气液两相流对中空纤维膜错流过滤过程的影响

朱兆亮，翟 杨，吴冬冬，刘永剑，吴 青，于博文

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.水发规划设计研究有限公司，山东济南 250100)

膜分离技术具有节能、高效、环保、易于操作等优点，是分离科学的重要手段之一[1-2]，已广泛应用于水处理、化工、医药、发酵等领域[3-8]。中空纤维膜的外部形状类似于纤维，微孔存在于管壁上，在过滤压力的作用下，小于孔径的组分通过膜表面起到分离的作用。根据运行模式分类标准，中空纤维膜分离技术有死端过滤和错流过滤两种[9]。错流过滤过程中，中空纤维膜表面同时受到两个力的作用，一方面在垂直于膜表面的作用力下，一部分原料液通过膜孔完成过滤过程；另一方面，在平行于膜表面的切向作用力下，中空纤维膜表面受到冲刷作用，可以有效地延缓污染物质在膜表面上的沉积，延缓滤饼层的形成，并减小滤饼层的厚度[10-11]。随着过滤时间的增加，膜通量逐渐降低并且趋于稳定，达到动态平衡状态。因此，与死端过滤相比，错流过滤时膜污染相对较轻，膜通量下降比较缓慢，可以实现连续运行。张峰等[12]研究发现，当曝气量为400 L/h时，与相同液速条件下单相流错流过滤相比，膜通量提升87%。邢卫红等[13]研究发现，曝气过程能有效降低膜过滤阻力，基本消除浓差极化的影响。Mercier等[14]在采用斑脱土和发酵液悬浮物超滤过程中引入曝气，膜通量提升了200%。Cabassud等[15]研究发现，在曝气的表观速度为1 m/s时，膜通量提升110%。同时，间歇曝气时膜分离效果好于连续曝气[16]。曹伟奎[17]研究发现，连续流错流过滤在延缓膜污染方面更具优势。本文通过在中空纤维膜错流过滤时增加曝气，形成气液两相流，探究曝气量、跨膜压差(TMP)、进水流量等影响因素对中空纤维膜膜通量以及截留率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料及装置

试验中空纤维膜采用PVDF膜，内径为1.2 mm，外径为1.8 mm，长度为1.4 m，有效过滤面积为0.008 m2，截留分子量为80 000 Da。

试验以水厂高密度沉淀池进水为原水，CODMn的含量约为3 mg/L，浑浊度约为1.2 NTU。

试验装置流程如图1所示。由离心泵将原水输送入进水桶，再通过进水泵将原水压入中空纤维膜组件进行错流过滤，一部分通过滤膜排至净水桶，剩余液回到进水桶循环操作。反冲洗时，通过反冲洗泵将净水桶内的水压入中空纤维膜组件进行反冲洗，而后通过回流管道回到进水桶。通过空气压缩机为过滤与反冲洗提供曝气，调节中空纤维膜组件的进出口阀门以及回流阀门改变TMP和进水流量，通过调节曝气管道阀门改变曝气量。中空纤维膜组件进出水流量和压力分别由流量计和数字压力表在线测量，曝气量通过气量计进行观测。

注：1—进水桶；2—中空纤维膜组件；3—净水桶；4—旋转阀；5—数显压力表；6—止回阀；7—流量计；8—进水泵；9—气量计；10—空气压缩机；11—反冲洗泵图1 试验装置流程图Fig.1 Flow Chart of Experimental Device

1.2 分析方法

常规污染指标CODMn按照《生活饮用水标准检验方法 有机物综合指标》(GB/T 5750.7—2006)酸性高锰酸钾滴定法进行检测，每组数据测定3次取平均值。浑浊度使用WZG台式浊度仪进行检测。

膜通量J计算如式(1)。

J=Q/S

(1)

其中：J——膜通量，L/(m2·h)；

Q——中空纤维膜组件出水流量，L/h；

S——中空纤维膜组件有效过滤面积，m2。

截留率R计算如式(2)。

R=1-ρ1/ρ0

(2)

其中：R——截留率；

ρ1——中空纤维膜组件出水中CODMn的质量浓度，mg/L；

ρ0——中空纤维膜组件进水中CODMn的质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 曝气量的影响

试验中控制进水流量为0.48 m3/h、TMP为0.02 MPa，持续运行3 h。改变曝气量(0、90、120、150、180 L/h)分别进行试验，记录膜通量的变化(图2)，并得到对浑浊度的去除效果与对CODMn的截留效果(图3～图4)。

图2 不同曝气量下膜通量随时间变化Fig.2 Variation of Membrane Flux with Time under Different Aeration Rates

图3 不同曝气量下对浑浊度的去除效果Fig.3 Turbidity Removal Efficiency under Different Aeration Rates

图4 不同曝气量下CODMn截留率Fig.4 CODMn Retention Rate under Different Aeration Rates

由图2可知，随着过滤时间的增加膜通量逐渐降低，直至降低到一定程度，达成动态平衡状态。与曝气量为0时的试验数据对比，增加曝气后膜通量的衰减情况有了明显的改善，稳定以后的通量明显高于曝气量为0时的稳定通量。说明加入曝气后形成了气液两相流，导致中空纤维膜组件内原料液的湍流程度增加，原料液所施加的平行于膜面的切应力随之增加，同时膜丝表面受到气泡的冲刷，使得在膜表面沉积的污染物质不断被带走。气泡冲刷作用产生膜丝扰动现象，更加有效地抑制了滤饼层的形成，使滤饼层的厚度维持在较低的水平，减小了凝胶层的厚度，削弱了浓差极化带来的影响，因此，膜通量有了明显的升高，有利于膜传质。

图2表明在一定范围内，随着曝气量的增加，中空纤维膜组件的稳定膜通量逐渐增大。当曝气量为120 L/h时，中空纤维膜稳定膜通量最大，与曝气量为0时的单相流错流过滤相比，稳定膜通量增加了65%。但当曝气量大于120 L/h时，进一步增大曝气量，膜通量反而出现了降低的现象，说明过高的曝气会对中空纤维膜错流过滤系统造成负面影响，与曝气量为120 L/h时的稳定膜通量相比，曝气量为150 L/h和180 L/h时分别衰减了5.88%和11.76%。这说明当曝气量超过120 L/h时，中空纤维膜组件的稳定膜通量随着曝气量的增大而减小。这是因为当曝气量过高时，受过高的剪切力会产生细小污泥颗粒，增加直接堵塞膜孔的机会，另一方面，过高的曝气量产生的气泡附着在膜丝表面，减小了滤膜的有效过滤面积。因此，增加曝气形成气液两相流以后，可以起到缓解膜污染、增加膜通量、增强传质的作用，且在一定范围内，中空纤维膜组件稳定通量随着曝气量的增加而增大。

由图3可知，增加曝气形成气液两相流后，浑浊度的去除率不论是在初始状态还是稳定状态均高于无曝气单相流过程。无曝气单相流条件下中空纤维膜组件对浑浊度的初始去除率和稳定状态去除率分别为 87.6%和94.7%。气液两相流条件下曝气量为120 L/h时，对浑浊度的初始去除率和稳定状态去除率分别为90.2%和96.5%；曝气量为180 L/h时，中空纤维膜组件对浑浊度的初始去除率和稳定状态去除率分别为87.7%和94.9%，可以发现随着曝气量的增加，去除率均呈现先增加后减少的现象。这是因为增加曝气以后，气泡的冲刷作用以及膜丝扰动现象导致中空纤维膜表面吸附沉积的污泥被快速带走，膜表面浓度降低，更多的溶质随着回流被带走，减小了溶质通过概率，因此，会产生去除率增加的现象。但当曝气量过高时，膜丝扰动作用过强，滤饼层过滤作用减弱，且过大的曝气量所带来的剪切作用增强，会产生更多的细小污泥颗粒，增加溶质通过膜孔的概率，因此，当曝气量过高时，会产生去除率下降的现象。

由图4可知，增加曝气形成气液两相流以后，对CODMn的稳定截留效果有了明显提升，这是因为增加曝气以后，气液两相流能起到缓解膜污染、减弱浓度极化差的效果，膜表面浓度较低，溶质通过也相对减少，因此，截留率有所升高。结合图3与图4，随着曝气量的增加，浑浊度的截留效果变化更加明显，初始截留率的变化比稳定状态截留率的变化更加明显。CODMn截留率的变化主要体现在有曝气与无曝气时稳定截留率的变化，增加曝气量以后，对CODMn的稳定截留率提升了11.5%，有曝气时，增加曝气量对于CODMn的初始截留率影响不大。因此，综合考虑膜通量变化、浑浊度去除效果以及CODMn的截留率，最适宜的曝气量为120 L/h。

2.2 TMP的影响

图5 不同TMP下膜通量随时间变化Fig.5 Variation of Membrane Flux with Time under Different TMP

图6 不同TMP下对浑浊度的去除效果Fig.6 Turbidity Removal Efficiency under Different TMP

图7 不同TMP下CODMn截留率Fig.7 CODMn Retentionn Rate under Different TMP

试验中控制进水流量为0.48 m3/h，在曝气量为120 L/h的条件下持续运行3 h。改变TMP(0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 MPa)分别进行试验，记录膜通量的变化(图5)，并得到对浑浊度的去除效果与对CODMn的截留效果(图6～图7)。

由图5可知，随着过滤时间的增加，膜通量逐渐降低，然后趋于稳定状态。观察发现TMP为0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 MPa时，90 min膜通量较初始通量分别衰减了17.2%、17.7%、19.1%、21.4%、22.2%。由前90 min膜通量变化可知，随着TMP逐渐增大，膜通量的衰减速率也逐渐增大，且膜通量的衰减速率与TMP强度基本呈线性关系。随着TMP增大，膜通量增大，膜表面污泥快速堆积，更多溶质通过中空纤维膜，膜表面的浓度极化差加剧。因此，在前期时TMP越大，膜通量的衰减越明显。同时，可以观察到较低的TMP下，通常在210 min才会达到稳定状态。当TMP达到0.020 MPa以上时，在180 min可达到稳定状态，这是因为受到膜表面污泥快速堆积的影响，滤饼层形成早，达到稳定状态的时间相对缩短，因此，在高TMP下能更快达到平衡状态。

由图6可知，TMP为0.030 MPa时对浑浊度的初始去除率与稳定去除率分别为85.3%、93.5%，较TMP为0.010 MPa时的初始去除率(90.3%)、稳定去除率(96.5%)，去除率的降低率分别为5.54%和3.11%。随着TMP逐渐增大，对浑浊度的初始去除效果与稳定状态去除效果均有所降低，这是由于TMP增大，膜通量增加，浓差极化现象加剧，膜表面浓度升高，溶质通过增多，因此，初始去除效果随着TMP升高衰减越明显；当达到平衡状态，在膜表面滤饼层过滤作用下，虽然高的TMP仍然具有较高的膜通量，但一部分溶质被滤饼层过滤截留，然后受到错流过滤剪切力的作用随浓缩液回流，因此，稳定状态去除率衰减较少。

由图7可知，随着TMP的增大，CODMn的初始截留率有所减小，稳定截留率基本不变。主要是因为随着TMP的增大，膜通量相对增大，溶质通过增多，引起了初始截留率的降低，随着运行时间的增加，中空纤维膜表面的滤饼层逐渐形成，对以颗粒状以及胶体状存在的CODMn去除率提高，同时滤饼层内附着的微生物提供了一部分生物降解作用。因此，达到稳定状态时，滤饼层形成并稳定，TMP对CODMn的截留率影响不大。因此，综合考虑膜通量变化、浑浊度去除效果、CODMn的截留率以及设备运行效果，最适宜的TMP为0.020 MPa。

2.3 进水流量的影响

图8 不同进水流量下膜通量随时间变化Fig.8 Variation of Membrane Flux with Time under Different Inflow Rate

图9 不同进水流量对浑浊度去除效果Fig.9 Turbidity Removal Efficiency under Different Inflow Rate

图10 不同进水流量下CODMn截留率Fig.10 CODMn Retention Rate under Different Inflow Rate

试验中控制TMP为0.020 MPa，在曝气量为120 L/h的条件下持续运行3 h。改变进水流量(300、360、420、480 L/h)分别进行试验，记录膜通量的变化(图8)，并得到对浑浊度的去除效果与对CODMn的截留效果(图9～图10)。

由图8可知，随着过滤时间的增加，膜通量逐渐降低，并趋于稳定，进水流量为480 L/h时的稳定膜通量为108.75 L/(m2·h)，较初始膜通量157.50 L/(m2·h)降低了30.95%；进水流量为300 L/h时的稳定膜通量为52.50 L/(m2·h)，较初始膜通量101.25 L/(m2·h)降低了48.10%。说明进水流量越低，膜通量衰减越明显，增大进水流量可以起到增大膜通量、降低膜通量衰减率的作用。这主要是因为中空纤维膜错流过滤过程中，水流方向与中空纤维膜丝方向平行，在增大进水流量过程中，增加了中纤维膜组件内的膜面流速，随着中空纤维膜组件内膜面流速的增大，原料液对于中空纤维膜表面的冲刷作用相对增强，气液两相流的湍流程度也相对增强，进一步减小了浓度极化差现象，使得膜通量得以提高。

由图9～图10可知，增大进水流量后浑浊度的去除效果和CODMn的截留率无明显变化。分析原因可能是本试验为平行错流过滤，进水流量增大引起膜面流速增加，对中空纤维膜膜表面的冲刷作用加强，主要起到了缓解膜表面污染、增加膜通量、延长过滤时间的作用，对截留作用影响不大。因此，综合考虑膜通量变化、浑浊度去除效果、CODMn的截留率以及设备运行效果，最适宜的进水流量为480 L/h。

3 结论

(1)在过滤时增加曝气，形成气液两相流对错流过滤过程有着明显的强化作用。曝气量为120 L/h时效果最好，比无曝气单相流错流过滤条件下稳定通量增加了65%。气液两相流对于中空纤维膜错流过滤的影响主要体现在以下几个方面：一方面，增加曝气形成气液两相流，气泡可以起到冲刷膜表面的作用，同时还使中空纤维膜组件内流体的湍流程度增加，削弱了浓差极化所造成的影响，使中空纤维膜组件的稳定状态膜通量增大；另一方面，受曝气的影响造成膜丝扰动现象，进一步减少了污泥在中空纤维膜膜表面的堆积，减少错流过滤过程中的膜面污染，增加了错流过滤运行时间，进而减少中空纤维膜反冲洗的次数与冲洗强度，有利于工程实践运用；最后，曝气量过大会导致微小污泥颗粒的产生，增加堵塞膜孔的概率，降低膜通量。

(2)气液两相流与无曝气单相流相比，在延长过滤时间、提高膜通量、缓解表面膜污染、改善对浑浊度的去除效果与CODMn的截留效果方面均有明显的强化作用。在气液两相流条件下，随着TMP增大，膜通量增大，膜通量的衰减速率增大，对浑浊度的去除效果与CODMn的截留效果降低，改变进水流量主要影响了过滤时间与膜通量变化，对浑浊度的去除效果与CODMn的截留效果无明显影响。