膜曝氣生物膜反應(yīng)器膜傳氧速率的影響因素研究

包進(jìn)鋒, 朱品尚, 朱圓圓, 吳 凱, 謝慧峰, 黃 霞

(1. 浙江開(kāi)創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰? 杭州 310000;2. 杭州余杭凈水有限公司, 杭州 310000;3. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100084)

污水處理行業(yè)碳排放量占全社會(huì)碳排放總量的1%～2%[1],在“碳達(dá)峰”與“碳中和”的背景下,污水處理低碳工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用日益受到重視.膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MABR)是一種集合了膜技術(shù)、曝氣技術(shù)、生物技術(shù)的新型工藝,具有節(jié)約能源、節(jié)約占地、節(jié)約藥劑等優(yōu)勢(shì)[2-4].MABR膜作為一種新型的曝氣方式,其傳氧速率可達(dá)到7～23 g O2/(m2·d)[5],相比較傳統(tǒng)的生化工藝,可節(jié)約70%以上的能耗[6-8],節(jié)能減排潛力大.

MABR膜屬于氣體分離膜,是MABR工藝的核心,其分離原理主要為適用于多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理與適用于無(wú)孔、致密膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理[9-10].MABR工藝在污水處理中的應(yīng)用及相關(guān)影響因素已有較多研究[11-12],但關(guān)于致密的MABR膜傳氧速率的影響因素研究還較少.合理的運(yùn)行參數(shù)是實(shí)現(xiàn)最大氧氣傳遞速率的關(guān)鍵,本文通過(guò)研究影響MABR膜傳氧速率的相關(guān)因素,以期為MABR在工程中的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 MABR實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的MABR裝置由反應(yīng)池、膜組件、氣泵、氣體流量計(jì)、壓力表組成,單個(gè)反應(yīng)池尺寸0.25 m×0.25 m×0.90 m.實(shí)驗(yàn)所用的MABR膜為聚乙烯(PE)與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合而成的中空纖維致密膜,膜絲內(nèi)/外徑為0.50 mm/0.65 mm,單個(gè)膜元件尺寸12 cm×60 cm,有效膜面積0.25 m2,每支膜元件的頂部與底部分別設(shè)有進(jìn)氣口與尾氣排放口,膜組件由4支膜元件組成.

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為脫氧后的自來(lái)水.向自來(lái)水中投加無(wú)水亞硫酸鈉與少量氯化鈷,充分反應(yīng)去除自來(lái)水中的溶解氧[13].

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

MABR膜組件放置于反應(yīng)池中,將配置好的無(wú)氧水通過(guò)進(jìn)水泵打入反應(yīng)池,水量為45 L;啟動(dòng)反應(yīng)池中的攪拌器,待反應(yīng)池中溶解氧值恒定不變時(shí),記錄為初始數(shù)據(jù);采用空氣作為供氣氣源,開(kāi)啟供氣泵,通過(guò)氣體流量計(jì)與進(jìn)氣閥控制供給MABR膜組件的氣量,尾氣通過(guò)膜組件底部的排放口排出,通過(guò)尾氣控制閥控制供給MABR膜組件的壓力;實(shí)驗(yàn)過(guò)程每1 min記錄一次反應(yīng)池中溶解氧數(shù)據(jù).圖1為工藝流程圖.

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

1.4 實(shí)驗(yàn)藥劑與儀器

自來(lái)水、無(wú)水亞硫酸鈉(分析純)、氯化鈷(分析純),國(guó)藥集團(tuán).

便攜式溶解氧測(cè)定儀(HACH HQ30D)、棒式玻璃水銀溫度計(jì)(0～100 ℃)、電子天平(賽多利斯BSA2245).

1.5 數(shù)據(jù)測(cè)定及表征方法

MABR供氣流量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)記錄(30～300 mL/min);MABR供氣壓力采用機(jī)械式壓力表記錄(0～16 kPa);溶解氧采用便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定;溫度采用溫度計(jì)測(cè)定.

平均傳氧速率采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

傳氧速率(OTR)=1.44×(DOt-DOo)×V/(t×A)

(1)

式中:OTR為傳氧速率,g O2/(m2·d); 單位轉(zhuǎn)化系數(shù)為1.44;DOt為t時(shí)間末反應(yīng)池中溶解氧濃度,mg/L;DOo為初始時(shí)刻反應(yīng)池中溶解氧濃度,mg/L;V為反應(yīng)池中有效溶液體積,L;t為測(cè)試時(shí)間,min;A為有效膜面積,m2.

參考工程應(yīng)用的實(shí)際情況,在進(jìn)行MABR膜性能測(cè)試時(shí)選擇溶解氧2～4 mg/L之間傳氧數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 膜元件連接方式對(duì)MABR膜傳氧速率的影響

膜組件1#與膜組件3#采用膜元件首尾串聯(lián)方式連接,膜組件2#采用并聯(lián)方式連接,連接方式如圖2所示.3支膜組件的供氣壓力為10 kPa,膜組件1#供氣氣量為50 mL/min,膜組件2#與膜組件3#供氣總量為200 mL/min,實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制水溫(16.5±0.5) ℃,每1 min記錄1次溶解氧數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 膜元件不同連接方式下MABR膜傳氧速率Table 1 Oxygen transfer rates of membrane in MABR at different connection modes of membrane modules

圖2 并聯(lián)形式(a)與串聯(lián)形式(b)Fig.2 Form parallel (a) &series (b)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)組1與實(shí)驗(yàn)組2結(jié)果可以知,在單片膜元件供氣量與供氣壓力相同的情況下,膜組件2#傳氧性能明顯優(yōu)于膜組件1#;對(duì)比實(shí)驗(yàn)組1與實(shí)驗(yàn)組3結(jié)果可知,在串聯(lián)條件下,提高膜組件的總供氣量(總氧氣量)可以提高傳氧速率;在膜組件總供氣量相同的條件下,相比較實(shí)驗(yàn)組2,實(shí)驗(yàn)組3即使將單片膜元件供氣量提升4倍,其傳氧速率仍低于并聯(lián)膜組件.表明了MABR膜組件的連接方式對(duì)MABR膜的傳氧速率影響顯著,空氣在實(shí)驗(yàn)組1與實(shí)驗(yàn)組3的傳遞次數(shù)是實(shí)驗(yàn)組2的4倍,隨著空氣傳遞次數(shù)增多,串聯(lián)組件內(nèi)的氣體傳遞行程延長(zhǎng),氣體中的氧氣濃度隨氣體行程的延長(zhǎng)逐步降低,導(dǎo)致膜絲內(nèi)外的濃度差隨著氣體行程的延長(zhǎng)而減小,因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,采用并聯(lián)模式可以更好地發(fā)揮MABR膜組件的傳氧性能.

2.2 溫度對(duì)MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯(lián)的連接方式下開(kāi)展了溫度對(duì)MABR膜傳氧性能的研究.控制供氣壓力10 kPa,供氣流量200 mL/min,調(diào)節(jié)反應(yīng)池中水溫分別為16 ℃、20 ℃與25 ℃,每1 min記錄1次溶解氧數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 不同溫度下MABR膜傳氧速率Table 2 Oxygen transfer rates of membrane in MABR at different temperatures

由表2可知,在16～25 ℃的范圍內(nèi),水溫對(duì)MABR膜的傳氧速率影響不顯著,甚至溫度升高傳氧速率略有下降.主要原因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)使用的MABR膜屬于無(wú)孔膜,氧氣通過(guò)無(wú)孔膜的傳遞符合溶解-擴(kuò)散機(jī)理[9],即(1)氧氣在膜上游側(cè)被吸附溶解的吸著過(guò)程;(2)吸附溶解的氧氣在濃度差作用下透過(guò)膜的擴(kuò)散過(guò)程;(3)擴(kuò)散透過(guò)膜的氧氣在膜下游側(cè)釋放的解析過(guò)程.其中步驟(2)的擴(kuò)散過(guò)程屬于控速步驟,擴(kuò)散過(guò)程符合菲克定律,滲透系數(shù)=擴(kuò)散系數(shù)×溶解度系數(shù),其中擴(kuò)散系數(shù)與溶解度系數(shù)與膜材料性質(zhì)、氣體的性質(zhì)、氣體的溫度與濃度有關(guān)[9],受測(cè)試液溫度影響較小,因此提高水溫對(duì)MABR膜的傳氧速率影響不大;而氣體的溶解度又隨溫度的升高而降低,水溫升高導(dǎo)致水中的溶解氧濃度降低,出現(xiàn)了MABR膜傳氧速率隨著溫度升高略有下降的現(xiàn)象.

2.3 供氣壓力對(duì)MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯(lián)的連接方式下開(kāi)展了供氣壓力對(duì)MABR膜傳氧性能影響的研究.控制供氣流量為100 mL/min,水溫(16.5±0.5) ℃,調(diào)節(jié)供氣壓力分別為0、2、5、10 kPa,每1 min記錄1次溶解氧數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 傳氧速率與供氣壓力之間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between oxygen transfer rate and air pressure

由圖3可知,OTR隨著供氣壓力的增大出現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的現(xiàn)象,其中供氣壓力由0 kPa提升至2 kPa時(shí),其傳氧速率提升25.85%;供氣壓力由2 kPa提升至10 kPa時(shí)膜傳氧性能提升5.11%,表明傳氧速率存在一個(gè)合適的工作壓力值,低于該工作壓力值時(shí),膜組件的傳氧性能得不到充分發(fā)揮,高于該工作壓力值時(shí),繼續(xù)提高工作壓力,膜組件的傳氧性能提升不顯著.

2.4 供氣流量對(duì)MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯(lián)的連接方式下開(kāi)展了供氣流量對(duì)MABR膜傳氧性能影響的研究,控制供氣壓力2 kPa,調(diào)節(jié)供氣氣量分別為30、50、75、100、200、300 mL/min,每1 min記錄1次溶解氧數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 傳氧速率與供氣流量之間的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between oxygen transfer rate and air flow

圖4結(jié)果可知,MABR膜傳氧速率隨著供氣氣量的增加出現(xiàn)先增大后變緩的趨勢(shì),當(dāng)供氣流量由30 mL/min提高至100 mL/min時(shí),傳氧速率提高了6.40 g O2/(m2·d),但氣量由100 mL/min提高至300 mL/min時(shí),傳氧速率僅提高了1.26 g O2/(m2·d).主要原因?yàn)閭餮踹^(guò)程的推動(dòng)力為濃度差,而膜絲表面的氧氣濃度隨著傳氧過(guò)程的進(jìn)行逐漸降低,提高供氣量可以保證膜絲表面的氧氣濃度,進(jìn)而增大膜傳氧的推動(dòng)力;但當(dāng)氣體流量升高到一定程度時(shí),膜絲內(nèi)外的濃度差趨于穩(wěn)定,傳氧速率達(dá)到穩(wěn)定值.

2.5 水中溶解氧濃度對(duì)MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯(lián)的連接方式下開(kāi)展了溶解氧濃度對(duì)MABR膜傳氧性能影響的研究,控制供氣流量100 mL/min、壓力10 kPa的實(shí)驗(yàn)條件,每1 min記錄1次溶解氧數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5與圖6所示.

圖5 水中DO與MABR運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Changes of DO and operation time of MABR

圖6 傳氧速率與水中DO的關(guān)系Fig.6 Relationship between oxygen transfer rate and DO

由圖5可知,MABR的充氧效果隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增大并趨于飽和,DO的增長(zhǎng)速率逐漸減緩.由圖6可知,隨著反應(yīng)池中DO的升高M(jìn)ABR膜的傳氧速率先升高后降低,DO處于2.83 mg/L時(shí),傳氧速率為13.41 g O2/(m2·d),當(dāng)DO升高至9.06 mg/L時(shí),傳氧速率為8.82 g O2/(m2·d),降低了34.23%.進(jìn)一步證明了MABR膜的氧傳質(zhì)過(guò)程推動(dòng)力是膜絲內(nèi)外的氧濃度差.MABR運(yùn)行初期,膜絲內(nèi)外側(cè)的溶解氧濃度差異較大,傳氧速率快,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),膜絲外側(cè)的溶解氧升高,膜絲內(nèi)外側(cè)的濃度差變小,傳氧速率開(kāi)始降低,整個(gè)傳氧過(guò)程符合傳質(zhì)的菲克定律.

2.6 供氣關(guān)閉后MABR膜傳氧速率

采用膜組件1#,考察了供氣關(guān)閉前后MABR膜傳氧速率的變化,控制供氣流量200 mL/min、壓力0 kPa等,前10 min進(jìn)行正常的供氣運(yùn)行,后關(guān)閉供氣,記錄MABR的傳氧情況.結(jié)果如圖7所示.

圖7 MABR供氣/關(guān)閉供氣后DO和傳氧速率隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of DO with time and oxygen transfer rate when air supply was switched from on to off in MABR

由圖7(a)可知,MABR在關(guān)閉供氣后依舊會(huì)有一定的氧氣傳遞,但相比較供氣情況,溶解氧濃度上升較慢;由圖7(b)可知,關(guān)閉供氣時(shí),氧氣的傳遞速率下降很快,由供氣時(shí)的9 g O2/(m2·d),迅速降低至6 g O2/(m2·d),運(yùn)行20 min后降低至3 g O2/(m2·d).表明,在關(guān)閉供氣后,MABR膜絲內(nèi)部殘留空氣中的氧仍在向水中擴(kuò)散,但隨著膜絲內(nèi)部氧分壓的持續(xù)降低,傳氧速率迅速下降.

3 結(jié)論

在相同運(yùn)行條件下,MABR膜組件采用并聯(lián)方式可以更好地提高M(jìn)ABR膜傳氧性能; 水溫對(duì)MABR膜的傳氧性能影響不顯著;供氣壓力對(duì)MABR膜的傳氧性能影響較小但存在一個(gè)合適的工作壓力值;供氣流量對(duì)MABR膜的傳氧性能影響顯著,MABR膜的傳氧速率隨供氣流量的提高出現(xiàn)先增大后趨穩(wěn);當(dāng)供氣停止后,MABR膜在一定時(shí)間內(nèi)依舊具有傳氧功能.MABR膜在并聯(lián)條件下,控制供氣壓力2 kPa,供氣量100 mL/min,傳氧速率達(dá)到12.7 g O2/(m2·d).