一种曝气过滤元件的特性研究

Study on Characteristics of an Aeration and Filtration Unit
LI Jian-jun¹ , SHI Han-chang² , ZHANG Yong-ming³
(1. First Institute of Oceanography ,State Oceanic Aministration ,Qingdao　266061 ,China ;
2. ESPC State Key Joint Laboratory ,Dept. of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing　100084 ,China ;
3. Department of Environmental and Chemical Engineering ,Nanchang Institute of Aeronautical Technology ,Nanchang　330034 ,China)

Abstract : Facing upon the membrane fouling in a membrane bioreactor ,a novel aeration and filtration unit was developed ,aiming at effectively enhancing flux as one factor and considerably providing the oxygen in the need of microorganism as the other one. The characteristics of filtration flux were studied by terms of tap water ,kaolin solution and activated sludge. The quality of high flux with tap water and kaolin solution was obtained ,and the reason of no high flux with activated sludge was analyzed. Optimumoperation parameters of Unit 2 were determined in the experiment of kaolin solution :the pressure ,0115 MPa ;the rate of surface scouring ,9. 26 mPs ;the intensity of aeration ,18 m³/(h·m² ) ;the operation time,70 min ;the aeration time ,5 min. The comparison of aeration influence on filtration flux tentatively showed that air backwash was a remarkable way to enhance filtration flux.
Key words : aeration and filtration; unit; filtration flux

　　 膜生物反应器自19 世纪60 年代末出现以来,由于其在水处理技术中具有传统活性污泥系统无法比拟的优势,并且随着对膜生物反应器在应用过程中的一个主要问题———膜污染的解决方案越来越多样化,包括膜的选择和修饰、料液预处理、操作条件优化、操作方式的选择等等^[1-3]。其中有一种操作方式是采用反冲曝气:一方面实现膜通量的恢复;另一方面又可以实现反应器中微生物进行生物化学反应所需氧的补偿。Scott J.A. 等对双功能陶瓷膜生物反应器处理高浓度工业废水的研究结果表明,1.2 ,0.8 ,0.35 和0.2 μm ,7 通道,直径0.02mm ,总过滤面积为0.06 m² 的无机陶瓷微滤膜的氧转移系数( K_La) 分别比直径8 cm的传统环状曝气器(Ring-sparger) 高20 % ～70 %^[4] 。Chang In-Soung 等在采用两种气体冲洗方式对有机膜组成的管状淹没式膜生物反应器处理城市废水的研究中指出,气体提升式膜组件(Air-lift mode) 通过空气在膜内腔的流动减弱了膜污染的程度,使得膜通量提高43%^[5] ,而气体喷射式膜组件(Air-jet mode) 由于污泥在内腔慢慢地累积造成的堵塞,使得气体喷射恢复膜通量的效果不理想。
　　基于上述思想,笔者采用一种新型陶瓷过滤元件处理废水的工艺,对该元件的过滤特性进行了研究。
1 　实验装置与方法
1.1 　实验工艺流程
　　实验工艺流程见图1。系统主要分为水循环系统、反应器、曝气系统三部分。进水由水箱经过泵加压,一部分从上部进入反应器,一部分回流到水箱(满足反应器高压力、低流量的需要) ;反应器由柱状有机玻璃制成,外径15 cm ,高50 cm ,体积约为7.7 L。反应器出水由过滤元件出水和循环出水(提供过滤元件冲刷剪切力) 两部分组成。

　　在过滤的时候,打开出水阀,关闭排气口和进气阀,通过调整水泵出水阀、回流水阀门、循环水阀门共同控制预期的压力和反应器循环出水的流量。在曝气阶段,关闭反应器进水和出水系统,打开排气口和进气阀,反向从过滤元件内腔曝气。压力由压力表控制,液体和气体流量由相应的流量计测定,过滤元件的通量经过测定一段时间内的出水体积换算获得。
　　曝气过滤元件由陶瓷烧结而成,呈U 型管状,一端封闭,其外型轮廊如图2。所用的2 个元件的参数见表1。

表1 　曝气过滤元件的参数
Table 1 　Parameters of aeration and filtration units

参数 元件1 元件2 孔径/μm 内表面:45
外表面:26 内表面:29
外表面:15 长度/m 0.082 0.083 外径/m 0.025 0.026 内径/m 0.022 0.023 过滤表面积/m² 0.006(以外径计算) 0.007(以外径计算)

1.2 　实验方法
　　由于运行过程中不断地高速水循环和微生物在成长过程中比较难控制在一个特定的浓度上,因此实验主要采用高岭土配水来研究曝气过滤元件的过滤特性,最后在优化条件下使用活性污泥进行检验。
2 　结果与讨论
2.1 　过滤元件通量研究
2.1.1 　通量实验结果
　　图3 是过滤元件清水(清华大学自来水,水温15 ℃) 通量与压力的关系。从图3 可以看出:在整个压力范围内,过滤通量同压力呈曲线上升关系。低压范围内,线性关系明显;高压范围内,曲线关系明显。也就是说,在高压处压力的变化对通量的影响较大。元件1 在各个压力下的通量比元件2 大很多,这主要是孔径不同造成的结果。

　　图4 ,5 分别是元件1 和元件2 在2 种压力下、高岭土质量浓度为1.0 g/L 过滤通量随压力的变化情况,图4 ,5 明显体现出两种不同的通量发展趋势。元件1 在2 种压力下的通量在运 行30 min 时,曲线重叠,也就是说,元件1 在高压的条件下维持较高的通量是不可取的。从另一个角度来说,在元件内孔堵塞和外表面形成的污染层从开始形成时,过滤通量己经渐渐不再是压力的函数。元件2 同元件1 的情况相反,2 个通量衰减曲线之间的距离非常大,说明2 种压力对元件2 通量大小的影响起到不同的作用,增加压力可以使元件2 通量得到明显的提高。开始在2 种压力下元件1 通量差别比较明显,随着不断运行,2 个通量曲线不断接近,2 个通量之间的差距不断缩小;而元件2 在达到了各自压力稳定的通量水平时,它们之间的通量差距同开始时的情况相比,其大小相差依然很大,而且2 个变化曲线衰减的程度基本一致,两者并行发展。2 个元件在运行10 min 之内,通量衰减非常明显,之后的衰减明显缓慢。从图4 ,5 中可以看出,2 个元件在运行初期都很快受到了污染,并且污染对通量的影响也较快地达到了比较稳定的阶段。
　　图6 是2 个元件在各自优化条件(见2.1.2 节) 下,活性污泥质量浓度为1.3 g/L 通量随时间的变化情况。在各自的优化条件下,元件1 即使过滤孔径大,起始通量高,但在运行10 min后,元件2 的通量越来越超过元件1 的通量。从图6 中也可以得出这样的结论,单从通量的角度来衡量,元件2 在其优化条件下比元件1 具有优势。
从通量实验还得出了一个比较重要的结论:2 个元件无论从清水通量还是高岭土配水条件下的通量,同大多数文献的报道^[6-7]相比较具有明显的大通量的特性;但在活性污泥的条件下,2 个元件都失去了大通量的特性。其原因一方面可能是活性污泥的料液性质同高岭土配水的差别,同等浓度下活性污泥粘度大,而且絮体或微粒的结构也存在差别,这些使得活性污泥条件下元件易于堵塞;另一个原因可能是元件的孔径比较大,在高岭土和清水条件下,大孔径的堵塞程度轻,大通量的特性可以保持下去,而在活性污泥情况下大孔径堵塞后,小孔径数量和分布又少(图7 ,8 分别是元件1 和元件2 在整个实验测试后的过滤表面100 倍扫描电镜图) ,继续大通量过滤的能力就大大削弱了。

　　　　　　　
2.1.2 　条件优化实验
　　选择元件2 作为条件优化实验的研究对象。采用正交实验设计表L₁₆(4⁵) 对实验条件进行优化设计。每个因素水平选择4 个,各个因素和水平分别为: 压力(0.05 ,0.10 ,0.15 ,0.20MPa) 、元件过滤表面冲刷速率(9.26 ,12.96 ,16.67 ,20.37 m/s) 、运行时间(30 ,50 ,70,90 min) 、曝气强度(18,36,54,71 m³/(h·m²) ,按0.2 MPa 压力下的气体流量计算) 、曝气时间(5,10,15 ,20 min) 。评价指标选择元件过滤阻力增加速率和最终过滤通量两者共同确定优化条件。
　　元件过滤阻力根据Darcy 定律过滤模型J =ΔP/(μR) 计算。式中, J为过滤通量,m³/(m²·s) ;ΔP 为过滤操作压力,Pa;μ为混合液动力粘度,Pa·s; R 为过滤阻力,m^-1。
　　每5 min 测定一次通量,通过上式即可反算出R , R 的增加基本呈线性,因此可求出元件的过滤阻力增加速率。最终过滤通量根据该工艺的运行特性即指一个过滤周期的最后一刻过滤通量的大小,选择元件过滤阻力增加速率比较慢、而最终过滤通量比较大的操作条件作为最佳操作条件。
　　最终得到对过滤阻力上升速率影响从大到小依次是:压力→运行时间→元件过滤表面冲刷速率→曝气时间→曝气强度,而对最终过滤通量的影响从大到小依次是:压力→元件过滤表面冲刷速率→曝气强度→曝气时间→运行时间。
　　经过数据处理,得到元件2 的最佳操作条件是:压力0.15MPa ,元件过滤表面冲刷速率9.26 m/s ,曝气强度18 m³/(h·m²),运行时间70 min ,曝气时间5 min。元件1 由于在运行25 min 后2种压力下的通量基本相同,因此,元件1 的优化操作压力确定为0.05 MPa ,其他条件与元件2 的相同。
2.2 　过滤元件通量恢复研究

　　图9 是在优化实验的16 组实验中选择了6 组反冲曝气前后过滤通量的变化情况。6 组实验的曝气强度(m³/(h·m²)) 和曝气时间(min) 数值分别是:18 ,5 ;36 ,10 ;36 ,20 ;18 ,15 ;71 ,10 ; 54 ,5。从图9 中可以发现,反冲曝气后过滤通量约为曝气前的1.5 倍以上,最大可达到2 倍以上。初步表明了反冲曝气对过滤通量恢复的有效性。
3 　结论和建议
a. 在实验范围内,高压对元件1 的大通量运行不可取,但对元件2 通量的提高却十分显著。
b. 优化实验确定的元件2 的最佳运行条件是:压力0.15MPa , 元件过滤表面冲刷速率9.26 m/ s , 曝气强度18m³/(h·m²),运行时间70 min ,曝气时间5 min。
c. 反冲曝气前后过滤通量的变化初步表明了反冲曝气对过滤通量恢复的有效性。
d. 2 个元件在清水和高岭土配水的条件下具备大通量的特性,在活性污泥的条件下失去了大通量的特性。建议进一步开发在活性污泥条件下也具有大通量特性的曝气过滤元件,主要从过滤表面的处理上着手,力争做到孔径大小和分布均匀,数量多等。在完成元件的测试和选择之后,进行实际应用的小试实验研究。
参考文献:
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