膜曝氣生物膜反應器膜傳氧速率的影響因素研究

包進鋒, 朱品尚, 朱圓圓, 吳 凱, 謝慧峰, 黃 霞

(1. 浙江開創環?？萍脊煞萦邢薰? 杭州 310000;2. 杭州余杭凈水有限公司, 杭州 310000;3. 清華大學環境學院, 北京 100084)

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

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散機理與適用于無孔、致密膜的溶解擴散機理[9-10].MABR工藝在污水處理中的應用及相關影響因素已有較多研究[11-12],但關于致密的MABR膜傳氧速率的影響因素研究還較少.合理的運行參數是實現最大氧氣傳遞速率的關鍵,本文通過研究影響MABR膜傳氧速率的相關因素,以期為MABR在工程中的實際應用提供參考.

1 實驗部分

1.1 MABR實驗裝置

實驗采用的MABR裝置由反應池、膜組件、氣泵、氣體流量計、壓力表組成,單個反應池尺寸0.25 m×0.25 m×0.90 m.實驗所用的MABR膜為聚乙烯(PE)與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合而成的中空纖維致密膜,膜絲內/外徑為0.50 mm/0.65 mm,單個膜元件尺寸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有進氣口與尾氣排放口,膜組件由4支膜元件組成.

1.2 實驗用水

實驗用水為脫氧后的自來水.向自來水中投加無水亞硫酸鈉與少量氯化鈷,充分反應去除自來水中的溶解氧[13].

1.3 實驗方法

MABR膜組件放置于反應池中,將配置好的無氧水通過進水泵打入反應池,水量為45 L;啟動反應池中的攪拌器,待反應池中溶解氧值恒定不變時,記錄為初始數據;采用空氣作為供氣氣源,開啟供氣泵,通過氣體流量計與進氣閥控制供給MABR膜組件的氣量,尾氣通過膜組件底部的排放口排出,通過尾氣控制閥控制供給MABR膜組件的壓力;實驗過程每1 min記錄一次反應池中溶解氧數據.圖1為工藝流程圖.

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

1.4 實驗藥劑與儀器

自來水、無水亞硫酸鈉(分析純)、氯化鈷(分析純),國藥集團.

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

1.5 數據測定及表征方法

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

平均傳氧速率采用如下公式進行計算:

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); 單位轉化系數為1.44;DOt為t時間末反應池中溶解氧濃度,mg/L;DOo為初始時刻反應池中溶解氧濃度,mg/L;V為反應池中有效溶液體積,L;t為測試時間,min;A為有效膜面積,m2.

參考工程應用的實際情況,在進行MABR膜性能測試時選擇溶解氧2～4 mg/L之間傳氧數據進行分析.

2 結果與討論

2.1 膜元件連接方式對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方式連接,膜組件2#采用并聯方式連接,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,實驗過程控制水溫(16.5±0.5) ℃,每1 min記錄1次溶解氧數據.實驗數據如表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 并聯形式(a)與串聯形式(b)Fig.2 Form parallel (a) &series (b)

對比實驗組1與實驗組2結果可以知,在單片膜元件供氣量與供氣壓力相同的情況下,膜組件2#傳氧性能明顯優于膜組件1#;對比實驗組1與實驗組3結果可知,在串聯條件下,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,相比較實驗組2,實驗組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膜組件.表明了MABR膜組件的連接方式對MABR膜的傳氧速率影響顯著,空氣在實驗組1與實驗組3的傳遞次數是實驗組2的4倍,隨著空氣傳遞次數增多,串聯組件內的氣體傳遞行程延長,氣體中的氧氣濃度隨氣體行程的延長逐步降低,導致膜絲內外的濃度差隨著氣體行程的延長而減小,因此在實際應用過程中,采用并聯模式可以更好地發揮MABR膜組件的傳氧性能.

2.2 溫度對MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯的連接方式下開展了溫度對MABR膜傳氧性能的研究.控制供氣壓力10 kPa,供氣流量200 mL/min,調節反應池中水溫分別為16 ℃、20 ℃與25 ℃,每1 min記錄1次溶解氧數據,實驗結果如表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,水溫對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.主要原因為本實驗使用的MABR膜屬于無孔膜,氧氣通過無孔膜的傳遞符合溶解-擴散機理[9],即(1)氧氣在膜上游側被吸附溶解的吸著過程;(2)吸附溶解的氧氣在濃度差作用下透過膜的擴散過程;(3)擴散透過膜的氧氣在膜下游側釋放的解析過程.其中步驟(2)的擴散過程屬于控速步驟,擴散過程符合菲克定律,滲透系數=擴散系數×溶解度系數,其中擴散系數與溶解度系數與膜材料性質、氣體的性質、氣體的溫度與濃度有關[9],受測試液溫度影響較小,因此提高水溫對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,水溫升高導致水中的溶解氧濃度降低,出現了MABR膜傳氧速率隨著溫度升高略有下降的現象.

2.3 供氣壓力對MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯的連接方式下開展了供氣壓力對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) ℃,調節供氣壓力分別為0、2、5、10 kPa,每1 min記錄1次溶解氧數據,實驗結果如圖3所示.

圖3 傳氧速率與供氣壓力之間的關系圖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先增大后穩定的現象,其中供氣壓力由0 kPa提升至2 kPa時,其傳氧速率提升25.85%;供氣壓力由2 kPa提升至10 kPa時膜傳氧性能提升5.11%,表明傳氧速率存在一個合適的工作壓力值,低于該工作壓力值時,膜組件的傳氧性能得不到充分發揮,高于該工作壓力值時,繼續提高工作壓力,膜組件的傳氧性能提升不顯著.

2.4 供氣流量對MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯的連接方式下開展了供氣流量對MABR膜傳氧性能影響的研究,控制供氣壓力2 kPa,調節供氣氣量分別為30、50、75、100、200、300 mL/min,每1 min記錄1次溶解氧數據,實驗結果如圖4所示.

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

圖4結果可知,MABR膜傳氧速率隨著供氣氣量的增加出現先增大后變緩的趨勢,當供氣流量由30 mL/min提高至100 mL/min時,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,傳氧速率僅提高了1.26 g O2/(m2·d).主要原因為傳氧過程的推動力為濃度差,而膜絲表面的氧氣濃度隨著傳氧過程的進行逐漸降低,提高供氣量可以保證膜絲表面的氧氣濃度,進而增大膜傳氧的推動力;但當氣體流量升高到一定程度時,膜絲內外的濃度差趨于穩定,傳氧速率達到穩定值.

2.5 水中溶解氧濃度對MABR膜傳氧速率的影響

在膜元件并聯的連接方式下開展了溶解氧濃度對MABR膜傳氧性能影響的研究,控制供氣流量100 mL/min、壓力10 kPa的實驗條件,每1 min記錄1次溶解氧數據,實驗結果如圖5與圖6所示.

圖5 水中DO與MABR運行時間的關系Fig.5 Changes of DO and operation time of MABR

圖6 傳氧速率與水中DO的關系Fig.6 Relationship between oxygen transfer rate and DO

由圖5可知,MABR的充氧效果隨著運行時間的延長不斷增大并趨于飽和,DO的增長速率逐漸減緩.由圖6可知,隨著反應池中DO的升高MABR膜的傳氧速率先升高后降低,DO處于2.83 mg/L時,傳氧速率為13.41 g O2/(m2·d),當DO升高至9.06 mg/L時,傳氧速率為8.82 g O2/(m2·d),降低了34.23%.進一步證明了MABR膜的氧傳質過程推動力是膜絲內外的氧濃度差.MABR運行初期,膜絲內外側的溶解氧濃度差異較大,傳氧速率快,隨著運行時間的延長,膜絲外側的溶解氧升高,膜絲內外側的濃度差變小,傳氧速率開始降低,整個傳氧過程符合傳質的菲克定律.

2.6 供氣關閉后MABR膜傳氧速率

采用膜組件1#,考察了供氣關閉前后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進行正常的供氣運行,后關閉供氣,記錄MABR的傳氧情況.結果如圖7所示.

圖7 MABR供氣/關閉供氣后DO和傳氧速率隨時間的變化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在關閉供氣后依舊會有一定的氧氣傳遞,但相比較供氣情況,溶解氧濃度上升較慢;由圖7(b)可知,關閉供氣時,氧氣的傳遞速率下降很快,由供氣時的9 g O2/(m2·d),迅速降低至6 g O2/(m2·d),運行20 min后降低至3 g O2/(m2·d).表明,在關閉供氣后,MABR膜絲內部殘留空氣中的氧仍在向水中擴散,但隨著膜絲內部氧分壓的持續降低,傳氧速率迅速下降.

3 結論

在相同運行條件下,MABR膜組件采用并聯方式可以更好地提高MABR膜傳氧性能; 水溫對MABR膜的傳氧性能影響不顯著;供氣壓力對MABR膜的傳氧性能影響較小但存在一個合適的工作壓力值;供氣流量對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先增大后趨穩;當供氣停止后,MABR膜在一定時間內依舊具有傳氧功能.MABR膜在并聯條件下,控制供氣壓力2 kPa,供氣量100 mL/min,傳氧速率達到12.7 g O2/(m2·d).