MBR煙氣脫硫的降解特性及傳質過程強化

苗峻赫

沈陽特種設備檢測研究院 遼寧沈陽 110035

近年來一種新興的生物處理技術——膜生物反應器（Membrane bioreactors，MBR）污染物處理技術。在MBR中，滲透膜將氣相和液相回路分開，即解決了傳統生物技術中液相傳質阻力的問題，也避免了生物膜堵塞問題，能有效避免上述傳統廢氣處理裝置運行費用高、操作不穩定等缺點，還具有氣液接觸面積大、凈化效率高、無二次污染等優點。本文設計了一種氣相空間帶有方形擾流柱的平板膜生物反應器以強化二氧化硫的傳輸，并進行二氧化硫降解實驗。通過研究不同污染物入口濃度下反應器二氧化硫的降解效率和傳質速率，探討這種帶有方形擾流柱結構的氣體滲透腔對二氧化硫傳輸以及對反應器二氧化硫的降解特性的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗裝置

實驗系統主要由膜生物反應器、過濾瓶（1000ml）、蠕動泵（四通道）、空氣泵、廣口瓶（500ml）、恒溫水域（30℃）、SO2鋼瓶以及氣體流量計所構成?？梢暬桨迨侥ど锓磻饔蓺怏w滲透腔、憎水碳布、營養液循環腔組成，其中氣體滲透腔尺寸為20 cm（長）×2 cm（寬）×0.2 cm（厚），營養液循環腔尺寸為20 cm（長）×2 cm（寬）×0.5 cm（厚），滲透膜材料為憎水碳布，作為生物膜生長的載體和分離氣液兩相的介質，SO2可以在濃度差的驅動下滲透通過膜材料。

1.2 實驗方法

實驗選用一株對溶解的硫化合物具有高效降解性能的革蘭氏陰性菌屬。培育定量固定菌種后，為實現細菌生物膜的生長采用了礦物鹽培養基，配方如下：葡萄糖：0.2 g/l，NH4Cl : 0.4 g/l，K2HPO4: 1.2 g/l，KH2PO4: 1.2 g/l，MgCl2.6H2O : 0.2 g/l，檸檬酸鐵：0.01 g/l。將菌懸液通入實驗系統，MBR掛膜啟動實驗在常溫25-30 ℃條件下進行，液相流量控制在20 ml/min，在反應器的氣路側通入一定濃度的SO2氣體，在反應器的液路側通過營養液的循環流動讓菌種在憎水碳布上附著生長，形成生物膜。

1.3 測試方法

氣相SO2濃度采用帶火焰離子化探頭的氣相色譜（GC）（SC-2000四川儀表九廠）測量；MBR液相壓力損失采用Validyne Dp15-22壓力傳感器（美國）測量；循環液吸光度（OD600nm值）利用722N型分光光度計（上海精科）測量；氣體流量采用LBZ-2轉子流量計測量。

1.4 反應器性能評價

本實驗通過降解效率、傳質速率、傳質通量等指標評價膜生物反應器中二氧化硫的傳輸及降解特性。

2 實驗結果及分析

二氧化硫濃度變化時降解性能的對比：

實驗條件：液相pH保持在7左右，液相流量為1.5L/h，環境溫度為20 ℃，氣體流量為37.5 mL/min，改變二氧化硫入口濃度，研究反應器氣相空間加入方形柱子之后降解效率、傳質速率的變化情況，并與未加入方形擾流柱結構的反應器進行對比。

2.1 方形擾流柱結構對降解效率的影響

加入方形擾流柱結構前后反應器對二氧化硫的降解效率變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，氣相空間加入方形擾流柱后反應器的降解效率有所提高。當二氧化硫入口濃度為0.5 g/m3時，與反應器未加入方形擾流柱氣相空間相比，降解效率提高較明顯，增大了8%，而隨著二氧化硫入口濃度的升高，降解效率的提高幅度相應減小。這主要是因為，氣體在氣相空間流速很小，屬層流狀態，二氧化硫在氣相中的傳輸以擴散為主。加入擾流柱后，氣相空間的流動邊界層被打破，在氣相空間中形成擾動，使氣相空間內二氧化硫由氣相主流區到滲透膜界面的傳輸得到強化，從而提高二氧化硫的降解性能。在高二氧化硫濃度時，濃度的提高可使二氧化硫的傳質驅動勢增大，削弱了氣相擾動帶來的強化作用，降解效率的增幅變小。

圖1 氣相空間帶和不帶方形擾流柱的反應器降解效率對比

高濃度對擾動的強化作用有所削弱，低濃度段擾動的加強效果明顯。

2.2 方形擾流柱結構對傳質速率的影響

加入方形擾流柱結構前后反應器對二氧化硫的傳質速率變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，氣相空間加入方形擾流柱后反應器的傳質速率要大于未加入方形擾流柱反應器。這主要是因為與反應器未加入方形擾流柱氣相空間相比，方形擾流柱的加入后改變了原有流動狀態，強化了氣相空間與滲透膜的傳質，流動加強傳質系數也就增大，所以傳質速率增大。

圖2 氣相空間帶方形擾流柱的反應器傳質速率

3 結語

通過對氣相空間帶方形擾流柱結構反應器的性能實驗研究表明：隨著二氧化硫入口濃度的增加，膜生物反應器降解效率降低，二氧化硫的傳質速率增大；與未加入方形擾流柱結構的反應器相比，加入方形擾流柱后，反應器氣相空間的流動狀態發生改變，打破了流道內的層流流動，強化了二氧化硫由氣相主流區到滲透膜界面的傳輸，傳質系數增大，反應器降解效率提高。