新型膜组件设计及其水处理应用研究

新型膜组件设计及其水处理应用研究柳丽芬徐晓静赵传起杨凤林大连理工大学环境与生命学院摘要：针对目前膜组件形式存在的缺点,从仿生学原理出发，设计具有一定的旋转角度的新型螺旋膜组件,从而提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性，产生膜的振动摇摆，并增加气泡与膜面弹性碰撞,从而降低膜分离中的浓差极化现象，有效控制膜污染，提高膜分离效率和通量，并且降低膜分离能耗。通过对不同长宽比、不同旋转角度的膜组件的性能测试，确定膜组件的最佳几何构型，并利用两相流体力学及气泡动力学，分析气泡与曲面的相互碰撞及相互作用，从理论上确定螺旋膜组件的间距与曝气量。最后，把设计完善的新型膜组件放入SMBR中，处理实际废水，测定其运行条件及稳定性。关键词：膜生物反应器新型膜组件曝气UMFI膜生物反应器(MBR)集生物反应器的生物降解和膜的高效分离于一体，与传统的生化污水处理技术相比，具有出水水质好且出水可直接回用、设备占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低和便于实现自动控制等优点。可广泛应用于高层建筑的中水回用、高浓度有机废水的处理、难降解有机废水的处理和受污染水源水处理等领域[1]。在膜生物反应器技术的研究与发展中，生物降解(活性污泥)法已是成熟技术，因此膜一生物反应器技术应用与发展的关键在于膜材料及膜组件的性能与成本。由于膜组件是膜生物反应器(MBR)应用的基本单元，膜组件种类不同决定着MBR性能的差异。所以组件的优化设计有着重要的意义，在减缓膜污染和提高膜通量方面的作用是不容忽视，合理的膜组件设计不仅对降低膜污染有重要作用，还可以通过其外形的优化减小系统的动力耗费。现在研究应用比较广泛的是中空纤维膜组件和平板式膜组件。中空纤维膜组件填充密度高、造价低、适合大型水处理，但存在机械强度低、易膜污染、较难膜清洗等缺点；平板膜组件易拆装、不易膜污染、通量大，但存在填充密度小、成本较高等缺点。资料表明[2]，在MBR工艺中膜组件的费用明显高于占地和土建费用，分别占总投资的78.3%和85%；在运行费用中，膜组件的更换费用占总运行费用的40%～75%。因此，优化MBR膜组件结构是促进MBR发展和应用的一个重要因素。膜组件的研究主要集中在已有膜组件的优化改造，如对中空纤维膜组件中膜丝的长度、直径、松弛度的优化、膜组件空间结构的优化、膜组件曝气装置的优化、膜表面过滤性能的优化等，以及新型膜组件的创新设计两方面。杨硕[3]等人设计了一种用于分置式膜生物反应器的可气冲外压柱式中空纤维超滤膜组件，膜丝下端用环氧树脂密封(用于将混合液与出水严格分开)并与组件下端固定在一起;另一端甩尾设计，膜丝可以自由摆动，甩尾端膜丝孔口用胶封堵。膜组件底部的布气环进行曝气。测试得出在循环流量lm3/h、曝气量1.5m3/h时，临界膜通量较高而能耗相对较低。任南琪和张颖[4]等人也对中空纤维膜组件提出改进，发现利用局部曝气在组件的两端及纤维内部进行冲洗能有效减缓膜污染，对SMBR的实际应用具有不可忽视的作用。Yeh等[5]人利用金属线缠绕在管式超滤膜表面用以提高其表面的流体力学性能，能够在维持过滤压力的同时减少浓差极化，研究发现金属线最佳的缠绕方式应该沿着流动方向角度从0°逐渐增大。Scott等[6]人受到散热器中高传质的波纹换热板的启发，将乳化液错流过滤中的平板膜组件设计为波纹状以提高膜面区域的扰动传质作用，结果显示在同一错流速率下波动膜能有效地提高膜通量，减缓膜污染。叶茂盛，李波等[7]设计具有一定的倾斜角度θ的梯型平板膜结构，使其在保持膜面附近气泡错流速度的同时增加气泡与膜面弹性碰撞的强度与次数，提高膜面曝气冲刷效率，控制膜污染并降低能耗。梯型膜设计的最佳角度θ在1.7°~2.5°之间。由此可见，无论是可气冲外压柱式中空纤维超滤膜组件，还是波纹状板式膜组件、梯形膜组件，切入点都是增加膜表面的剪切力，减小浓度极差，提高通量，减轻膜污。为了减轻膜污染，很多学者从膜组件以外其他方面进行了研究，包括以下几个方面：◆添加悬浮填料，形成动态膜，控制膜污染，来减缓和抑制膜通量下降[8]。这种方法增加了材料消耗。◆研究新型抗污染膜材料，如抑菌并提高亲水性，减少污染物的吸附和沉积；锚定、设计表面梳状分子结构的材料；增加表面负电荷等[9]。该方法侧重化学反应和材料改性，增加了化学处理材料成本和消耗。◆优化膜分离操作条件,调节污泥颗粒大小,如向水中投加阳离子聚合物或者离子，改变污泥、生物大分子，特别是EPS的性状（颗粒化），减少向膜表面吸附和沉积[10]。这种方法操作调节复杂，不能根据具体情况而变化，费时且不易掌握。◆外加电场、磁场、机械能场（振动）、超声等来减缓膜污染[11]。这些方法增加了能量消耗，并且经济适用性较差。以上的处理方法虽能减轻膜污染，但都同时增加了材料消耗和能量消耗，将在一定程度上限制这些技术的广泛应用。针对以上问题，本文从仿生的角度出发，结合气液二相流对膜污染、膜通量及运行能耗的影响，设计一种螺旋MBR膜分离器，提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性，产生水平方向和垂直方向摇动，解决平板膜结构僵硬的问题，增大填充面积，降低污染，增加通量，同时节能降耗。这仿生化的设计，在不增加膜分离过程材料消耗和能量消耗前提下，获得优异的膜分离和运行性能，提高膜分离效率，尤其适用于提高水处理中膜分离操作的效率和技术水平，具有广泛的应用前景。1.新型膜组件的设计1.1膜组件设计的基本原则所有膜装置的核心部分都是膜组件，即按一定技术要求将膜组装在一起的组合构件。在进行膜组件开发的过程中，必须考虑以下几个基本要求(其中有部分是相互矛盾的)[12]：◆要求组件对膜可以提供足够的机械支撑，能够均匀的溢流，且流道畅通无流动死角或静水区，原料液与透过液要能够严格分开；◆组件本身要具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性；◆在进行组件的流态设计时，应该能够使原料液在膜面上形成良好的流动状态，应考虑尽量减少浓差极化，降低膜污染，提高分离效率；◆组件的制造成本要低，并且要具有尽可能高的装填密度，进而降低造价，尽可能降低膜的更换成本；◆组件装置要牢固可靠，膜或组件的安装、拆卸、清洗或更换方便，易于管理维护；◆压力损失要小，运行能耗要低。膜组件的结构设计必须遵循上述要求，但考虑到使用目的的不同，设计时的侧重面也应该不同。在此基础上，要尽量提升膜材料以及膜组件的各方面性能，开发寿命长、强度好、抗污染、价格低的膜材料，对膜组件的研究应朝着处理能力大、能耗低的方向发展。1.2新型膜组件的设计内容1.2.1膜材料及支撑材料的选择用于新型膜组件的膜材料可以选用现在应用比较广泛的多种膜材料，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)和聚丙稀(PP)等，也可使用已研究的亲水、抗污染复合功能膜。在膜组件设计初期，本论文实验中用的膜材料为621型工业滤布(膜基质)，由涤纶短纤维通过捻线后编织而成，具备耐酸，耐弱碱，耐磨性，耐腐性，恢复性好等优点。每两根纤维丝之间间距为10μm，有效过滤孔径为5.6μm。1.2.2膜组件的几何构型设计膜组件结构包括膜片、集水管，膜组件制成长方形，具有一定的长宽比，如3：1、5：1等，通过支撑材料本身的旋转角度及外部固定使膜组件具有不同的旋转角度。通过实验确定不同长宽比的膜组件最合适的旋转角度。2.膜组件的性能测试结果与讨论2.1实验装置及实验方法制备旋转角度为30°、45°、90°、135°、180°等不同旋转角度的单片膜片，将其放入膜分离装置中，加入由高岭土配置的模拟颗粒物悬浊液，在一定跨膜压差下测定出水的浊度和流量。观察膜组件的通量衰减及浊度去除率，对比不同旋转角度的运行性能。膜分离装置示意图如图1所示，两个膜组件在图中两个相同体积的区域内进行平行对比。反应器纵剖面图反应器横剖面图其中：H=375mm；L=160mm；W=100mm；V1=V2=3.2L图1：膜分离装置示意图实验操作如下所示：◆悬浊液浓度：0.5g/L◆膜面积：0.02m2◆操作压力：3KPa◆曝气量：0.2m3/h,0.14m3/h，0.1m3/h◆气泡直径范围：0.22-3.4mm膜组件的通量衰减测量采用重力自流法，在反应器的其中一个区域内放置垂直膜组件（旋转角度为0°），另一个区域放置旋转膜组件（不同角度，30°、45°、90°，等），同时操作，进行水平对比。之后，将三个膜片连接在一起，制成小型膜组件，测试中间膜片的性能，从而考察膜片之间的影响及膜间距的确定。2.2实验结果及讨论2.2.1垂直膜组件与四个不同旋转角度的膜组件的对比在曝气量为0.2m3/h的条件下，选取四个不同的旋转角度，与垂直膜组件进行通量衰减的对比试验，结果如图2所示：图2：不同旋转角度膜组件通量衰减示意图从上图可以看出，具有旋转角度的膜组件与垂直膜组件相比，通量衰减比较慢，并且稳定在一个较高的水平。其中在实验进行的钱30分钟，135°的膜组件呈现最好的优势，而在30分钟之后，四个旋转角度的膜组件通量保持在相似的水平。这说明螺旋结构的膜组件悬浮颗粒比较不容易沉积，膜污染情况比垂直膜组件减轻很多，同时还能保持较高的通量。图3表示了不同旋转角度膜组件在不同的运行时间的通量衰减与膜污染情况，以旋转角度为横坐标，通量相对值为纵坐标，对比通量测试进行不同时间的通量值。由图可知，在运行40分钟之后，膜通量趋于稳定，这时135°与90°膜组件通量保持在较高水平，且滤饼层质量较小。图3：不同旋转角度膜组件不同时间通量及滤饼层质量示意图2.2.2曝气量对螺旋膜组件的影响为了考察螺旋膜组件对曝气的敏感性，选取90°与135°两个角度，降低曝气量，进行通量衰减与截留率的测试。0204060801001201400.00.20.40.60.81.0F/F0time(min)0o45o90o135o180o-200204060801001201401601802000.100.150.200.250.300.350.400.450.5018min40min80min120minAngleofmembranemoduleF/F00204060801001201400.00.20.40.60.81.0verticalmodelF/F0(0.14m3/h)135omodelF/F0(0.14m3/h)verticalmodelNTUverticalmodelNTUtime(min)F/F030405060708090100110NTUremovalrate(%)0204060801001201400.00.20.40.60.81.0verticalmodelF/F0(0.1m3/h)135omodelF/F0(0.1m3/h)verticalmodelNTU135omodelNTUtime(min)F/F0102030405060708090100110NTUremovalrate(%)图4：曝气量0.14m3/h垂直与135°膜组件性能对比图图5：曝气量0.1m3/h垂直与135°膜组件性能对比图由图4与图5可以看出，当曝气量降低，旋转膜组件通量衰减仍然比垂直膜组件通量衰减缓慢，并且浊度去除率没有下降。曝气量为0.1m3/h时，135°膜组件性能表现出更明显的优势，膜通量提高了约30%。这充分说明螺旋膜组件对曝气比较敏感，能在低曝气量下保持较高的膜通量及截留率，在节省能耗方面有很大的潜力。90°膜组件与垂直膜组件在高低曝气量下的性能对比如图6所示，高的曝气量为0.2m3/h，之后降低曝气量到0.1m3/h。0204060801001201401600.00.20.40.60.81.0F/F0time(min)NTUremovalrate(%)F/F0(verticalmodule,aeration0.2m3/h)F/F0(90omodule,aeration0.2m3/h)F/F0(verticalmodule,aeration0.1m3/h)F/F0(90omodule,aeration0.1m3/h)NTU(verticalmodule,aeration0.2m3/h)NTU(90omod