鼓泡条件对浸没式中空纤维膜微滤过程膜污染的影响

作者:刘洋;王宇;丁忠伟;刘丽英;马润宇 刊名:北京化工大学学报(自然科学版) 上传者:马伟

【摘要】在不同的鼓泡条件(气体流量、气孔间距和膜丝松弛度)下测定了浸没式中空纤维膜组件在恒通量微滤过程中的跨膜压差。结果表明,增大气体流量能够控制膜污染,但其有效程度随气体流量的增加逐渐减弱,气体流量为0.15m3/h和0.2 m3/h时!p/!t的值相近;双孔集中分布比分散分布更能控制膜污染,但单孔鼓泡控制效果弱于双孔集中分布;膜丝的适当松弛有利于控制膜污染,且气体流量越大效果越显著,气体流量为0.1m3/h时97%松弛度的污染控制效果最佳。

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引言膜生物反应器(MBR)是一种占地面积小,处理效率高,操作简便的污水处理反应器。该反应器处理污水过程包括了传统的生物降解与高效的膜分离微滤工艺[1-2]。但是膜生物反应器的改进却受制于微滤过程中的膜污染。微滤过程中出现的膜孔堵塞、过滤面积减少、过滤通量下降等问题,不仅使得污水处理量下降,还造成微滤膜的不可逆污染[3-4]。因此,应采取必要的措施来控制和缓解浸没式膜生物反应器的膜污染现象。控制中空纤维膜微滤过程膜污染的方法主要包括对滤液进行预处理、对微滤膜适时的进行周期性反冲洗及化学清洗、对表面进行改性等[5-7]。膜生物反应器中的微滤过程是在曝气环境下进行的,因此鼓泡方式和膜组件构型成为微滤过程中研究控制膜污染的热点[8]。对于鼓泡方式而言,气体流量、气孔尺寸、进气间歇时间均会影响膜污染的形成过程。如Lu等[9]考察了不同气孔直径鼓泡时的微滤过程,发现活塞流大气泡利于控制膜污染;刘喆等[10]考察了膜蒸馏过程中的膜污染,发现间歇进气频率越高,周期越长,膜污染控制越好。对于膜组件构型而言,膜丝长度和直径以及放置方式都会影响膜污染的形成过程。Wicaksana等[11]比较了5070cm膜丝的微滤过程,发现长膜丝在微滤过程中因为摆动作用使跨膜压差增长率较低。而气孔的分布情况和膜丝的松驰度对微滤过程膜污染的影响研究甚少。本文遵循从鼓泡方式和膜组件构型角度出发,采用恒跨膜通量的方法,研究不同鼓泡条件下的微滤过程跨膜压差随时间的变化规律。1实验部分1.1实验材料采用安琪高活性干酵母水溶液模拟污水。酵母平均粒径约为4.5m,在水中呈均一圆球形状。膜组件由6根聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜丝U型分布于直径为2cm的环形圆板构成。膜丝长800mm,表面平均孔径0.2m,内外径分别为0.3mm和0.7mm。1.2实验装置图1为浸没式中空纤维膜微滤实验流程图。鼓泡条件下实验时,阀门7打开,空气通过直流泵1鼓入气体缓冲罐2中,经过气体转子流量计3进入到储液槽4底部,气体通过安置在储液槽底部的进气孔6由下至上扰动液层。浸没式中空纤维膜组件5通过蠕动泵9进行恒通量微滤实验。滤液经蠕动泵9滴入放置于电子天平12上的称量烧杯11中。同时,由补水烧杯10对微滤槽等速补水。压力传感器8测量膜丝顶端的真空度,并与电子天平12的读数一起等时间间隔计入电脑。1直流式气泵;2气体缓冲罐;3气体转子流量计;4储液槽;5中空纤维膜组件;6底部进气孔;7阀门;8压力传感器;9蠕动泵;10补水烧杯;11称量烧杯;12电子天平图1微滤实验流程图Fig.1Schematicillustrationofthemicrofiltrationexperimentalsetup2结果与讨论2.1不同气体流量下微滤过程的对比在恒通量的条件下,由达西定律可知,随着滤饼的累积即滤饼阻力的增大,跨膜压差也随之增大。因此,跨膜压差随时间的变化规律就体现了滤饼阻力随时间的变化规律。本实验对跨膜压差与时间作图,考察跨膜压差的增长率。图2比较了酵母液质量浓度5g/L,平均通量为58L/(m2h)时,不同气体流量下跨膜压差随时间的变化关系。当气体流量为0时,在短时间内,跨膜压差迅速增长到75kPa以上,这是由于膜孔被酵母颗粒迅速占据,过滤膜面积迅速减少、滤饼迅速增长导致[12]。当气体流量为0.2和0.15m3/h时,跨膜压差经历过滤初始阶段的快速增长期后,分别稳定于22kPa和23kPa左右不再增长。这是因为微滤初始阶段膜丝顶端跨膜通量较大且大于临界通量[13](本实验条件下,气速为0.05、0.1、0.15和0.2m

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