低膜面流速下曝氣對(duì)管式膜水力特性及膜污染影響

錢光磊，謝陳鑫，滕厚開，趙慧，任春燕

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司國家工業(yè)水處理工程技術(shù)中心，天津 300131）

膜污染是膜分離過程中普遍存在的問題，亦是目前迫切要解決的技術(shù)難題。目前，關(guān)于膜污染控制的研究較多，包括膜材料修飾改性、膜過程條件優(yōu)化、反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)調(diào)控、電化學(xué)調(diào)控微生物代謝過程等。Tardieu 等認(rèn)為當(dāng)膜面流速小于0.5m/s 時(shí)，膜表面容易黏附生物顆粒，膜污染較重；當(dāng)膜面流速大于4.0m/s時(shí)，膜表面沉積現(xiàn)象不明顯，膜污染速率增長(zhǎng)緩慢；而曝氣的引入可增加膜面流速，減少膜表面污染物吸附和沉積，但較高的膜面流速可能增加膜孔堵塞和吸附性污染，進(jìn)而加劇膜污染，總之，通過曝氣或提高膜面流速減緩膜污染，原因是膜面產(chǎn)生的水力剪切力減少了顆粒物和微生物代謝產(chǎn)物在膜表面的沉積。不僅如此，在管式膜組件中引入曝氣還可提高膜通量，且與曝氣量、氣泡大小和頻率、液氣比等有直接關(guān)系。Yu等研究表明，曝氣對(duì)于管式膜抗污染性的提高歸結(jié)于提高了膜運(yùn)行期間的臨界通量，并且臨界通量與膜面流速呈良好的正相關(guān)關(guān)系。不僅如此，在外置式膜生物反應(yīng)器體系下，曝氣不僅提供生物體系所需的溶解氧，而且通過曝氣系統(tǒng)和膜組件優(yōu)化設(shè)計(jì)可增大膜表面剪切力，減緩膜污染過程；但同時(shí)也會(huì)對(duì)活性污泥體系產(chǎn)生不利影響，如污泥破碎致使微生物代謝產(chǎn)物釋放引發(fā)膜污染加劇、污泥粒徑減小沉降性能下降等，這均不利于長(zhǎng)周期膜污染控制。此外，傳統(tǒng)管式膜運(yùn)行過程中膜面流速一般需達(dá)到2.0～4.0m/s 用以控制膜污染，這勢(shì)必增加運(yùn)行能耗。因此，如何實(shí)現(xiàn)在低膜面速度下膜污染控制不僅有利于節(jié)約能耗，還具有重要的工程化意義。目前，錯(cuò)流條件下，關(guān)于曝氣對(duì)管式膜內(nèi)部水力參數(shù)及其對(duì)膜污染過程的具體影響仍需進(jìn)一步研究。

本實(shí)驗(yàn)在錯(cuò)流體系下通過向管式膜系統(tǒng)引入曝氣以強(qiáng)化高嶺土懸濁液膜分離過程，分析了有無曝氣條件對(duì)膜污染控制的影響，并對(duì)不同模式下膜面水力特征及其對(duì)膜污染過程的影響進(jìn)行了量綱為1定量分析，探討了膜面水力條件對(duì)過濾介質(zhì)和膜污染阻力及其構(gòu)成的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所采用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，混合池外形尺寸為400mm×1000mm，有效容積為100L，混合池內(nèi)過濾介質(zhì)通過高嶺土和自來水配置而成，并采用攪拌泵實(shí)時(shí)攪拌。高嶺土懸濁液經(jīng)循環(huán)泵提升進(jìn)入管式膜組件，空壓機(jī)提供氣源經(jīng)氣體流量計(jì)引入管式膜組件底部。膜組件采用內(nèi)壓工作方式，管式組件兩端裝有數(shù)字壓力表和，兩者壓力平均值為膜組件內(nèi)部平均壓力，膜組件產(chǎn)水側(cè)裝有壓力表和流量計(jì)M。因此，膜組件跨膜壓差Δ=-，膜組件產(chǎn)水流量計(jì)M 用于記錄膜產(chǎn)水狀況以記錄膜污染過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)管式膜組件來自天津工業(yè)大學(xué)膜技術(shù)中心，膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔徑為0.02～0.03μm，膜組件長(zhǎng)度為0.8m，膜組件由7 根膜管通過環(huán)氧樹脂密封而成，單個(gè)膜管流道內(nèi)徑為6mm，流道總橫截面積約為1.98×10m，膜總過濾面積約為0.11m。實(shí)驗(yàn)過程中采用同尺寸規(guī)格的有機(jī)玻璃管代替膜組件，以觀察不同水力條件下膜組件內(nèi)氣液流態(tài)。本實(shí)驗(yàn)過濾介質(zhì)為高嶺土混合液，其中，高嶺土混合液濃度控制在8000mg/L 左右，高嶺土粒徑在2～35μm，粒徑中值約為15μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)?zāi)そM件采用恒壓操作模式，進(jìn)入管式膜組件內(nèi)液體流量和氣體流量分別通過液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)控制，用以模擬膜分離過程中不同水力狀況。其中，膜表面氣、液表觀流速通過式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中，為管式膜進(jìn)氣或進(jìn)液流量，m3/s；為膜組件流道總橫截面積，m。

本實(shí)驗(yàn)共分五個(gè)階段運(yùn)行，持續(xù)600h 左右：第Ⅰ階段（0～96h），采用純液體錯(cuò)流模式且操作結(jié)束后未進(jìn)行化學(xué)清洗；第Ⅱ階段（97～192h），在第Ⅰ階段基礎(chǔ)之上引入曝氣以控制膜污染，操作結(jié)束后進(jìn)行化學(xué)清洗；第Ⅲ階段（193～336h）和第Ⅳ階段（337～480h），分別引入不同曝氣量以控制膜污染并在第Ⅲ階段操作結(jié)束后進(jìn)行了化學(xué)清洗；第Ⅴ階段（481～576h），在第Ⅳ階段基礎(chǔ)之上采用純液體錯(cuò)流模式并提高膜面液體流速以考察膜污染控制效果。為保證實(shí)驗(yàn)過程中過濾介質(zhì)的平行性，在第Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ階段分別重新更換了高嶺土懸濁液，以考察不同水力條件對(duì)過濾介質(zhì)的影響。

1.3 其他分析方法

本實(shí)驗(yàn)?zāi)ね扛鶕?jù)產(chǎn)水流量和膜面積進(jìn)行核算，具體根據(jù)式(2)計(jì)算得出。

其中，和分別采用新膜和膜污染后過濾去離子水測(cè)定；單次膜過濾周期后，采用海綿球配合高速水流刮擦膜表面，用于去除濾餅層污染，從而得出+；根據(jù)上述公式可分別計(jì)算出、和。

2 結(jié)果與討論

2.1 低膜面流速下有無曝氣對(duì)膜過程影響

在錯(cuò)流體系下，通過向管式膜引入曝氣可提高膜通量，減緩膜污染過程。由圖2可知，在整個(gè)操作過程中，跨膜壓差維持在120.1～135.2kPa，膜初始通量約35L/(m·h)。在第Ⅰ、Ⅱ階段，膜面液體流速控制在0.27～0.29m/s，其中第Ⅰ階段采用純液體錯(cuò)流模式，膜通量快速衰減至5L/(m·h)，整個(gè)操作過程僅持續(xù)96h。隨著曝氣的引入，第Ⅱ階段膜表面氣體流速為0.20～0.21m/s，在未進(jìn)行化學(xué)清洗的情況下，膜通量在第Ⅰ階段基礎(chǔ)上增加至17～18L/(m·h)，而后維持在15L/(m·h)左右，也即第Ⅱ階段曝氣的引入不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)第Ⅰ階段膜污染層的有效物理清洗，而且使膜通量提高了200%左右，且能夠使膜通量穩(wěn)定運(yùn)行在一定水平。在第Ⅲ、Ⅳ階段均通過引入曝氣使膜表面形成氣液兩相流，膜面氣體流速分別為0.27～0.30m/s 和0.40～0.44m/s，而膜表面液體流速控制在0.20～0.22m/s，顯著低于傳統(tǒng)管式膜錯(cuò)流速度且低于第Ⅰ、Ⅱ階段，而此階段膜通量衰減至15～20L/(m·h)后均能維持相對(duì)穩(wěn)定，并且隨著膜面氣體流速的提高，膜最終維持通量有所上升，也即曝氣的引入不僅可以提高膜運(yùn)行通量，而且可實(shí)現(xiàn)在較低膜面流速下膜污染控制，有利于節(jié)省運(yùn)行能耗。第Ⅴ階段在第Ⅳ階段基礎(chǔ)上提高膜面流速至0.34～0.37m/s，當(dāng)曝氣停止后，膜通量快速衰減至3～4L/(m·h)，這主要是因?yàn)楸倦A段膜面流速與傳統(tǒng)管式膜膜面流速相比仍然偏小，也即單純低膜面液體流速下無法維持膜通量穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 曝氣對(duì)膜操作過程影響

2.2 膜面水力特征及膜污染過程分析

2.2.1 膜面流速對(duì)水力特征影響

膜面流速直接影響膜面水力狀況，進(jìn)而影響膜污染過程。不僅如此，膜面氣、液流速對(duì)管式膜內(nèi)氣含率和氣液混合流態(tài)直接相關(guān)，而氣含率與膜面氣、液流速的關(guān)系如式(5)。

圖3 膜組件內(nèi)氣液兩相流狀況

式中，為膜面氣液混合表觀流速，m/s。

由圖4可知，在曝氣條件下，第Ⅱ、Ⅲ和第Ⅳ階段膜表面雷諾數(shù)分別為3300～3500 和4200～4500，此時(shí)膜表面均處于湍流區(qū)，膜表面強(qiáng)烈的傳質(zhì)和對(duì)流作用可抑制濃差極化現(xiàn)象，減緩膜污染，使膜通量維持在穩(wěn)定水平；而在第Ⅰ、Ⅴ階段，盡管膜表面液體流速高于第Ⅲ、Ⅳ階段（見圖2），但膜表面雷諾數(shù)分別為1800～2000 和2300～2500，均處于層流區(qū)或臨界區(qū)，這不利于膜表面污染層控制，最終該區(qū)間內(nèi)膜通量無法維持在穩(wěn)定水平，均出現(xiàn)快速下降。不僅如此，曝氣的引入實(shí)現(xiàn)了低液體流速下膜表面維持較高的擾動(dòng)程度，這既有利于膜污染長(zhǎng)周期控制，又可顯著降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，便于規(guī)模化工程化應(yīng)用。

圖4 膜面雷諾數(shù)、氣含率及膜通量隨時(shí)間變化狀況

2.2.2 膜面流速對(duì)剪切力影響

膜面氣液流速不僅影響膜表面湍流程度，還直接決定膜表面剪切力大小。提高膜表面湍流程度可抑制膜表面濃差極化層形成，而提高膜表面剪切力可減緩膜表面濾餅層形成，進(jìn)而減緩膜污染。在純液體錯(cuò)流模式下，膜面剪切力可表示為式(9)。當(dāng)管式膜引入曝氣后，膜面剪切力'修正為式(10)。氣液混合密度的計(jì)算為式(11)。

式中，為液體密度，kg/m；為空氣密度，kg/m。

由圖5 可知，在第Ⅰ階段，膜面剪切力在0.0006～0.0007，膜面流速為0.27～0.29m/s（見圖2），膜表面剪切力較小，膜面容易形成濾餅污染，此期間膜通量快速下降至5L/(m·h)以下；隨著氣體的引入，第Ⅱ階段膜表面剪切力增至0.0018～0.0020，此階段在未進(jìn)行化學(xué)清洗的情況下，膜通量由5L/(m·h)快速提高并穩(wěn)定在15L/(m·h)左右，這說明在相同膜面液體流速下，氣體的引入可顯著提高膜表面剪切力，提高膜通量，實(shí)現(xiàn)膜過濾長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。在第Ⅲ、Ⅳ階段，膜表面液體流速降至0.20～0.22m/s，但膜表面剪切力分別為0.0008～0.0009 和0.0011～0.0012，仍然高于第Ⅰ階段膜表面剪切力，此階段內(nèi)膜通量衰減到一定水平后基本維持不變。在第Ⅴ階段膜表面剪切力雖然在0.0009～0.0010，與第Ⅲ階段相差不大，但膜通量短時(shí)間內(nèi)仍然快速下降至5L/(m·h)以下。這主要因?yàn)椋环矫娴冖綦A段操作完成后未進(jìn)行化學(xué)清洗，膜表面已形成初期吸附污染和濾餅污染等容易加劇膜污染過程，導(dǎo)致通量快速下降；另一方面，隨著曝氣的停止，此階段膜表面湍流程度顯著下降（見圖4），致使膜表面濃差極化作用加強(qiáng)，加劇新的膜污染層形成。

圖5 膜面剪切力和膜通量隨時(shí)間變化狀況

2.2.3 膜污染過程分析

為探討不同水力特征下膜污染控制過程與機(jī)理，對(duì)不同階段膜污染指數(shù)進(jìn)行了量綱為1化定量分析。在錯(cuò)流體系下，膜污染指數(shù)可采用式(12)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如圖6可知，在第Ⅰ、Ⅴ階段，純液體錯(cuò)流體系下，膜表面剪切力分別在0.0006～0.0007 和0.0009～0.0010，膜污染指數(shù)均出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，即該階段內(nèi)膜污染無法得到有效控制，膜污染持續(xù)加劇；在第Ⅱ階段，隨著氣體的引入，膜表面剪切力增至0.0018～0.0020，膜污染指數(shù)處于較低水平并維持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這說明相同液體膜面流速下，氣體的引入可顯著增強(qiáng)膜表面剪切力，使膜污染指數(shù)維持在較低水平。在第Ⅲ、Ⅳ階段，膜表面剪切力在0.0008～0.0012，與第Ⅰ、Ⅴ階段膜面剪切力相差并不大，但膜污染指數(shù)卻均能維持在較低水平；而在第Ⅴ階段，膜面流速即使增至0.35m/s 左右，膜表面剪切力也在0.0009～0.0010，但隨著曝氣的停止，膜污染指數(shù)卻再次出現(xiàn)了陡增加劇現(xiàn)象，這說明膜污染指數(shù)與膜面剪切力并無直接決定性關(guān)系。

圖6 不同階段膜污染指數(shù)隨剪切力變化狀況

由圖7 可知，第Ⅰ、Ⅴ階段膜表面雷諾數(shù)小于2500，處于層流區(qū)；而第Ⅲ、Ⅳ階段膜表面雷諾數(shù)大于3000，處于湍流區(qū)，這進(jìn)一步說明在低膜面流速下，膜面剪切力的增強(qiáng)可能不是膜污染控制的主要手段，而膜表面強(qiáng)烈的湍流和傳質(zhì)使膜表面難以形成濃差極化層和濾餅層從而實(shí)現(xiàn)膜操作長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。不僅如此，由圖2 可知，第Ⅲ、Ⅳ階段膜表面液體流速僅為0.20～0.23m/s，而膜污染指數(shù)卻能很好地得到控制，也即氣體的引入可進(jìn)一步降低膜面液體流速，進(jìn)而大幅度降低運(yùn)行能耗，這對(duì)于管式膜工程化應(yīng)用具有重要意義。

圖7 膜污染指數(shù)和雷諾數(shù)隨時(shí)間變化狀況

2.3 低膜面流速下懸浮物粒徑和截留效果

通過曝氣強(qiáng)化膜表面水力狀況，提高膜面剪切力和湍流程度，但膜表面水力狀況對(duì)過濾介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響膜污染過程。圖8為第Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ階段過濾96h 后及原有高嶺土粒徑分布狀況。由圖可知，在第Ⅰ階段純液體錯(cuò)流條件下，高嶺土粒徑有減小趨勢(shì)，但變化并不明顯；在第Ⅲ、Ⅳ階段，隨著曝氣的引入，高嶺土粒徑明顯減小，并且隨著氣含率的增大（見圖4）有進(jìn)一步減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槠貧獾囊胧鼓っ嫱牧鞒潭让黠@增強(qiáng)，很大程度上增大了顆粒之間碰撞、剪切作用，促使高嶺土粒徑變小；而隨著氣含率的增大，管式膜內(nèi)產(chǎn)生氣泡頻率增大，擾動(dòng)程度更強(qiáng)，這進(jìn)一步增大了顆粒剪切和碰撞概率，促使高嶺土粒徑進(jìn)一步減小。

圖8 不同水力條件下懸浮粒徑分別狀況（運(yùn)行96h后）

圖9 為不同階段膜表面SEM 狀況，由圖可知，相比于第Ⅰ階段，第Ⅲ、Ⅳ階段膜表面形成更加致密的濾餅層，這一方面由于高嶺土粒徑減小所致，另一方面曝氣條件下膜表面強(qiáng)烈的傳質(zhì)作用對(duì)所形成的濾餅有反復(fù)壓實(shí)作用，這不僅增大了過濾阻力，也不利于膜通量提升。但由圖2可知，在曝氣條件下，顆粒粒徑的減小并未對(duì)膜通量持續(xù)衰減造成影響；反而在純液體錯(cuò)流模式下，顆粒粒徑的減小一定程度上加劇了膜污染過程。此外，對(duì)不同階段混合池和膜出水懸浮物狀況進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示，混合池懸浮物維持在8000mg/L左右，不同階段出水SS均低于1.0mg/L并隨膜操作周期呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，尤其在第Ⅰ和第Ⅴ階段，膜出水SS 不高于0.2mg/L。這可能由于純液體錯(cuò)流模式下，膜表面能夠形成穩(wěn)定有效的濾餅層，增大了懸濁物截留能力；而在曝氣模式下，膜表面濾餅層雖然更為致密，但因膜表面強(qiáng)烈的湍流作用難以長(zhǎng)期有效維持。

圖9 不同階段膜表面SEM

表1 不同水力條件下懸浮物截留效率

2.4 低膜面流速下膜面污染阻力分析

膜面氣液流速對(duì)膜面水力狀況起決定作用，而膜面水力條件對(duì)膜污染過程和形成機(jī)理均有較大影響，因此，不同氣液流速下膜總過濾阻力和污染阻力構(gòu)成也將不同。圖10 為不同階段膜面氣含率和膜總過濾阻力隨時(shí)間變化狀況。由圖可知，在純錯(cuò)流模式下，第Ⅰ、Ⅴ階段膜過濾總阻力均出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，并伴隨著膜通量快速下降（見圖2），這主要是因?yàn)榧冨e(cuò)流模式下，膜面液體流速僅為0.28～0.35m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)管式膜過濾錯(cuò)流速率2.0～4.0m/s，此時(shí)膜表面湍流程度較弱，短時(shí)間內(nèi)膜表面容易產(chǎn)生濾餅沉積和濃差極化層，致使膜過濾總阻力快速增加；而在曝氣條件下，膜過濾總阻力明顯低于無曝氣模式，并且在一定時(shí)間內(nèi)維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這有助于膜通量長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，減少化學(xué)清洗維護(hù)頻次。值得注意的是，在第Ⅱ階段運(yùn)行初期，即使未進(jìn)行化學(xué)清洗，僅通過曝氣的引入也可實(shí)現(xiàn)膜過濾總阻力的快速下降，說明在第Ⅰ階段污染阻力主要以濾餅污染為主的可逆污染層，通過增強(qiáng)膜面氣液傳質(zhì)可實(shí)現(xiàn)該污染層去除，而在第Ⅱ～Ⅳ階段，隨著氣含率由0.42增至0.66，膜過濾總阻力未表現(xiàn)出明顯變化。

圖10 膜過濾總阻力和膜面氣含率隨時(shí)間變化

為進(jìn)一步探討不同水力條件下膜污染機(jī)理，對(duì)不同階段膜污染阻力構(gòu)成進(jìn)行了分析。如圖11所示，在第Ⅰ、Ⅴ階段，濾餅污染阻力分別占77.9%和55.3%，不可逆污染阻力分別占20.6%和43.3%，也即在純錯(cuò)流模式下，膜污染阻力以濾餅污染阻力為主；而在第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ階段，濾餅污染阻力分別占43.8%、40.0%和33.4%，不可逆污染阻力分別占54.4%、58.7%和65.3%，這說明在曝氣條件下，膜污染阻力以不可逆污染阻力為主，并且隨著氣含率的增加，濾餅污染阻力逐漸減小，不可逆污染阻力有增加趨勢(shì)。不僅如此，圖12 為第Ⅰ、Ⅳ階段運(yùn)行結(jié)束物理清洗后膜表面SEM 狀況。由圖可知，相比新膜，第Ⅰ、Ⅳ階段均發(fā)生不同程度的膜孔堵塞，并且第Ⅳ階段膜孔堵塞更為嚴(yán)重，這可能由于運(yùn)行初期濾餅層未形成，膜表面均發(fā)生了不可逆吸附污染；而在曝氣條件下（第Ⅳ階段），由于膜表面形成氣液兩相流，不僅增大了顆粒物之間碰撞剪切作用，使體系內(nèi)顆粒粒徑變小（見圖8），而且膜表面難以形成濾餅層，這很大程度上增加了膜孔吸附污染和堵塞概率，使膜表面形成不可逆污染層。盡管如此，通過曝氣改善膜表面水力條件，使管式膜在低流速下能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，降低化學(xué)清洗頻率，節(jié)省了運(yùn)行能耗和維護(hù)成本，對(duì)于工程化應(yīng)用具有重要意義。

圖11 不同階段膜表面污染阻力構(gòu)成

圖12 不同階段膜表面SEM

3 結(jié)論

（1）在低膜面流速下，通過向管式膜內(nèi)引入曝氣可實(shí)現(xiàn)膜通量穩(wěn)定在15L/(m·h)以上，較純液體錯(cuò)流模式提高了膜通量，減緩了膜污染過程，同時(shí)節(jié)省運(yùn)行能耗。

（2）通過曝氣使膜表面形成氣液兩相流，使膜表面水力狀態(tài)由層流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲄^(qū)，增大了膜面剪切力和湍流程度，并且即使在較低的膜面剪切力下也可實(shí)現(xiàn)膜污染指數(shù)控制在較低水平，但強(qiáng)烈的氣液擾動(dòng)使過濾介質(zhì)粒徑有減小趨勢(shì)，但對(duì)顆粒物截留效率影響不大。

（3）通過曝氣可顯著降低膜過濾總阻力，并且隨著氣含率的增加，濾餅污染阻力由43.8%減小至33.4%，不可逆污染阻力由54.4%增至65.3%，但膜表面強(qiáng)烈的氣液擾動(dòng)增大了膜孔堵塞和吸附污染概率。