一体式气升陶瓷膜反应器的研制及其应用特性研究

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1、南京工业大学博士学位论文一体式气升陶瓷膜反应器的研制及其应用特性研究姓名：王龙耀申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：徐南平；邢卫红200706博士学位论文摘要膜反应器(Membr刁lneReactor，MR)是一种能够将反应与分离相耦合的装置，气升式膜反应器(Airl讯MR)是MR的一种，它可以利用曝气产生的气升流体实现拟错流过滤、搅拌和供氧三种功能，是活性污泥法水处理膜生物反应器(MBR)的首选类型。气升式胀研究和应用的关键是提高膜元件和膜组件／器件的性能并降低其制造和运行成本。围绕这一问题，本文

2、针对膜元件、膜组件和一体式气升揪展开了设计工作(所设计的膜元件和膜组件已分别申请了发明专利)，并分别在钢铁酸洗废液和生活污水的处理过程中考察了其应用特性，主要研究内容如下。通过对管式陶瓷膜内通道结构的分析，设计出了一种渗透侧在膜管通道中的新型管式膜元件。在相同外形尺寸情况下，所设计的新型多通道膜元件可以具有不同比例的渗透侧面积和原料侧面积，从而可以针对不同料液体系对膜元件的渗透效率进行优化。如果以7通道膜管(中心通道为渗透侧)的渗透效率为100％，19通道膜管的总平均渗透效率为24％．34％(纯水物系)；

3、而在应用实验中，这个效率达到了64％．75％(污泥液物系)。与普通的管式多通道膜元件相比，因为在应用过程中避免了使用封闭式外套作为渗透腔的束缚，不仅降低了设备投资成本，还能使膜元件在应用过程中减少附属装置，提高了单位体积的膜装填面积。在所设计的新型结构的管式膜元件的基础上，设计出了一种使用辅助阵列排布装置的浸入式膜组件。在2．5m．S．1气速下，曝气孔孔径在0．4null(毛细孔)到6．Ol砌(曝气管)之间时，脱离气泡直径为1．6mm到11mm，这将在内径为4mm或6I姗的膜管通道中直接形成气弹。通过阵列

4、排布和使用辅助阵列排布装置，可以解决原料流体在膜管原料侧表面速度分布的均匀性问题，并能解决多通道膜管在浸入式膜组件中的支撑、定位和渗透液引出的问题。在阵列排布式膜组件基础上，设计了一种气升式膜反应器。通过调整膜组件在反应器内的位置，可以实现对料液中的固形物进行沉淀收集或再分散的操作。在实验所用的反应器中，当总料液体积为10L、曝气量为200L·h-1时，液相的循环周期约为3min。与装填膜管的相比，当曝气量大于100L·h．1后，仅使用导流筒时液流量上升速度较快。在气速大于O．02m·s以以前，液速均小于

5、气速，但当气速大于O．02m·s以以后，通道内的液速开始超过气速。在相同膜面积情况下，与外置式泵循环搬设备系统相比，所设计的新型MR的工艺设备成本降低了32％，而设备系统总价则降低了21％。由于钢铁酸洗废液处理过程具备好氧反应、气升搅拌和截留／移除大颗粒物质等特点，因此被选为化学反应体系应用试验的研究对象。实验采用孔径为0．2岫摘要单通道外膜陶瓷膜管作为膜元件的气升式MR设备。提高曝气量有利于膜通量的提高，在Fe2+初始浓度为60mg·L。1的料液中，在曝气量0～400L．hd范围内，稳定膜通量能维持在1

6、00LM。2h．1以上；料液中氢氧化铁悬浮浓度、温度(1～40℃)和nⅢ，(0．03MPa～0．1MPa)与膜通量均呈线性关系；间歇过滤或反冲有利于提高膜通量，采用物理方法刷除膜表面的污染物附着层，可以使通量恢复到初始通量的69％，而在1％(叭)的硝酸溶液中浸煮30miIl，膜通量基本能完全恢复；在水力停留时间3．5h、pH6～9和充分曝气情况下，使用气升式膜反应器处理的出水浊度低于2N，rU，pH符合排放标准，铁离子的去除率大于80％。以活性污泥法处理生活污水的生物反应体系为试验对象，采用膜孔径0．2“

7、m、通道直径6姗、长200Inm的19通道陶瓷膜管作为膜元件的气升式MBR设备，实验考察了该新型mR在实际生物转化过程中的应用特性。结果表明提高曝气量有利于膜通量的提高，在不同抽吸压力下，曝气量400L·h．1的膜通量较不曝气的提高了20％～50％。在稳定操作条件下，料液温度(18～40℃)和膜两侧压差(0．02～O．1MPa)与膜通量均呈线性关系；在所用污泥体系的试验条件下(15℃，曝气量200L·h．1，n—[P0．04MPa)，膜的渗透通量随时间呈指数衰减，稳定通量能维持在25L·nl-2·h-1水

8、平，其中间歇过滤能够使膜通量较长时间保持稳定。在试验污泥浓度范围内(0．8～89·L。1)，膜通量与污泥浓度关系不大。膜污染阻力是膜阻力的2．3倍，化学清洗后能得到较高的通量，但该通量与物理清洗的通量差别不大。膜过滤可以截留污泥液中部分颗粒状COD物质，但进一步的研究证明生物降解是去除COD的主要方式。在稳定运行情况下，实验中COD的去除率能够维持在85％以上，且出水COD小于50mg·L～，浊度低于O．5N，rU，出水达到了