膜曝气生物膜反应器膜传氧速率的影响因素研究

包进锋, 朱品尚, 朱圆圆, 吴 凯, 谢慧峰, 黄 霞

(1. 浙江开创环保科技股份有限公司, 杭州 310000;2. 杭州余杭净水有限公司, 杭州 310000;3. 清华大学环境学院, 北京 100084)

污水处理行业碳排放量占全社会碳排放总量的1%～2%[1],在“碳达峰”与“碳中和”的背景下,污水处理低碳工艺技术的开发及应用日益受到重视.膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种集合了膜技术、曝气技术、生物技术的新型工艺,具有节约能源、节约占地、节约药剂等优势[2-4].MABR膜作为一种新型的曝气方式,其传氧速率可达到7～23 g O2/(m2·d)[5],相比较传统的生化工艺,可节约70%以上的能耗[6-8],节能减排潜力大.

MABR膜属于气体分离膜,是MABR工艺的核心,其分离原理主要为适用于多孔膜的微孔扩散机理与适用于无孔、致密膜的溶解扩散机理[9-10].MABR工艺在污水处理中的应用及相关影响因素已有较多研究[11-12],但关于致密的MABR膜传氧速率的影响因素研究还较少.合理的运行参数是实现最大氧气传递速率的关键,本文通过研究影响MABR膜传氧速率的相关因素,以期为MABR在工程中的实际应用提供参考.

1 实验部分

1.1 MABR实验装置

实验采用的MABR装置由反应池、膜组件、气泵、气体流量计、压力表组成,单个反应池尺寸0.25 m×0.25 m×0.90 m.实验所用的MABR膜为聚乙烯(PE)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合而成的中空纤维致密膜,膜丝内/外径为0.50 mm/0.65 mm,单个膜元件尺寸12 cm×60 cm,有效膜面积0.25 m2,每支膜元件的顶部与底部分别设有进气口与尾气排放口,膜组件由4支膜元件组成.

1.2 实验用水

实验用水为脱氧后的自来水.向自来水中投加无水亚硫酸钠与少量氯化钴,充分反应去除自来水中的溶解氧[13].

1.3 实验方法

MABR膜组件放置于反应池中,将配置好的无氧水通过进水泵打入反应池,水量为45 L;启动反应池中的搅拌器,待反应池中溶解氧值恒定不变时,记录为初始数据;采用空气作为供气气源,开启供气泵,通过气体流量计与进气阀控制供给MABR膜组件的气量,尾气通过膜组件底部的排放口排出,通过尾气控制阀控制供给MABR膜组件的压力;实验过程每1 min记录一次反应池中溶解氧数据.图1为工艺流程图.

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow diagram

1.4 实验药剂与仪器

自来水、无水亚硫酸钠(分析纯)、氯化钴(分析纯),国药集团.

便携式溶解氧测定仪(HACH HQ30D)、棒式玻璃水银温度计(0～100 ℃)、电子天平(赛多利斯BSA2245).

1.5 数据测定及表征方法

MABR供气流量采用转子流量计记录(30～300 mL/min);MABR供气压力采用机械式压力表记录(0～16 kPa);溶解氧采用便携式溶解氧测定仪测定;温度采用温度计测定.

平均传氧速率采用如下公式进行计算:

传氧速率(OTR)=1.44×(DOt-DOo)×V/(t×A)

(1)

式中:OTR为传氧速率,g O2/(m2·d); 单位转化系数为1.44;DOt为t时间末反应池中溶解氧浓度,mg/L;DOo为初始时刻反应池中溶解氧浓度,mg/L;V为反应池中有效溶液体积,L;t为测试时间,min;A为有效膜面积,m2.

参考工程应用的实际情况,在进行MABR膜性能测试时选择溶解氧2～4 mg/L之间传氧数据进行分析.

2 结果与讨论

2.1 膜元件连接方式对MABR膜传氧速率的影响

膜组件1#与膜组件3#采用膜元件首尾串联方式连接,膜组件2#采用并联方式连接,连接方式如图2所示.3支膜组件的供气压力为10 kPa,膜组件1#供气气量为50 mL/min,膜组件2#与膜组件3#供气总量为200 mL/min,实验过程控制水温(16.5±0.5) ℃,每1 min记录1次溶解氧数据.实验数据如表1所示.

表1 膜元件不同连接方式下MABR膜传氧速率Table 1 Oxygen transfer rates of membrane in MABR at different connection modes of membrane modules

图2 并联形式(a)与串联形式(b)Fig.2 Form parallel (a) &series (b)

对比实验组1与实验组2结果可以知,在单片膜元件供气量与供气压力相同的情况下,膜组件2#传氧性能明显优于膜组件1#;对比实验组1与实验组3结果可知,在串联条件下,提高膜组件的总供气量(总氧气量)可以提高传氧速率;在膜组件总供气量相同的条件下,相比较实验组2,实验组3即使将单片膜元件供气量提升4倍,其传氧速率仍低于并联膜组件.表明了MABR膜组件的连接方式对MABR膜的传氧速率影响显著,空气在实验组1与实验组3的传递次数是实验组2的4倍,随着空气传递次数增多,串联组件内的气体传递行程延长,气体中的氧气浓度随气体行程的延长逐步降低,导致膜丝内外的浓度差随着气体行程的延长而减小,因此在实际应用过程中,采用并联模式可以更好地发挥MABR膜组件的传氧性能.

2.2 温度对MABR膜传氧速率的影响

在膜元件并联的连接方式下开展了温度对MABR膜传氧性能的研究.控制供气压力10 kPa,供气流量200 mL/min,调节反应池中水温分别为16 ℃、20 ℃与25 ℃,每1 min记录1次溶解氧数据,实验结果如表2所示.

表2 不同温度下MABR膜传氧速率Table 2 Oxygen transfer rates of membrane in MABR at different temperatures

由表2可知,在16～25 ℃的范围内,水温对MABR膜的传氧速率影响不显著,甚至温度升高传氧速率略有下降.主要原因为本实验使用的MABR膜属于无孔膜,氧气通过无孔膜的传递符合溶解-扩散机理[9],即(1)氧气在膜上游侧被吸附溶解的吸着过程;(2)吸附溶解的氧气在浓度差作用下透过膜的扩散过程;(3)扩散透过膜的氧气在膜下游侧释放的解析过程.其中步骤(2)的扩散过程属于控速步骤,扩散过程符合菲克定律,渗透系数=扩散系数×溶解度系数,其中扩散系数与溶解度系数与膜材料性质、气体的性质、气体的温度与浓度有关[9],受测试液温度影响较小,因此提高水温对MABR膜的传氧速率影响不大;而气体的溶解度又随温度的升高而降低,水温升高导致水中的溶解氧浓度降低,出现了MABR膜传氧速率随着温度升高略有下降的现象.

2.3 供气压力对MABR膜传氧速率的影响

在膜元件并联的连接方式下开展了供气压力对MABR膜传氧性能影响的研究.控制供气流量为100 mL/min,水温(16.5±0.5) ℃,调节供气压力分别为0、2、5、10 kPa,每1 min记录1次溶解氧数据,实验结果如图3所示.

图3 传氧速率与供气压力之间的关系图Fig.3 Relationship between oxygen transfer rate and air pressure

由图3可知,OTR随着供气压力的增大出现先增大后稳定的现象,其中供气压力由0 kPa提升至2 kPa时,其传氧速率提升25.85%;供气压力由2 kPa提升至10 kPa时膜传氧性能提升5.11%,表明传氧速率存在一个合适的工作压力值,低于该工作压力值时,膜组件的传氧性能得不到充分发挥,高于该工作压力值时,继续提高工作压力,膜组件的传氧性能提升不显著.

2.4 供气流量对MABR膜传氧速率的影响

在膜元件并联的连接方式下开展了供气流量对MABR膜传氧性能影响的研究,控制供气压力2 kPa,调节供气气量分别为30、50、75、100、200、300 mL/min,每1 min记录1次溶解氧数据,实验结果如图4所示.

图4 传氧速率与供气流量之间的关系图Fig.4 Relationship between oxygen transfer rate and air flow

图4结果可知,MABR膜传氧速率随着供气气量的增加出现先增大后变缓的趋势,当供气流量由30 mL/min提高至100 mL/min时,传氧速率提高了6.40 g O2/(m2·d),但气量由100 mL/min提高至300 mL/min时,传氧速率仅提高了1.26 g O2/(m2·d).主要原因为传氧过程的推动力为浓度差,而膜丝表面的氧气浓度随着传氧过程的进行逐渐降低,提高供气量可以保证膜丝表面的氧气浓度,进而增大膜传氧的推动力;但当气体流量升高到一定程度时,膜丝内外的浓度差趋于稳定,传氧速率达到稳定值.

2.5 水中溶解氧浓度对MABR膜传氧速率的影响

在膜元件并联的连接方式下开展了溶解氧浓度对MABR膜传氧性能影响的研究,控制供气流量100 mL/min、压力10 kPa的实验条件,每1 min记录1次溶解氧数据,实验结果如图5与图6所示.

图5 水中DO与MABR运行时间的关系Fig.5 Changes of DO and operation time of MABR

图6 传氧速率与水中DO的关系Fig.6 Relationship between oxygen transfer rate and DO

由图5可知,MABR的充氧效果随着运行时间的延长不断增大并趋于饱和,DO的增长速率逐渐减缓.由图6可知,随着反应池中DO的升高MABR膜的传氧速率先升高后降低,DO处于2.83 mg/L时,传氧速率为13.41 g O2/(m2·d),当DO升高至9.06 mg/L时,传氧速率为8.82 g O2/(m2·d),降低了34.23%.进一步证明了MABR膜的氧传质过程推动力是膜丝内外的氧浓度差.MABR运行初期,膜丝内外侧的溶解氧浓度差异较大,传氧速率快,随着运行时间的延长,膜丝外侧的溶解氧升高,膜丝内外侧的浓度差变小,传氧速率开始降低,整个传氧过程符合传质的菲克定律.

2.6 供气关闭后MABR膜传氧速率

采用膜组件1#,考察了供气关闭前后MABR膜传氧速率的变化,控制供气流量200 mL/min、压力0 kPa等,前10 min进行正常的供气运行,后关闭供气,记录MABR的传氧情况.结果如图7所示.

图7 MABR供气/关闭供气后DO和传氧速率随时间的变化Fig.7 Changes of DO with time and oxygen transfer rate when air supply was switched from on to off in MABR

由图7(a)可知,MABR在关闭供气后依旧会有一定的氧气传递,但相比较供气情况,溶解氧浓度上升较慢;由图7(b)可知,关闭供气时,氧气的传递速率下降很快,由供气时的9 g O2/(m2·d),迅速降低至6 g O2/(m2·d),运行20 min后降低至3 g O2/(m2·d).表明,在关闭供气后,MABR膜丝内部残留空气中的氧仍在向水中扩散,但随着膜丝内部氧分压的持续降低,传氧速率迅速下降.

3 结论

在相同运行条件下,MABR膜组件采用并联方式可以更好地提高MABR膜传氧性能; 水温对MABR膜的传氧性能影响不显著;供气压力对MABR膜的传氧性能影响较小但存在一个合适的工作压力值;供气流量对MABR膜的传氧性能影响显著,MABR膜的传氧速率随供气流量的提高出现先增大后趋稳;当供气停止后,MABR膜在一定时间内依旧具有传氧功能.MABR膜在并联条件下,控制供气压力2 kPa,供气量100 mL/min,传氧速率达到12.7 g O2/(m2·d).