新型膜组件设计及其水处理应用研究

新型膜组件设计及其水处理应用研究柳丽芬 徐晓静 赵传起 杨凤林大连理工大学环境与生命学院摘要：针对目前膜组件形式存在的缺点,从仿生学原理出发，设计具有一定的旋转角度的新型螺旋膜组件, 从而提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性， 产生膜的振 动摇摆，并增加气泡与膜面弹性碰撞, 从而降低膜分离中的浓差极化现象，有效控制膜污染，提高膜分离效率和通量，并且降低膜分离能耗。通过对不同长宽 比、不同旋 转角度的膜组件的性能 测试，确定膜组件的最佳几何构型，并利用两相流体力学及气泡动力学，分析气泡与曲面的相互碰撞及相互作用，从理 论上确定螺旋膜组件的间距与曝气量。最后，把设计完善的新型膜组件放入SMBR中，处理实际废水，测定其运行条件及稳定性。关键词：膜生物反应器 新型膜组件 曝气 UMFI膜生物反应器(MBR)集生物反应器的生物降解和膜的高效分离于一体，与 传统的生化污水处理技术相比，具有出水水质 好且出水可直接回用、 设备占地面 积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低和便于实现自动控制等优点。可广泛 应用于高层建筑的中水回用、高浓度有机废水的处理、难降解有机废水的处理和受污染水源水处理等领域 1。在膜生物反应器技术的研究与发展中，生物降解 (活性污泥)法已是成熟技术，因此膜一生物反应器技术应用与发展的关键在于膜材料及膜组件的性能与成本。由于膜组件是膜生物反应器(MBR) 应用的基本单元，膜 组件种类不同决定着 MBR 性能的差异。所以组件的优化设计有着重要的意义，在减缓膜污染和提高膜通量方面的作用是不容忽视，合理的膜 组件设计不仅对降低膜污染有重要作用，还可以通 过其外形的优化减小系统 的动力耗费。现在研究应用比较广泛的是中空纤维膜组件和平板式膜组件。中空纤维膜组件填充密度高、造价低、适合大型水处理，但存在机械强度低、易膜污染、较难膜清洗等缺点；平板膜组件易拆装、不易膜污染、通量大，但存在填充密度小、成本 较高等缺点。资料表明 2，在MBR 工艺中膜组件的费用明显高于占地和土建费用，分 别占总投资的78. 3 %和85 %；在运行费用中，膜组件的更换费用占总运行费用的40 %75 %。因此，优化MBR 膜组件结构是促进MBR 发展和应用的一个重要因素。膜组件的研究主要集中在已有膜组件的优化改造，如 对中空 纤维膜组件中膜丝的长度、直径、松弛度的优化、膜组件空间结构的优化、膜组件曝气装置的优化、膜表面过滤性能的优化等，以及新型膜组件的创新设计两方面。 杨硕 3等人设计了一种用于分置式膜生物反应器的可气冲外压柱式中空纤维超滤膜组件，膜 丝下端用环氧树脂密封 (用于将混合液与出水严格分开)并与组件下端固定在一起;另一端甩尾 设计，膜 丝可以自由摆动，甩尾端膜丝孔口用胶封堵。膜组件底部的布气环进行曝气。测试 得出在循环流量 lm3/h、曝气量 1.5m3/h 时，临界膜通量较高而能耗相对较低。任南琪和张颖 4等人也 对中空纤维膜组件提出改进， 发现利用局部曝气在组件的两端及纤维内部进行冲洗能有效减缓膜污染， 对 SMBR 的 实际应用具有不可忽视的作用。 Yeh等 5人利用金属线缠绕在管式超滤膜表面用以提高其表面的流体力学性能， 能够在维持过滤压力的同时减少浓差极化， 研究发现金属线最佳的缠绕方式应该沿着流动方向角度从 0逐渐增大。 Scott 等 6人受到散热器中高传质的波纹换热板的启发， 将乳化液错流过滤中的平板膜组件设计为波纹状以提高膜面区域的扰动传质作用， 结果显示在同一错流速率下波动膜能有效地提高膜通量， 减缓膜污染。叶茂盛，李波等 7设计具有一定的 倾斜角度 的梯型平板膜结构，使其在保持膜面附近气泡错流速度的同时增加气泡与膜面弹性碰撞的强度与次数， 提高膜面曝气冲刷效率， 控制膜污染并降低能耗。梯型膜设计的最佳角度 在 1.72.5之间。由此可见，无论是可气冲外压 柱式中空纤维超滤膜组件， 还 是波纹状板式膜组件、梯形膜组件，切入点都是增加膜表面的剪切力，减小浓度极差，提高通量，减轻膜污。为了减轻膜污染，很多学者从膜组件以外其他方面进行了研究，包括以下几个方面：添加悬浮填料，形成动态膜，控制膜污染，来减缓和抑制膜通量下降 8。这种方法增加了材料消耗。研究新型抗污染膜材料，如抑菌并提高 亲水性，减少 污染物的吸附和沉 积；锚定、设计表面梳状分子结构的材料；增加表面负电荷等 9。该方法侧重化学反应和材料改性，增加了化学处理材料成本和消耗。优化膜分离操作条件,调节污泥颗粒大小,如向水中投加阳离子聚合物或者离子，改 变污泥、生物大分子，特别是 EPS 的性状（ 颗粒化），减少向膜表面吸附和沉积 10。这种方法操作调节复杂，不能根据具体情况而变化，费时 且不易掌握。外加电场、磁场、机械能场（振动）、超声等来减缓膜污染 11。这些方法增加了能量消耗，并且经济适用性较差。以上的处理方法虽能减轻膜污染，但都同 时增加了材料消耗和能量消耗 ，将在一定程度上限制这些技术的广泛应用。针对以上问题，本文从仿生的角度出 发， 结合气液二相流对 膜污染、膜通量及运行能耗的影响，设计一种螺旋 MBR 膜分离器，提高膜组件对水、气等流体扰动的敏感性，产生水平方向和垂直方向摇动，解决平板膜结 构僵硬的问题，增大填充面 积 ，降低污染，增加通量，同时节能降耗。这仿生化的设计，在不增加膜分离过程材料消耗和能量消耗前提下，获得优异的膜分离和运行性能，提高膜分离效率，尤其适用于提高水处理中膜分离操作的效率和技术水平，具有广泛的应用前景。1. 新型膜组件的设计1.1 膜组件设计的基本原则所有膜装置的核心部分都是膜组件，即按一定技 术要求将膜 组装在一起的组合构件。在 进行膜组件开发的过程中，必须 考虑以下几个基本要求(其中有部分是相互矛盾的) 12：要求组件对膜可以提供足够的机械支撑，能 够均匀的溢流，且流道畅通无流动死角或静水区，原料液与透过液要能够严格分开；组件本身要具有良好的机械稳定性、化学 稳定性和热稳 定性；在进行组件的流态设计时，应该能够使原料液在膜面上形成良好的流 动状态， 应考虑尽量减少浓差极化，降低膜污染，提高分离效率；组件的制造成本要低，并且要具有尽可能高的装填密度，进而降低造价，尽可能降低膜的更 换成本；组件装置要牢固可靠，膜或 组件的安装、拆卸、清洗或更换方便，易于管理维护；压力损失要小，运行能耗要低。膜组件的结构设计必须遵循上述要求，但考 虑到使用目的的不同，设计时的侧重面也应该不同。在此基础上，要尽量提升膜材料以及膜 组件的各方面性能，开发寿命长、强度好、抗污染、价格低的膜材料，对膜组件的研究 应朝着处理能力大、能耗低的方向发展。1.2 新型膜组件的设计内容1.2.1 膜材料及支撑材料的选择用于新型膜组件的膜材料可以选用现在应用比较广泛的多种膜材料，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE) 和聚丙稀(PP) 等，也可使用已研究的亲水、抗 污 染复合功能膜。在膜组件设计初期，本论文实验 中用的膜材料为 621 型工 业滤布(膜基质)，由涤纶短纤维通过捻线后编织而成，具备耐酸，耐弱碱，耐磨性，耐腐性，恢复性好等优点。每两根纤维丝之间间距为 10m，有效 过滤孔径为 5.6m。1.2.2 膜组件的几何构型设计膜组件结构包括膜片、集水管，膜组件制成长方形，具有一定的长宽比，如 3：1、5：1 等，通过支撑材料本身的旋转角度及外部固定使膜组件具有不同的旋转角度。通过实验确定不同长宽比的膜组件最合适的旋转角度。2. 膜组件的性能测试结果与讨论2.1 实验装置及实验方法制备旋转角度为 30、45、90、135、180等不同旋转角度的单片膜片，将其放入膜分离装置中，加入由高岭土配置的模拟颗粒物悬浊液，在一定跨膜压差下测定出水的浊度和流量。观察膜组件的通量衰减及浊度去除率， 对比不同旋转角度的运行性能。膜分离装置示意图如图 1 所示，两个膜组件在图中两个相同体 积的区域内进行平行对 比。反应器纵剖面图 反应器横剖面图其中：H=375mm；L=160mm；W=100mm；V 1=V2=3.2L图 1：膜分离装置示意图实验操作如下所示：悬浊液浓度：0.5g/L膜面积：0.02m 2操作压力：3KPa曝气量：0.2m 3/h , 0.14m3/h，0.1m3/h气泡直径范围：0.22-3.4mm膜组件的通量衰减测量采用重力自流法，在反 应器的其中一个区域内放置垂直膜 组件（旋转角度为 0），另一个区域放置旋转膜组件（不同角度， 30、45、90，等），同时操作，进行水平对比。之后，将三个膜片连接在一起，制成小型膜组件， 测试 中间膜片的性能，从而考察膜片之间的影响及膜间距的确定。2.2 实验结果及讨论2.2.1 垂直膜组件与四个不同旋转角度的膜组件的对比在曝气量为 0.2m3/h 的条件下，选取四个不同的旋转角度，与垂直膜组件进行通量衰减的对比试验，结果如图 2 所示：图 2：不同旋转角度膜组件通量衰减示意图从上图可以看出，具有旋转角度的膜 组件与垂直膜组件相比，通量衰减比较慢，并且稳定在一个较高的水平。其中在实验进 行的钱 30 分钟， 135的膜 组件呈现最好的优势，而在 30 分钟之后，四个旋转角度的膜组件通量保持在相似的水平。这说明螺旋 结构的膜组件悬浮颗粒比较不容易沉积，膜污染情况比垂直膜 组件减轻很多，同 时还能保持 较高的通量。图 3 表示了不同旋转角度膜组件在不同的运行时间的通量衰减与膜污染情况，以旋转角度为横坐标，通量相 对值为纵坐标，对比通量测试进行不同 时间的通量值。由 图可知，在运行 40 分钟之后，膜通量趋于稳定，这时 135与 90膜组件通量保持在较高水平，且滤饼层质量较小。图 3：不同旋转角度膜组件不同时间通量及滤饼层质量示意图2.2.2 曝气量对螺旋膜组件的影响为了考察螺旋膜组件对曝气的敏感性， 选取 90与 135两个角度，降低曝气量，进行通量衰减与截留率的测试。02040608010120140.0.20.40.60.81.0 F/ time(in) 0o45 90o 13580o-2002040608010120140160180200.10.150.20.250.30.350.40.450.518min40 i12nAngle ofmebrane moduleF/02040608010120140.0.20.40.60.81.0 vertical model F/0(.14m3/h)135o rtil l NTUvecadetime(in)F/ 3045067089010 NTU removalrte (%)02040608010120140.0.20.40.60.81.0 vertical model F/0(.1m3/h)135o rtil l NTUodetime(in)F/ 120340560780910NTU removal rte (%)图 4：曝气量 0.14m3/h 垂直与 135膜组件性能对比图 图 5：曝气量 0.1m3/h 垂直与 135膜组件性能对比图 由图 4 与图 5 可以看出，当曝气量降低，旋转膜组件通量衰减仍然比垂直膜组件通量衰减缓慢，并且浊度去除率没有下降。曝气量为 0.1m3/h 时，135 膜组件性能表现出更明显的优势，膜通量提高了约 30%。这充分说明螺旋膜组件对曝气比较敏感，能在低曝气量下保持较高的膜通量及截留率，在节省能耗方面有很大的潜力。90膜 组 件与垂直膜 组件在高低曝气量下的性能对比如图 6 所示，高的曝气量为 0.2m3/h，之后降低曝气量到 0.1m3/h。02040608010120140160.0.20.40.60.81.0F/time(in) NTU removal rte(%)F/0(vertical module,artion 0.2m3/h)9o l,i ./ /0(vertical dule,artion 0.13/h)F9o ml,i .m/ NTU(vertical dule,artion 0.23/h)90o ,i ./ (rtil l,rti .1/)NTUo mdue,aion 0.m3/h34050607080901002468102146182022468102146t/V(min/L)V(mL)vertical ft mebrane odule(0.2 m3/h)90oh rtil ft r l(.1 3/)oecaebaneodueh图 6：90与垂直膜组件高、低曝气量下性能 对比图 图 7：90与垂直膜组件高、低曝气量下 V-t/V 图由图 6 可见，垂直膜组件在两个不同曝气量下，通量衰减的趋势几乎重合，而旋转 90膜组件在 0.1m3/h 曝气量下的通量衰减与垂直膜组件对比，衰减较迟缓，并保持在稍微较高的水平。90膜 组 件在节 省曝气量 50%的条件下，通量提高了约 20%。浊度去除率在 40 分钟之后都能稳定在 99%。图 7 以累计出水量为横坐标， 时间与体积比为纵坐标，表示随着过滤体积的增加， 过滤阻力的趋势，斜率越小，说 明过滤阻力越小，膜污染越轻。 图中对比了垂直与 90膜组件在0.2m3/h 与 0.1m3/h 曝气量下，四 组数据的对比。由 图可见 90膜组件低曝气量下斜率最小，膜 污染情况最轻。这说明旋转 90膜组件比垂直膜组件对曝气更敏感，能在低曝气量下保持高通量和抗污染性能。2.2.2 膜组件抗污染性能的对比在对不同旋转角度膜组件进行性能测试时，抗 污染性能是个重要因素。膜组件运行 130-160min 之后，在膜表面形成一 层高岭土的滤饼层。不同旋转角度膜组件形成滤饼层的质量、形态也不相同。垂直膜组件形成的 滤饼层均匀且厚，螺旋膜 组 件由于其螺旋结构，滤饼层分布不均匀，凸面比凹面的厚度大。其中 90膜组件滤饼层质量最小，约为垂直膜组件的 1/2。Haiou Huang 等人 13通过数学分析的方法开发了一个标准膜污染指数（UMFI），能够定量分析膜的潜在膜污染，并可直接 应用个各种规模和操作方式的低 压过滤，如恒 压、恒流过滤。这个指数最大的特点就是具有特异性和广泛性。可以以实验室 规模的测试获得 UMFI，使其用于大规模应用时的膜污染预测。UMFI 以滤饼层形成方程式为基础获得，如下面的公式所示： 1 VsJs（ UMFI）其中， ， 是运行时间为 0 时的通量(m/s)， 为事件为 t 时的通量(m/s)， 为0JsJVs单位膜面积的累积过滤体积（L/m 2）。如果 实验测得 和 ，就能计算出 UMFI，它可代表总s的膜污染，包括物理和化学型的不可逆污染。下面应用 Haiou Huang 等人的计算方法，对比 90膜组件在高、低曝气量下的膜污染情况。图 8：垂直与 90膜组件高、低气量 UMFI 示意图（a）垂直膜组件（Q 气 =0.2m3/h）；（b）90膜组件（Q 气 =0.1m3/h）；（b）垂直膜组件（Q 气 =0.2m3/h）；（b）90膜组件（Q 气 =0.1m3/h）图 8 展示了垂直膜组件与 90螺旋膜组件的 UMFI，UMFI(a)=0.0115，UMFI(b)=0.0096，UMFI(c)=0.0106，UMFI(d)=0.0051。在高曝气量下 90膜组件的膜污染指数小于垂直膜组件，这说明螺旋膜组件抗污染性能高于垂直膜 组件。当曝气量降低 50%，螺旋膜组件污染指数为垂直膜组件的 50%，这更充分说明了螺旋膜组件在能降低能耗的同时，减轻膜污染。经计算，与传统的平板膜组件 对比，螺旋膜 组件每过滤 1L 悬浊液，就能 节能至少 50%，且通量提高 20%50%，抗污染性能提高 17%50%。这也从 侧面反映螺旋膜组件由于结构的优势，能加强膜表面与气泡的相互作用，减 轻膜孔的堵塞，提高膜的过滤性能并降低能耗。3. 气泡作用（流速）膜分离过程浓差极化现象会导致悬浮物在膜表面聚集甚至形成滤饼层，膜表面的覆盖层限制了膜的水通量随跨膜压差的增长。为了减缓覆盖层的生成，需要增加膜表面的错流的剪切力以促进边界层更加迅速的返回主流体。通 过改变操作条件或者改 变膜组件的结构形式可以控制水流形成特定的流态，从而在膜面上形成利于控制膜污染的良好水力条件，达到控制膜污染的目的。本研究中设计的新型螺旋膜组件正是运用旋转的曲面来加强膜表面与水、气两相流的相互作用，在膜表面形成不稳定流。气水二相流的流态较之单相流流 态更为复杂，更加难以描述，但是其湍流效果较之单相流要好，因此其抗膜 污染的效果也更加有效。很多研究者考察了气水二相流对膜污染、膜通量以及运行能耗的影响，研究结果表明: 气水二相流能够有效的控制膜污染、增大膜通量，同时可以节省运行 费用 14,15。目前，气水二相流的应用研究主要限于管式膜组件和中空纤维膜组件.通常情况下，气液两相流在垂直上升管中的流型可能存在以下几种形式 16：(1) 当气体流量小， 气泡尺寸小于管道尺寸(如 60% ) 时， 形成弹状流;(3) 当气体流量较大， 气泡尺寸接近管道尺寸时， 其流态为块状流;(4) 当气体流量进一步增大， 气体流速较高时，形成过流断面的外圈为液膜、中心为气芯的环状流。在水平管中的流型与垂直管中的基本类似，气液两相流流型如图9。图9 气-液两相流流型示意大量研究工作表明， 弹状流是最有效的可明显强化传质作用的范围， 并且气体流量通常远低于液体流量。在平板膜反 应器中，形成 弹状流的可能性比 较小，本次试验中气液二相流的流型为泡状流，气泡会对流体产 生强烈的扰动，破坏膜面附近的浓差极化层。如图 10 所示：图 10：反应器中曝气情况示意图当曝气量为 0.2m3/h 时，气泡平均直径为 1.81mm，范 围为 0.222.3mm，椭圆气泡居多。当曝气量为 0.1m3/h 时，气泡平均直径为 1.72mm，范 围为 0.33.4mm，椭圆气泡居多。上升速度为 0.120.2m/s。4. 结论与前景展望本论文从仿生的角度出发，设计 了新型螺旋膜组件，并 测试 了不同旋转角度膜组件的各方面性能。得到以下结论：（1）螺旋膜组件旋转的结构能减轻膜通量的衰减，并保持在较高的水平，同 时具有很好的截留率。（2）螺旋膜组件能在低曝气量下保持更好的性能，这证明新型膜 组件在节省能耗方面有很大的潜力。（3）在抗膜污染方面，螺旋膜组 件也具有一定优势，膜 污染指数（ UMFI）比垂直膜组件小。并且在曝气量降低 50%时，UMFI 更小。这种新型螺旋膜组件仿生原理，仿照蛋白 质和 DNA 螺旋 结构，在不增加膜分离过程材料消耗和能量消耗前提下，获得 优异的膜分离和运行性能，提高膜分离效率。并且制 备简单，膜材料容易获得且价格低廉，成本 较低。膜 组件拆卸方便，利于更换，在提高水处理中膜分离操作的效率和技术水平上有广阔的应用前景。关于膜组件的优化设计，还需 进一步的完善及研究，也是我们下一步的工作重点。主要有以下几方面：（1）考察更多不同长宽比的膜组件的运行性能，为膜组件放大应用之后仍保持好的性能提供依据。 （2）进一步从理论 上分析气泡、水流与旋 转曲面的相互作用，设计计算模型。 （3）制作多个膜片的小型膜组件，考察膜 间距对膜组件性能的影响，确定最佳膜间距。 （4）用性能更好的膜材料代替滤布，制成膜组件后放入 MBR 中运行，处理实际废水，考察其操作条件及处理效果。参考文献1曾一鸣.膜生物反应器技术M. 北京:国防工业出版社,2007.2Cindy Wallis-lage ,James L Bamard. MBR application will gain in popularityJ . H2O MBR Special ,2001 (1) :62264.3杨硕,高兆瑞,王志远.膜生物反应器中膜组件的研究进展.山筑,2007,33(33):189-190.4任南琪, 张颖, 陈兆波. SMBR 中不同膜组件形式的膜通量变化数学模型分析. 高技术通讯, 2001, 11(9): 100103.5Yeh H M, Liu T C, Huang P C. Effect of varying incidental angles of a wire-rod insert on the performance of tubular ultrafiltration membranes. Desalination, 2004, 170(1): 15-25.6Scott K, Mahmood A J, Jachuck R J, et al. Intensified membrane filtration with corrugated membra