一体式气升陶瓷膜反应器的研制及其应用特性研究

摘要

膜反应器(MembraneReactor，MR)是一种能够将反应与分离相耦合的装置，气升式膜反应器(AirliftMR)是MR的一种，它可以利用曝气产生的气升流体实现拟错流过滤、搅拌和供氧三种功能，是活性污泥法水处理膜生物反应器(MBR)的首选类型。
　　 气升式MR研究和应用的关键是提高膜元件和膜组件/器件的性能并降低其制造和运行成本。围绕这一问题，本文针对膜元件、膜组件和一体式气升MR展开了设计工作(所设计的膜元件和膜组件已分别申请了发明专利)，并分别在钢铁酸洗废液和生活污水的处理过程中考察了其应用特性，主要研究内容如下。
　　 通过对管式陶瓷膜内通道结构的分析，设计出了一种渗透侧在膜管通道中的新型管式膜元件。在相同外形尺寸情况下，所设计的新型多通道膜元件可以具有不同比例的渗透侧面积和原料侧面积，从而可以针对不同料液体系对膜元件的渗透效率进行优化。如果以7通道膜管(中心通道为渗透侧)的渗透效率为100％，19通道膜管的总平均渗透效率为24％-34％(纯水物系)；而在应用实验中，这个效率达到了64％-75％(污泥液物系)。与普通的管式多通道膜元件相比，因为在应用过程中避免了使用封闭式外套作为渗透腔的束缚，不仅降低了设备投资成本，还能使膜元件在应用过程中减少附属装置，提高了单位体积的膜装填面积。
　　 在所设计的新型结构的管式膜元件的基础上，设计出了一种使用辅助阵列排布装置的浸入式膜组件。在2.5m·s-1气速下，曝气孔孔径在0.4mm(毛细孔)到6.0mm(曝气管)之间时，脱离气泡直径为1.6mm到11mm，这将在内径为4mm或6mm的膜管通道中直接形成气弹。通过阵列排布和使用辅助阵列排布装置，可以解决原料流体在膜管原料侧表面速度分布的均匀性问题，并能解决多通道膜管在浸入式膜组件中的支撑、定位和渗透液引出的问题。
　　 在阵列排布式膜组件基础上，设计了一种气升式膜反应器。通过调整膜组件在反应器内的位置，可以实现对料液中的固形物进行沉淀收集或再分散的操作。在实验所用的反应器中，当总料液体积为10L、曝气量为200L.h-1时，液相的循环周期约为3min。与装填膜管的相比，当曝气量大于100L·h-1后，仅使用导流筒时液流量上升速度较快。在气速大于0.02m·s-1以前，液速均小于气速，但当气速大于0.02m·s-1以后，通道内的液速开始超过气速。在相同膜面积情况下，与外置式泵循环MR设备系统相比，所设计的新型MR的工艺设备成本降低了32％，而设备系统总价则降低了21％。
　　 由于钢铁酸洗废液处理过程具备好氧反应、气升搅拌和截留/移除大颗粒物质等特点，因此被选为化学反应体系应用试验的研究对象。实验采用孔径为0.2μm单通道外膜陶瓷膜管作为膜元件的气升式MR设备。提高曝气量有利于膜通量的提高，在Fe2+初始浓度为60mg·L-1的料液中，在曝气量0～400L·h-1范围内，稳定膜通量能维持在100LM-2h-1以上；料液中氢氧化铁悬浮浓度、温度(1～40℃)和TMP(0.03MPa～0.1MPa)与膜通量均呈线性关系；间歇过滤或反冲有利于提高膜通量，采用物理方法刷除膜表面的污染物附着层，可以使通量恢复到初始通量的69％，而在1％(wt)的硝酸溶液中浸煮30min，膜通量基本能完全恢复；在水力停留时间3.5h、pH6～9和充分曝气情况下，使用气升式膜反应器处理的出水浊度低于2NTU，pH符合排放标准，铁离子的去除率大于80％。
　　 以活性污泥法处理生活污水的生物反应体系为试验对象，采用膜孔径0.2μm、通道直径6mm、长200mm的19通道陶瓷膜管作为膜元件的气升式MBR设备，实验考察了该新型MBR在实际生物转化过程中的应用特性。结果表明提高曝气量有利于膜通量的提高，在不同抽吸压力下，曝气量400L·h-1的膜通量较不曝气的提高了20％～50％。在稳定操作条件下，料液温度(18～40℃)和膜两侧压差(0.02～0.1MPa)与膜通量均呈线性关系；在所用污泥体系的试验条件下(15℃，曝气量200L·h-1，TMP0.04MPa)，膜的渗透通量随时间呈指数衰减，稳定通量能维持在25L·m-2·h-1水平，其中间歇过滤能够使膜通量较长时间保持稳定。在试验污泥浓度范围内(0.8～8g·L-1)，膜通量与污泥浓度关系不大。膜污染阻力是膜阻力的2.3倍，化学清洗后能得到较高的通量，但该通量与物理清洗的通量差别不大。膜过滤可以截留污泥液中部分颗粒状COD物质，但进一步的研究证明生物降解是去除COD的主要方式。在稳定运行情况下，实验中COD的去除率能够维持在85％以上，且出水COD小于50mg.L-1，浊度低于0.5NTU，出水达到了生活杂用水水质标准。
　　 在反应.分离间歇或串联进行的工艺过程中，如果把反应器当作一个贮液罐，则该MR就成为了一个浸没式膜过滤装置，此时的膜分离工艺就成为一个典型的洗滤过程。通过对连续洗滤过程(CFD)和间歇洗滤过程(IFD)的分析，分别以分段函数的形式给出了IFD过程和CFD过程中C-V和ξ-V关系的估算式。此外，还给出了洗滤过程结束后目的物收率ζ及其在保留液中最终浓度Ve与各控制参数的关系式。对于头孢菌素C发酵液的洗滤过程，估算值能够很好地与试验结果符合。研究结果表明，所建立的模型能够为有效地控制和优化洗滤过程提供理论依据，并且该研究工作已在工业项目中实现了成功应用。
　　 针对该新型一体式气升陶瓷膜反应器应用特性的研究表明，所设计的装置不仅具有良好的膜过滤设备的功能，而且能够作为化学/生物反应器适用于复杂的化学/生物水处理过程。