Study on Characteristics of an Aeration and Filtration Unit
LI Jian-jun¹ , SHI Han-chang² , ZHANG Yong-ming³
(1. First Institute of Oceanography ,State Oceanic Aministration ,Qingdao　266061 ,China ;
2. ESPC State Key Joint Laboratory ,Dept. of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing　100084 ,China ;
3. Department of Environmental and Chemical Engineering ,Nanchang Institute of Aeronautical Technology ,Nanchang　330034 ,China)

Abstract : Facing upon the membrane fouling in a membrane bioreactor ,a novel aeration and filtration unit was developed ,aiming at effectively enhancing flux as one factor and considerably providing the oxygen in the need of microorganism as the other one. The characteristics of filtration flux were studied by terms of tap water ,kaolin solution and activated sludge. The quality of high flux with tap water and kaolin solution was obtained ,and the reason of no high flux with activated sludge was analyzed. Optimumoperation parameters of Unit 2 were determined in the experiment of kaolin solution :the pressure ,0115 MPa ;the rate of surface scouring ,9. 26 mPs ;the intensity of aeration ,18 m³/(h·m² ) ;the operation time,70 min ;the aeration time ,5 min. The comparison of aeration influence on filtration flux tentatively showed that air backwash was a remarkable way to enhance filtration flux.
Key words : aeration and filtration; unit; filtration flux

　　 膜生物反應(yīng)器自19 世紀(jì)60 年代末出現(xiàn)以來(lái),由于其在水處理技術(shù)中具有傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),并且隨著對(duì)膜生物反應(yīng)器在應(yīng)用過程中的一個(gè)主要問題———膜污染的解決方案越來(lái)越多樣化,包括膜的選擇和修飾、料液預(yù)處理、操作條件優(yōu)化、操作方式的選擇等等^[1-3]。其中有一種操作方式是采用反沖曝氣:一方面實(shí)現(xiàn)膜通量的恢復(fù);另一方面又可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器中微生物進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)所需氧的補(bǔ)償。Scott J.A. 等對(duì)雙功能陶瓷膜生物反應(yīng)器處理高濃度工業(yè)廢水的研究結(jié)果表明,1.2 ,0.8 ,0.35 和0.2 μm ,7 通道,直徑0.02mm ,總過濾面積為0.06 m² 的無(wú)機(jī)陶瓷微濾膜的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)( K_La) 分別比直徑8 cm的傳統(tǒng)環(huán)狀曝氣器(Ring-sparger) 高20 % ～70 %^[4] 。Chang In-Soung 等在采用兩種氣體沖洗方式對(duì)有機(jī)膜組成的管狀淹沒式膜生物反應(yīng)器處理城市廢水的研究中指出,氣體提升式膜組件(Air-lift mode) 通過空氣在膜內(nèi)腔的流動(dòng)減弱了膜污染的程度,使得膜通量提高43%^[5] ,而氣體噴射式膜組件(Air-jet mode) 由于污泥在內(nèi)腔慢慢地累積造成的堵塞,使得氣體噴射恢復(fù)膜通量的效果不理想。
　　基于上述思想,筆者采用一種新型陶瓷過濾元件處理廢水的工藝,對(duì)該元件的過濾特性進(jìn)行了研究。
1 　實(shí)驗(yàn)裝置與方法
1.1 　實(shí)驗(yàn)工藝流程
　　實(shí)驗(yàn)工藝流程見圖1。系統(tǒng)主要分為水循環(huán)系統(tǒng)、反應(yīng)器、曝氣系統(tǒng)三部分。進(jìn)水由水箱經(jīng)過泵加壓,一部分從上部進(jìn)入反應(yīng)器,一部分回流到水箱(滿足反應(yīng)器高壓力、低流量的需要) ;反應(yīng)器由柱狀有機(jī)玻璃制成,外徑15 cm ,高50 cm ,體積約為7.7 L。反應(yīng)器出水由過濾元件出水和循環(huán)出水(提供過濾元件沖刷剪切力) 兩部分組成。

　　在過濾的時(shí)候,打開出水閥,關(guān)閉排氣口和進(jìn)氣閥,通過調(diào)整水泵出水閥、回流水閥門、循環(huán)水閥門共同控制預(yù)期的壓力和反應(yīng)器循環(huán)出水的流量。在曝氣階段,關(guān)閉反應(yīng)器進(jìn)水和出水系統(tǒng),打開排氣口和進(jìn)氣閥,反向從過濾元件內(nèi)腔曝氣。壓力由壓力表控制,液體和氣體流量由相應(yīng)的流量計(jì)測(cè)定,過濾元件的通量經(jīng)過測(cè)定一段時(shí)間內(nèi)的出水體積換算獲得。
　　曝氣過濾元件由陶瓷燒結(jié)而成,呈U 型管狀,一端封閉,其外型輪廊如圖2。所用的2 個(gè)元件的參數(shù)見表1。

表1 　曝氣過濾元件的參數(shù)
Table 1 　Parameters of aeration and filtration units

參數(shù) 元件1 元件2 孔徑/μm 內(nèi)表面:45
外表面:26 內(nèi)表面:29
外表面:15 長(zhǎng)度/m 0.082 0.083 外徑/m 0.025 0.026 內(nèi)徑/m 0.022 0.023 過濾表面積/m² 0.006(以外徑計(jì)算) 0.007(以外徑計(jì)算)

1.2 　實(shí)驗(yàn)方法
　　由于運(yùn)行過程中不斷地高速水循環(huán)和微生物在成長(zhǎng)過程中比較難控制在一個(gè)特定的濃度上,因此實(shí)驗(yàn)主要采用高嶺土配水來(lái)研究曝氣過濾元件的過濾特性,最后在優(yōu)化條件下使用活性污泥進(jìn)行檢驗(yàn)。
2 　結(jié)果與討論
2.1 　過濾元件通量研究
2.1.1 　通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　圖3 是過濾元件清水(清華大學(xué)自來(lái)水,水溫15 ℃) 通量與壓力的關(guān)系。從圖3 可以看出:在整個(gè)壓力范圍內(nèi),過濾通量同壓力呈曲線上升關(guān)系。低壓范圍內(nèi),線性關(guān)系明顯;高壓范圍內(nèi),曲線關(guān)系明顯。也就是說,在高壓處壓力的變化對(duì)通量的影響較大。元件1 在各個(gè)壓力下的通量比元件2 大很多,這主要是孔徑不同造成的結(jié)果。

　　圖4 ,5 分別是元件1 和元件2 在2 種壓力下、高嶺土質(zhì)量濃度為1.0 g/L 過濾通量隨壓力的變化情況,圖4 ,5 明顯體現(xiàn)出兩種不同的通量發(fā)展趨勢(shì)。元件1 在2 種壓力下的通量在運(yùn) 行30 min 時(shí),曲線重疊,也就是說,元件1 在高壓的條件下維持較高的通量是不可取的。從另一個(gè)角度來(lái)說,在元件內(nèi)孔堵塞和外表面形成的污染層從開始形成時(shí),過濾通量己經(jīng)漸漸不再是壓力的函數(shù)。元件2 同元件1 的情況相反,2 個(gè)通量衰減曲線之間的距離非常大,說明2 種壓力對(duì)元件2 通量大小的影響起到不同的作用,增加壓力可以使元件2 通量得到明顯的提高。開始在2 種壓力下元件1 通量差別比較明顯,隨著不斷運(yùn)行,2 個(gè)通量曲線不斷接近,2 個(gè)通量之間的差距不斷縮小;而元件2 在達(dá)到了各自壓力穩(wěn)定的通量水平時(shí),它們之間的通量差距同開始時(shí)的情況相比,其大小相差依然很大,而且2 個(gè)變化曲線衰減的程度基本一致,兩者并行發(fā)展。2 個(gè)元件在運(yùn)行10 min 之內(nèi),通量衰減非常明顯,之后的衰減明顯緩慢。從圖4 ,5 中可以看出,2 個(gè)元件在運(yùn)行初期都很快受到了污染,并且污染對(duì)通量的影響也較快地達(dá)到了比較穩(wěn)定的階段。
　　圖6 是2 個(gè)元件在各自優(yōu)化條件(見2.1.2 節(jié)) 下,活性污泥質(zhì)量濃度為1.3 g/L 通量隨時(shí)間的變化情況。在各自的優(yōu)化條件下,元件1 即使過濾孔徑大,起始通量高,但在運(yùn)行10 min后,元件2 的通量越來(lái)越超過元件1 的通量。從圖6 中也可以得出這樣的結(jié)論,單從通量的角度來(lái)衡量,元件2 在其優(yōu)化條件下比元件1 具有優(yōu)勢(shì)。
從通量實(shí)驗(yàn)還得出了一個(gè)比較重要的結(jié)論:2 個(gè)元件無(wú)論從清水通量還是高嶺土配水條件下的通量,同大多數(shù)文獻(xiàn)的報(bào)道^[6-7]相比較具有明顯的大通量的特性;但在活性污泥的條件下,2 個(gè)元件都失去了大通量的特性。其原因一方面可能是活性污泥的料液性質(zhì)同高嶺土配水的差別,同等濃度下活性污泥粘度大,而且絮體或微粒的結(jié)構(gòu)也存在差別,這些使得活性污泥條件下元件易于堵塞;另一個(gè)原因可能是元件的孔徑比較大,在高嶺土和清水條件下,大孔徑的堵塞程度輕,大通量的特性可以保持下去,而在活性污泥情況下大孔徑堵塞后,小孔徑數(shù)量和分布又少(圖7 ,8 分別是元件1 和元件2 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后的過濾表面100 倍掃描電鏡圖) ,繼續(xù)大通量過濾的能力就大大削弱了。

　　　　　　　
2.1.2 　條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)
　　選擇元件2 作為條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表L₁₆(4⁵) 對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。每個(gè)因素水平選擇4 個(gè),各個(gè)因素和水平分別為: 壓力(0.05 ,0.10 ,0.15 ,0.20MPa) 、元件過濾表面沖刷速率(9.26 ,12.96 ,16.67 ,20.37 m/s) 、運(yùn)行時(shí)間(30 ,50 ,70,90 min) 、曝氣強(qiáng)度(18,36,54,71 m³/(h·m²) ,按0.2 MPa 壓力下的氣體流量計(jì)算) 、曝氣時(shí)間(5,10,15 ,20 min) 。評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇元件過濾阻力增加速率和最終過濾通量?jī)烧吖餐_定優(yōu)化條件。
　　元件過濾阻力根據(jù)Darcy 定律過濾模型J =ΔP/(μR) 計(jì)算。式中, J為過濾通量,m³/(m²·s) ;ΔP 為過濾操作壓力,Pa;μ為混合液動(dòng)力粘度,Pa·s; R 為過濾阻力,m^-1。
　　每5 min 測(cè)定一次通量,通過上式即可反算出R , R 的增加基本呈線性,因此可求出元件的過濾阻力增加速率。最終過濾通量根據(jù)該工藝的運(yùn)行特性即指一個(gè)過濾周期的最后一刻過濾通量的大小,選擇元件過濾阻力增加速率比較慢、而最終過濾通量比較大的操作條件作為最佳操作條件。
　　最終得到對(duì)過濾阻力上升速率影響從大到小依次是:壓力→運(yùn)行時(shí)間→元件過濾表面沖刷速率→曝氣時(shí)間→曝氣強(qiáng)度,而對(duì)最終過濾通量的影響從大到小依次是:壓力→元件過濾表面沖刷速率→曝氣強(qiáng)度→曝氣時(shí)間→運(yùn)行時(shí)間。
　　經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得到元件2 的最佳操作條件是:壓力0.15MPa ,元件過濾表面沖刷速率9.26 m/s ,曝氣強(qiáng)度18 m³/(h·m²),運(yùn)行時(shí)間70 min ,曝氣時(shí)間5 min。元件1 由于在運(yùn)行25 min 后2種壓力下的通量基本相同,因此,元件1 的優(yōu)化操作壓力確定為0.05 MPa ,其他條件與元件2 的相同。
2.2 　過濾元件通量恢復(fù)研究

　　圖9 是在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的16 組實(shí)驗(yàn)中選擇了6 組反沖曝氣前后過濾通量的變化情況。6 組實(shí)驗(yàn)的曝氣強(qiáng)度(m³/(h·m²)) 和曝氣時(shí)間(min) 數(shù)值分別是:18 ,5 ;36 ,10 ;36 ,20 ;18 ,15 ;71 ,10 ; 54 ,5。從圖9 中可以發(fā)現(xiàn),反沖曝氣后過濾通量約為曝氣前的1.5 倍以上,最大可達(dá)到2 倍以上。初步表明了反沖曝氣對(duì)過濾通量恢復(fù)的有效性。
3 　結(jié)論和建議
a. 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),高壓對(duì)元件1 的大通量運(yùn)行不可取,但對(duì)元件2 通量的提高卻十分顯著。
b. 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定的元件2 的最佳運(yùn)行條件是:壓力0.15MPa , 元件過濾表面沖刷速率9.26 m/ s , 曝氣強(qiáng)度18m³/(h·m²),運(yùn)行時(shí)間70 min ,曝氣時(shí)間5 min。
c. 反沖曝氣前后過濾通量的變化初步表明了反沖曝氣對(duì)過濾通量恢復(fù)的有效性。
d. 2 個(gè)元件在清水和高嶺土配水的條件下具備大通量的特性,在活性污泥的條件下失去了大通量的特性。建議進(jìn)一步開發(fā)在活性污泥條件下也具有大通量特性的曝氣過濾元件,主要從過濾表面的處理上著手,力爭(zhēng)做到孔徑大小和分布均勻,數(shù)量多等。在完成元件的測(cè)試和選擇之后,進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的小試實(shí)驗(yàn)研究。
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