波紋微通道湍流促進器減緩SFMBR的膜污染效果分析

解 芳,劉進榮,陳偉偉 (內(nèi)蒙古工業(yè)大學化工學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

膜生物反應器(MBR)是將高效膜分離技術與污水生物處理工藝相結(jié)合而成的一種新型高效的污水處理工藝,在一定程度上已得到應用.MBR運行過程中產(chǎn)生的膜污染問題一直是影響 MBR在污水處理中推廣應用的主要障礙.通過流體不穩(wěn)定流動來改善膜表面流體的流動狀態(tài)是減輕膜污染的重要手段,其中湍流促進器具有操作方便、結(jié)構簡單、強化效率高且易于工業(yè)化放大等優(yōu)點[1-4].Gupta等[5]和Ahmad等[6]發(fā)現(xiàn)螺旋折流板會增加流體速度和壁面剪應力,減緩和抑制膜污染,從而增加膜通量.趙宗艾等[7]采用附加螺旋式、纏繞式、變截面式的湍流促進器的管式陶瓷膜對酵母液進行微濾,探索不穩(wěn)定流動的影響規(guī)律,以便改善陶瓷膜的污染問題.實驗研究表明,流體不穩(wěn)定流動可促進膜面與主流體的對流傳質(zhì),從而減少膜面的沉積污染.Xu等[8-9]最早提出附加圓柱式、螺旋式和纏繞式的湍流促進器來改善陶瓷膜生物反應器的膜通量,通過實驗數(shù)據(jù)分析得出,加入湍流促進器的膜通量相對于不加湍流促進器的膜通量從 70增加到175L/(h·m2),且出水質(zhì)量沒有下降.Krsti?等[10-11]對靜態(tài)湍流促進器在脫酯牛奶的錯流過濾中的應用研究發(fā)現(xiàn),靜態(tài)混合器可引起徑向混合和二次流,除此之外,左右交替的螺旋結(jié)構會產(chǎn)生渦流,增加膜表面的剪切速率,降低濃差極化和濾餅層厚度,減緩膜污染,提高膜通量.陳日志等[12]在考察了推進式、螺旋式和圓柱式湍流促進器的構型、旋轉(zhuǎn)速度等因素對液固SMBR中膜過濾性能的影響,研究結(jié)果顯示,推進式湍流促進器強化效果最顯著,且膜通量隨著湍流促進器旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加.鎮(zhèn)祥華等[13-14]設計了圓柱式、變截面圓柱式、纏繞式和螺旋式的湍流促進器,通過考察湍流促進器的構型、螺距等對膜通量及單位產(chǎn)水能耗的影響,來對比其對膜過濾性能的強化效果.Xie等[15]研究了附加平板式、板刺式、人字紋和波紋微通道湍流促進器來改善浸沒式平板膜生物反應器的流體動力學性能,增加膜通量,減緩膜污染.

綜上所述,湍流促進器結(jié)構形式有很多類型,如螺旋折流板、螺旋式、纏繞式、變截面式、圓柱式、推進式、靜態(tài)混合器和微通道湍流促進器等,其對強化過濾過程有良好的促湍效果,可減輕濃差極化和膜污染.本文考慮到微通道的尺寸效應致使流體的速度梯度、溫度梯度、濃度梯度等較常規(guī)尺度通道增大,梯度的增加導致動量傳遞、傳熱、傳質(zhì)推動力的增大,從而可強化流體的動量傳遞、傳熱和傳質(zhì)過程,通過研究波紋微通道湍流促進器強化浸沒式平板膜生物反應器運行 30d的膜污染阻力變化;使用SEM分析比較膜表面的形態(tài)變化,采用 FTIR、ICP和EDS表征膜表面污染物;根據(jù)膜污染阻力和膜表面污染物表征結(jié)果分析波紋微通道湍流促進器減緩浸沒式平板膜生物反應器的膜污染效果.

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗中所用的波紋微通道湍流促進器結(jié)構示意圖如圖1所示,其交叉放置于平板膜表面,長6mm、寬220mm、厚3mm,圖2為SFMBR-B的示意圖.為便于實驗結(jié)果的對比并減少實驗誤差及節(jié)省實驗成本,采用并行的SFMBR實驗裝置,如圖 2所示,主要包括一套進水系統(tǒng)、兩套曝氣系統(tǒng)、兩套平板膜生物反應器和兩套出水系統(tǒng).本實驗所用的生物反應器有效體積為 68L和SINAP-10型平板膜組件的有效過濾面積為0.5m2,膜材質(zhì)是聚偏氟乙烯(PVDF),膜孔徑為0.1μm,膜與膜之間的間距為 7mm.實驗進水水質(zhì)配水成份及含量如下表 1所示.實驗過程采用間歇運行方式,蠕動泵的抽停時間比為 8min/2min.HRT為12h,SRT為30d.

圖1 波紋微通道湍流促進器示意Fig.1 Schematic diagram of corrugated micro-channel turbulence promoter

1.2 實驗方法

1.2.1 膜污染阻力的分布 文獻[16-18]中得知,影響膜污染的阻力有膜固有阻力、吸附阻力、污染阻力.其中污染阻力又可分為可逆阻力(Rrf)和不可逆阻力.不可逆阻力主要包括膜孔堵塞阻力和凝膠濾餅層阻力.根據(jù)Darcy定律,膜污染阻力可由式(1)表示.

式中:R為膜阻力,m-1;ΔPT為跨膜壓差(TMP),kPa;μ為動力黏度系數(shù),Pa·s;J 為膜通量,L/h·m2.膜的總阻力可進行如下分解:式中:Rt為總阻力,m-1; Rm為新膜的固有阻力,m-1;Rp為膜孔堵塞阻力,m-1; Rc為凝膠濾餅層阻力,m-1; Ra為吸附阻力,m-1.

圖2 SFMBR實驗裝置示意Fig.2 Schematic flow diagram of SFMBR

表1 實驗進水成份及含量Table 1 Components and quality of experiment influent(mg/L)

由新膜過濾自來水的J0和ΔPT,由Darcy方程可計算出新膜的固有阻力Rm;由運行結(jié)束時系統(tǒng)的J1和ΔPT,由Darcy方程可計算出膜過濾總阻力 Rt;運行結(jié)束后,將膜取出用于過濾自來水,測定J2和ΔPT,由Darcy方程計算出的阻力值R0,主要包括濾餅層阻力、膜孔堵塞阻力、吸附阻力和膜固有阻力;用海綿擦洗掉膜表面凝膠濾餅層,過濾自來水測定J3和ΔPT,由Darcy方程計算所阻力值R1,主要包括膜孔堵塞阻力、吸附阻力和膜固有阻力.基于上述分析可得:

1.2.2 膜表面污染物表征 SFMBR膜污染物按類型可分為微生物污染、有機物污染和無機物污染.膜過濾實驗結(jié)束后,取出平板膜,剪取一塊膜面利用掃描電鏡(SEM)分析膜表面形態(tài)的變化;利用傅里葉紅外光譜(FTIR)分析膜表面有機污染成分;電感耦合等離子光儀(ICP)和X射線能譜儀(EDS)分析膜表面無機污染物成分.

2 結(jié)果與討論

2.1 膜污染阻力的分析

圖3 30d 運行過程中總阻力隨時間的變化Fig.3 Changes of total resistance with time in 30d

圖4 各阻力占總阻力的百分率Fig.4 Percentage of various resistance in process

SFMBR-A和SFMBR-B的運行周期為30d,且為間歇運行.在膜過濾過程中定時測定膜通量和跨膜壓差(TMP),從而準確比較膜污染阻力的變化.從圖3可看出,SFMBR-A和SFMBR-B在運行1～10d時總阻力值Rt的大小和變化趨勢基本一致.隨著運行天數(shù)的增加,濾餅層厚度增加及膜孔被堵塞的數(shù)量也會增加,導致 Rrf、Rc和Rp+Ra增加.當運行到 24d時,SFMBR-A的總阻力Rt急劇變化,而SFMBR-B的總阻力Rt隨著時間的增加,變化比較平緩[19].微通道湍流促進器有效地降低了總阻力 Rt,降低率達到 68.01%,其中的 Rrf、Rc和 Rp+Ra分別降低了54.20%、87.98%和84.00%.在SFMBR中Rc對膜的透水率影響起決定作用,且是引起膜污染的主要原因.從數(shù)據(jù)分析可知附加微通道湍流促進器可減少膜污染阻力,尤其是濾餅層阻力在總阻力的百分率明顯降低,如圖4所示.

2.2 膜表面形態(tài)分析

從圖5中污染膜表面的SEM圖像可以看出,厚且密實的濾餅層覆蓋在污染的膜表面.污泥顆粒、胞外聚合物和膠體物質(zhì)在膜表面沉積形成濾餅層[20],是膜污染阻力的重要來源.從圖中還可看出,附加微通道湍流促進器膜表面的濾餅層厚度明顯低于無湍流促進器膜表面的濾餅層厚度,從而降低濾餅層阻力,減緩膜污染.

圖5 污染膜表面的SEM圖像Fig.5 SEM result of the fouled membrane surface

顆粒大小與膜孔徑相當?shù)哪遣糠治勰囝w粒和膠體物質(zhì)堵塞膜孔,降低膜的孔隙率,導致膜通量顯著衰減.從圖6可看出,SFMBR-A的顆粒大小在運行30d后變化不大,基本在0.1μm左右,接近于所用平板膜的微孔尺寸,易造成膜孔堵塞.SFMBR-B的顆粒大小隨著運行天數(shù)的增加而增加.由于粒徑大小與平板膜的微孔尺寸差異越來越大,從而可以減輕膜孔堵塞.這主要是由于微通道湍流促進器的引入,在膜表面附近形成了旋渦,增加了湍流強度,提高了已沉積懸浮液顆粒的逆擴散,促進沉積在膜表面濾餅層的脫落,從而降低濾餅層的積累速度,改善膜通量且相應地緩減膜污染;再者微通道湍流促進器上的微通道會局部引起速度的變化,即當主體流體進入微通道時,會造成速度增大,產(chǎn)生速度梯度,而速度梯度的存在會引起液體中粒子的相對運動,造成粒子的相互碰撞,使得線性高分子化合物在微粒間“架橋”聯(lián)接而引起微粒同向絮凝,顆粒粒徑增大,產(chǎn)生推擠堆積,導致許多微粒無法進入膜孔或卡在孔中,以便產(chǎn)生截留且不易造成膜孔堵塞[19,21-22].

圖6 濾餅層粒徑的分布Fig.6 Size distribution of filter cake layer

2.3 膜表面有機污染物的分析

從圖7中可見在3396.57cm-1處的吸收峰是由羥基 O—H 鍵的伸縮振動峰引起的,2927.94cm-1處的尖峰為 C—H鍵的伸縮振動吸收峰,1406.11cm-1處的吸收峰是—CH2的變形吸收峰,1039.63cm-1處的吸收峰是醇羥基的變角振動吸收峰,1245.18cm-1處的吸收峰是C—O的伸縮吸收峰,即表示膜表面污染物有多糖類物質(zhì)和脂質(zhì).1537.27cm-1的吸收峰是N—H彎曲振動峰和C—N伸縮振動峰,1658.78cm-1處的吸收峰是酰胺基 C=O的伸縮振動峰,即蛋白質(zhì)是膜表面污染物的組成之一[19,23].從圖8可知,由于膜材料為 PVDF,SFMBR-B的膜和新膜表面在1072.42cm-1峰處出現(xiàn)了C—F基團,而SFMBR-A的膜表面上沒有出現(xiàn)1072.42cm-1峰,則可能是膜表面完全被污染物覆蓋,使紅外光譜圖無法出現(xiàn)C—F基團[19,24].

圖8 膜表面的紅外光譜Fig.8 FTIR spectra of the membrane surface

2.4 膜表面無機污染物的分析

借助電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)和X射線能譜儀(EDS)技術進一步分析膜表面污染物成分,對運行 30d后的浸沒式平板膜生物反應器膜面上的濾餅層污染物樣品進行無機污染物元素分析.

2.4.1 膜表面污染物無機無素含量的分析 稱取膜面污染物0.0784g溶于100mL的容量瓶中,ICP測試各元素的含量如表 2所示.從表中成分可看出元素鈣和硅在整個無機污染物中占有很大比例.對比SFMBR-A和SFMBR-B的數(shù)據(jù)得出附加微通道湍流促進器可減少無機成分在膜表面的累積,特別是硅的比重明顯下降,從而降低濾餅層厚度,減輕膜污染.

表2 膜表面污染物成分的ICP分析結(jié)果Table 2 Components of membrane foulants measured by ICP system

2.4.2 膜表面污染物無機元素的分析 對于SFMBR-A和 SFMBR-B,圖 9的分析結(jié)果表明C、O、P、Cl、Ca、S、K、Fe、Al、Si、Na、Mg為膜污染的主要元素,并且C、O、P、Ca、S、Cl在膜表面污染物中所占比重較大.雖然 Mg、Al、Si、Fe、Na等元素的相對含量較小,但是這些元素對于膜污染物的形成有極重要的作用.膜表面污染物主要由微生物絮體、胞外聚合物、無機鹽沉淀等組成,因此,這些元素主要來自于污泥絮體、胞外聚合物和沉淀物[18].從C、O、S、P、Cl等元素的存在,可以推測出 Mg、Al、Si、Ca、Fe、Na等元素可能會以硫酸鹽、碳酸鹽、氯酸鹽、磷酸鹽、氫氧化物、氧化物的形式沉積到膜表面.污染物沉積到膜表面的實質(zhì)是溶解性無機鹽在濃差極化的情況下超過了溶解度極限后通過結(jié)晶作用在膜表面形成了鹽垢[16,18-19].

圖9 污染膜表面的EDSFig.9 EDS of the fouled membrane surface

通過比較分析SFMBR-A和SFMBR-B的污染膜表面的形態(tài)和污染成分,可得出附加微通道湍流促進器后的 SFMBR,可有效降低膜面濾餅層的厚度,減輕濾餅層阻力和濃差極化現(xiàn)象,減緩膜污染.

2.5 波紋微通道湍流促進器減緩膜污染的效果分析

對運行期間的膜表面進行觀察,發(fā)現(xiàn)膜表面污染層開始形成.附加微通道湍流促進器浸沒式平板膜生物反應器的污染層與傳統(tǒng)浸沒式平板膜生物反應器相比更易去除.綜合上述膜污染阻力分布和膜表面污染物表征結(jié)果,從以下四個方面分析了微通道湍流促進器減緩浸沒式平板膜生物反應器的效果.

2.5.1 擾流作用強化機理 微通道湍流促進器的存在,可以起到擾流的作用,增加膜表面的湍流強度,從而在膜表面進一步產(chǎn)生剪應力,這有助于加強處理液沖刷膜表面的作用,降低濾餅邊界層厚度,緩減濃差極化,抑制懸浮液顆粒在膜表面的沉積.

2.5.2 逆擴散機理 微通道湍流促進器的存在,促進了膜表面附近含有可溶性溶質(zhì)的溶液向主體溶液的逆擴散;還可在膜表面形成旋渦,湍流強度的增加有利于提高已沉積懸浮液顆粒的逆擴散,促進沉積在膜表面濾餅層的脫落,從而降低濾餅層的積累速度,改善膜通量且相應地緩減膜污染.

2.5.3 絮凝機理 微通道湍流促進器上的波紋突起導致產(chǎn)生小旋渦,當顆粒尺寸接近于小旋渦的尺寸時,由于不受壁面的限制,其運動可視為各向同性,導致顆粒與顆粒之間在運動過程中相互碰撞的機會增加[22].波紋微通道湍流促進器表面有突起,呈凹凸相間的粗糙表面,微通道湍流促進器很易吸附懸浮液中的顆粒,使得微通道內(nèi)的懸浮液顆粒濃度增加;粗糙表面較光滑表面粒子間的排斥力減少[25].微通道湍流促進器上的微通道會局部引起速度的變化,即當主體流體進入微通道時,會造成速度增大,產(chǎn)生速度梯度.粒子相互碰撞增加、濃度增加和速度梯度的存在會引起液體中粒子的相對運動[22].根據(jù) DLVO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理論[26-27],粒子之間總相互作用能曲線存在一墊壘,當粒子動能遠超過布朗運動時,粒子之間表現(xiàn)為強的吸引力致使粒子產(chǎn)生凝聚,顆粒粒徑增大,產(chǎn)生推擠堆積,導致許多微粒無法進入膜孔或卡在孔中,產(chǎn)生截留且不易造成膜孔堵塞.

2.5.4 微孔強化過濾機理 微通道湍流促進器上的微孔和微通道可以使懸浮液顆粒在膜表面沉積后,形成抗壓縮性更好和孔隙率更高的濾餅層,減少過濾阻力.

總之,附加微通道湍流促進器的浸沒式平板膜生物反應器可有效控制溶解性有機物和小顆粒物在膜表面的沉積,阻礙濾餅層的形成,從而減緩膜污染,提高膜通量.

3 結(jié)論

3.1 通過考察膜污染阻力分布得出,波紋微通道湍流促進器有效地降低了總阻力 Rt,降低率達到 68.01%,其中的 Rrf、Rc和 Rp+Ra分別降低54.20%、87.98%和84.00%.

3.2 通過 SEM 分析了污染膜的膜表面形態(tài);FTIR分析表明膜表面有機污染物主要為糖類和蛋白質(zhì)類;ICP和EDS分析表明C、O、P、Ca、S、Cl是膜表面無機污染物中的主要元素.SEM、FTIR和EDS綜合分析顯示波紋微通道湍流促進器的加入,可減輕濾餅層的厚度,減少了無機和有機污染物含量,降低膜污染.

3.3 綜合膜污染阻力分布和膜表面污染物表征結(jié)果從擾流作用強化機理、逆擴散機理、絮凝機理和微孔強化過濾機理四個方面分析了波紋微通道湍流促進器減緩SFMBR膜污染的效果.

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