(yīng)器中，當(dāng)總料液體積為10L、

5、曝氣量為200L.h-1時(shí)，液相的循環(huán)周期約為3min。與裝填膜管的相比，當(dāng)曝氣量大于100L·h-1后，僅使用導(dǎo)流筒時(shí)液流量上升速度較快。在氣速大于0.02m·s-1以前，液速均小于氣速，但當(dāng)氣速大于0.02m·s-1以后，通道內(nèi)的液速開始超過(guò)氣速。在相同膜面積情況下，與外置式泵循環(huán)MR設(shè)備系統(tǒng)相比，所設(shè)計(jì)的新型MR的工藝設(shè)備成本降低了32％，而設(shè)備系統(tǒng)總價(jià)則降低了21％。
　　 由于鋼鐵酸洗廢液處理過(guò)程具備好氧反應(yīng)、氣升攪拌

6、和截留/移除大顆粒物質(zhì)等特點(diǎn)，因此被選為化學(xué)反應(yīng)體系應(yīng)用試驗(yàn)的研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)采用孔徑為0.2μm單通道外膜陶瓷膜管作為膜元件的氣升式MR設(shè)備。提高曝氣量有利于膜通量的提高，在Fe2+初始濃度為60mg·L-1的料液中，在曝氣量0～400L·h-1范圍內(nèi)，穩(wěn)定膜通量能維持在100LM-2h-1以上；料液中氫氧化鐵懸浮濃度、溫度(1～40℃)和TMP(0.03MPa～0.1MPa)與膜通量均呈線性關(guān)系；間歇過(guò)濾或反沖有利于提高膜通量，采用物

7、理方法刷除膜表面的污染物附著層，可以使通量恢復(fù)到初始通量的69％，而在1％(wt)的硝酸溶液中浸煮30min，膜通量基本能完全恢復(fù)；在水力停留時(shí)間3.5h、pH6～9和充分曝氣情況下，使用氣升式膜反應(yīng)器處理的出水濁度低于2NTU，pH符合排放標(biāo)準(zhǔn)，鐵離子的去除率大于80％。
　　 以活性污泥法處理生活污水的生物反應(yīng)體系為試驗(yàn)對(duì)象，采用膜孔徑0.2μm、通道直徑6mm、長(zhǎng)200mm的19通道陶瓷膜管作為膜元件的氣升式MBR設(shè)備，實(shí)

8、驗(yàn)考察了該新型MBR在實(shí)際生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的應(yīng)用特性。結(jié)果表明提高曝氣量有利于膜通量的提高，在不同抽吸壓力下，曝氣量400L·h-1的膜通量較不曝氣的提高了20％～50％。在穩(wěn)定操作條件下，料液溫度(18～40℃)和膜兩側(cè)壓差(0.02～0.1MPa)與膜通量均呈線性關(guān)系；在所用污泥體系的試驗(yàn)條件下(15℃，曝氣量200L·h-1，TMP0.04MPa)，膜的滲透通量隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，穩(wěn)定通量能維持在25L·m-2·h-1水平，其中間歇過(guò)

9、濾能夠使膜通量較長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。在試驗(yàn)污泥濃度范圍內(nèi)(0.8～8g·L-1)，膜通量與污泥濃度關(guān)系不大。膜污染阻力是膜阻力的2.3倍，化學(xué)清洗后能得到較高的通量，但該通量與物理清洗的通量差別不大。膜過(guò)濾可以截留污泥液中部分顆粒狀COD物質(zhì)，但進(jìn)一步的研究證明生物降解是去除COD的主要方式。在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，實(shí)驗(yàn)中COD的去除率能夠維持在85％以上，且出水COD小于50mg.L-1，濁度低于0.5NTU，出水達(dá)到了生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

10、r>　　 在反應(yīng).分離間歇或串聯(lián)進(jìn)行的工藝過(guò)程中，如果把反應(yīng)器當(dāng)作一個(gè)貯液罐，則該MR就成為了一個(gè)浸沒式膜過(guò)濾裝置，此時(shí)的膜分離工藝就成為一個(gè)典型的洗濾過(guò)程。通過(guò)對(duì)連續(xù)洗濾過(guò)程(CFD)和間歇洗濾過(guò)程(IFD)的分析，分別以分段函數(shù)的形式給出了IFD過(guò)程和CFD過(guò)程中C-V和ξ-V關(guān)系的估算式。此外，還給出了洗濾過(guò)程結(jié)束后目的物收率ζ及其在保留液中最終濃度Ve與各控制參數(shù)的關(guān)系式。對(duì)于頭孢菌素C發(fā)酵液的洗濾過(guò)程，估算值能夠很好地與試驗(yàn)