一體式氣升陶瓷膜反應器的研制及其應用特性研究.pdf

1、膜反應器(MembraneReactor，MR)是一種能夠將反應與分離相耦合的裝置，氣升式膜反應器(AirliftMR)是MR的一種，它可以利用曝氣產(chǎn)生的氣升流體實現(xiàn)擬錯流過濾、攪拌和供氧三種功能，是活性污泥法水處理膜生物反應器(MBR)的首選類型。
　　 氣升式MR研究和應用的關鍵是提高膜元件和膜組件/器件的性能并降低其制造和運行成本。圍繞這一問題，本文針對膜元件、膜組件和一體式氣升MR展開了設計工作(所設計的膜元件和膜組件已

2、分別申請了發(fā)明專利)，并分別在鋼鐵酸洗廢液和生活污水的處理過程中考察了其應用特性，主要研究內容如下。
　　 通過對管式陶瓷膜內通道結構的分析，設計出了一種滲透側在膜管通道中的新型管式膜元件。在相同外形尺寸情況下，所設計的新型多通道膜元件可以具有不同比例的滲透側面積和原料側面積，從而可以針對不同料液體系對膜元件的滲透效率進行優(yōu)化。如果以7通道膜管(中心通道為滲透側)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)；而在應用實驗中，這個效率達到了64％-75％(污泥液物系)。與普通的管式多通道膜元件相比，因為在應用過程中避免了使用封閉式外套作為滲透腔的束縛，不僅降低了設備投資成本，還能使膜元件在應用過程中減少附屬裝置，提高了單位體積的膜裝填面積。
　　 在所設計的新型結構的管式膜元件的基礎上，設計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(毛細孔)到6.0mm(曝氣管)之間時，

4、脫離氣泡直徑為1.6mm到11mm，這將在內徑為4mm或6mm的膜管通道中直接形成氣彈。通過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表面速度分布的均勻性問題，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題。
　　 在陣列排布式膜組件基礎上，設計了一種氣升式膜反應器。通過調整膜組件在反應器內的位置，可以實現(xiàn)對料液中的固形物進行沉淀收集或再分散的操作。在實驗所用的反應器中，當總料液體積為10L、

5、曝氣量為200L.h-1時，液相的循環(huán)周期約為3min。與裝填膜管的相比，當曝氣量大于100L·h-1后，僅使用導流筒時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，但當氣速大于0.02m·s-1以后，通道內的液速開始超過氣速。在相同膜面積情況下，與外置式泵循環(huán)MR設備系統(tǒng)相比，所設計的新型MR的工藝設備成本降低了32％，而設備系統(tǒng)總價則降低了21％。
　　 由于鋼鐵酸洗廢液處理過程具備好氧反應、氣升攪拌

6、和截留/移除大顆粒物質等特點，因此被選為化學反應體系應用試驗的研究對象。實驗采用孔徑為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，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系；間歇過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；在水力停留時間3.5h、pH6～9和充分曝氣情況下，使用氣升式膜反應器處理的出水濁度低于2NTU，pH符合排放標準，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體系為試驗對象，采用膜孔徑0.2μm、通道直徑6mm、長200mm的19通道陶瓷膜管作為膜元件的氣升式MBR設備，實

8、驗考察了該新型MBR在實際生物轉化過程中的應用特性。結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℃)和膜兩側壓差(0.02～0.1MPa)與膜通量均呈線性關系；在所用污泥體系的試驗條件下(15℃，曝氣量200L·h-1，TMP0.04MPa)，膜的滲透通量隨時間呈指數(shù)衰減，穩(wěn)定通量能維持在25L·m-2·h-1水平，其中間歇過

9、濾能夠使膜通量較長時間保持穩(wěn)定。在試驗污泥濃度范圍內(0.8～8g·L-1)，膜通量與污泥濃度關系不大。膜污染阻力是膜阻力的2.3倍，化學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。膜過濾可以截留污泥液中部分顆粒狀COD物質，但進一步的研究證明生物降解是去除COD的主要方式。在穩(wěn)定運行情況下，實驗中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，出水達到了生活雜用水水質標準。

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