氣液兩相流對中空纖維膜錯流過濾過程的影響

朱兆亮，翟 楊，吳冬冬，劉永劍，吳 青，于博文

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101；2.水發規劃設計研究有限公司，山東濟南 250100)

膜分離技術具有節能、高效、環保、易于操作等優點，是分離科學的重要手段之一[1-2]，已廣泛應用于水處理、化工、醫藥、發酵等領域[3-8]。中空纖維膜的外部形狀類似于纖維，微孔存在于管壁上，在過濾壓力的作用下，小于孔徑的組分通過膜表面起到分離的作用。根據運行模式分類標準，中空纖維膜分離技術有死端過濾和錯流過濾兩種[9]。錯流過濾過程中，中空纖維膜表面同時受到兩個力的作用，一方面在垂直于膜表面的作用力下，一部分原料液通過膜孔完成過濾過程；另一方面，在平行于膜表面的切向作用力下，中空纖維膜表面受到沖刷作用，可以有效地延緩污染物質在膜表面上的沉積，延緩濾餅層的形成，并減小濾餅層的厚度[10-11]。隨著過濾時間的增加，膜通量逐漸降低并且趨于穩定，達到動態平衡狀態。因此，與死端過濾相比，錯流過濾時膜污染相對較輕，膜通量下降比較緩慢，可以實現連續運行。張峰等[12]研究發現，當曝氣量為400 L/h時，與相同液速條件下單相流錯流過濾相比，膜通量提升87%。邢衛紅等[13]研究發現，曝氣過程能有效降低膜過濾阻力，基本消除濃差極化的影響。Mercier等[14]在采用斑脫土和發酵液懸浮物超濾過程中引入曝氣，膜通量提升了200%。Cabassud等[15]研究發現，在曝氣的表觀速度為1 m/s時，膜通量提升110%。同時，間歇曝氣時膜分離效果好于連續曝氣[16]。曹偉奎[17]研究發現，連續流錯流過濾在延緩膜污染方面更具優勢。本文通過在中空纖維膜錯流過濾時增加曝氣，形成氣液兩相流，探究曝氣量、跨膜壓差(TMP)、進水流量等影響因素對中空纖維膜膜通量以及截留率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及裝置

試驗中空纖維膜采用PVDF膜，內徑為1.2 mm，外徑為1.8 mm，長度為1.4 m，有效過濾面積為0.008 m2，截留分子量為80 000 Da。

試驗以水廠高密度沉淀池進水為原水，CODMn的含量約為3 mg/L，渾濁度約為1.2 NTU。

試驗裝置流程如圖1所示。由離心泵將原水輸送入進水桶，再通過進水泵將原水壓入中空纖維膜組件進行錯流過濾，一部分通過濾膜排至凈水桶，剩余液回到進水桶循環操作。反沖洗時，通過反沖洗泵將凈水桶內的水壓入中空纖維膜組件進行反沖洗，而后通過回流管道回到進水桶。通過空氣壓縮機為過濾與反沖洗提供曝氣，調節中空纖維膜組件的進出口閥門以及回流閥門改變TMP和進水流量，通過調節曝氣管道閥門改變曝氣量。中空纖維膜組件進出水流量和壓力分別由流量計和數字壓力表在線測量，曝氣量通過氣量計進行觀測。

注：1—進水桶；2—中空纖維膜組件；3—凈水桶；4—旋轉閥；5—數顯壓力表；6—止回閥；7—流量計；8—進水泵；9—氣量計；10—空氣壓縮機；11—反沖洗泵圖1 試驗裝置流程圖Fig.1 Flow Chart of Experimental Device

1.2 分析方法

常規污染指標CODMn按照《生活飲用水標準檢驗方法 有機物綜合指標》(GB/T 5750.7—2006)酸性高錳酸鉀滴定法進行檢測，每組數據測定3次取平均值。渾濁度使用WZG臺式濁度儀進行檢測。

膜通量J計算如式(1)。

J=Q/S

(1)

其中：J——膜通量，L/(m2·h)；

Q——中空纖維膜組件出水流量，L/h；

S——中空纖維膜組件有效過濾面積，m2。

截留率R計算如式(2)。

R=1-ρ1/ρ0

(2)

其中：R——截留率；

ρ1——中空纖維膜組件出水中CODMn的質量濃度，mg/L；

ρ0——中空纖維膜組件進水中CODMn的質量濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 曝氣量的影響

試驗中控制進水流量為0.48 m3/h、TMP為0.02 MPa，持續運行3 h。改變曝氣量(0、90、120、150、180 L/h)分別進行試驗，記錄膜通量的變化(圖2)，并得到對渾濁度的去除效果與對CODMn的截留效果(圖3～圖4)。

圖2 不同曝氣量下膜通量隨時間變化Fig.2 Variation of Membrane Flux with Time under Different Aeration Rates

圖3 不同曝氣量下對渾濁度的去除效果Fig.3 Turbidity Removal Efficiency under Different Aeration Rates

圖4 不同曝氣量下CODMn截留率Fig.4 CODMn Retention Rate under Different Aeration Rates

由圖2可知，隨著過濾時間的增加膜通量逐漸降低，直至降低到一定程度，達成動態平衡狀態。與曝氣量為0時的試驗數據對比，增加曝氣后膜通量的衰減情況有了明顯的改善，穩定以后的通量明顯高于曝氣量為0時的穩定通量。說明加入曝氣后形成了氣液兩相流，導致中空纖維膜組件內原料液的湍流程度增加，原料液所施加的平行于膜面的切應力隨之增加，同時膜絲表面受到氣泡的沖刷，使得在膜表面沉積的污染物質不斷被帶走。氣泡沖刷作用產生膜絲擾動現象，更加有效地抑制了濾餅層的形成，使濾餅層的厚度維持在較低的水平，減小了凝膠層的厚度，削弱了濃差極化帶來的影響，因此，膜通量有了明顯的升高，有利于膜傳質。

圖2表明在一定范圍內，隨著曝氣量的增加，中空纖維膜組件的穩定膜通量逐漸增大。當曝氣量為120 L/h時，中空纖維膜穩定膜通量最大，與曝氣量為0時的單相流錯流過濾相比，穩定膜通量增加了65%。但當曝氣量大于120 L/h時，進一步增大曝氣量，膜通量反而出現了降低的現象，說明過高的曝氣會對中空纖維膜錯流過濾系統造成負面影響，與曝氣量為120 L/h時的穩定膜通量相比，曝氣量為150 L/h和180 L/h時分別衰減了5.88%和11.76%。這說明當曝氣量超過120 L/h時，中空纖維膜組件的穩定膜通量隨著曝氣量的增大而減小。這是因為當曝氣量過高時，受過高的剪切力會產生細小污泥顆粒，增加直接堵塞膜孔的機會，另一方面，過高的曝氣量產生的氣泡附著在膜絲表面，減小了濾膜的有效過濾面積。因此，增加曝氣形成氣液兩相流以后，可以起到緩解膜污染、增加膜通量、增強傳質的作用，且在一定范圍內，中空纖維膜組件穩定通量隨著曝氣量的增加而增大。

由圖3可知，增加曝氣形成氣液兩相流后，渾濁度的去除率不論是在初始狀態還是穩定狀態均高于無曝氣單相流過程。無曝氣單相流條件下中空纖維膜組件對渾濁度的初始去除率和穩定狀態去除率分別為 87.6%和94.7%。氣液兩相流條件下曝氣量為120 L/h時，對渾濁度的初始去除率和穩定狀態去除率分別為90.2%和96.5%；曝氣量為180 L/h時，中空纖維膜組件對渾濁度的初始去除率和穩定狀態去除率分別為87.7%和94.9%，可以發現隨著曝氣量的增加，去除率均呈現先增加后減少的現象。這是因為增加曝氣以后，氣泡的沖刷作用以及膜絲擾動現象導致中空纖維膜表面吸附沉積的污泥被快速帶走，膜表面濃度降低，更多的溶質隨著回流被帶走，減小了溶質通過概率，因此，會產生去除率增加的現象。但當曝氣量過高時，膜絲擾動作用過強，濾餅層過濾作用減弱，且過大的曝氣量所帶來的剪切作用增強，會產生更多的細小污泥顆粒，增加溶質通過膜孔的概率，因此，當曝氣量過高時，會產生去除率下降的現象。

由圖4可知，增加曝氣形成氣液兩相流以后，對CODMn的穩定截留效果有了明顯提升，這是因為增加曝氣以后，氣液兩相流能起到緩解膜污染、減弱濃度極化差的效果，膜表面濃度較低，溶質通過也相對減少，因此，截留率有所升高。結合圖3與圖4，隨著曝氣量的增加，渾濁度的截留效果變化更加明顯，初始截留率的變化比穩定狀態截留率的變化更加明顯。CODMn截留率的變化主要體現在有曝氣與無曝氣時穩定截留率的變化，增加曝氣量以后，對CODMn的穩定截留率提升了11.5%，有曝氣時，增加曝氣量對于CODMn的初始截留率影響不大。因此，綜合考慮膜通量變化、渾濁度去除效果以及CODMn的截留率，最適宜的曝氣量為120 L/h。

2.2 TMP的影響

圖5 不同TMP下膜通量隨時間變化Fig.5 Variation of Membrane Flux with Time under Different TMP

圖6 不同TMP下對渾濁度的去除效果Fig.6 Turbidity Removal Efficiency under Different TMP

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

試驗中控制進水流量為0.48 m3/h，在曝氣量為120 L/h的條件下持續運行3 h。改變TMP(0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 MPa)分別進行試驗，記錄膜通量的變化(圖5)，并得到對渾濁度的去除效果與對CODMn的截留效果(圖6～圖7)。

由圖5可知，隨著過濾時間的增加，膜通量逐漸降低，然后趨于穩定狀態。觀察發現TMP為0.010、0.015、0.020、0.025、0.030 MPa時，90 min膜通量較初始通量分別衰減了17.2%、17.7%、19.1%、21.4%、22.2%。由前90 min膜通量變化可知，隨著TMP逐漸增大，膜通量的衰減速率也逐漸增大，且膜通量的衰減速率與TMP強度基本呈線性關系。隨著TMP增大，膜通量增大，膜表面污泥快速堆積，更多溶質通過中空纖維膜，膜表面的濃度極化差加劇。因此，在前期時TMP越大，膜通量的衰減越明顯。同時，可以觀察到較低的TMP下，通常在210 min才會達到穩定狀態。當TMP達到0.020 MPa以上時，在180 min可達到穩定狀態，這是因為受到膜表面污泥快速堆積的影響，濾餅層形成早，達到穩定狀態的時間相對縮短，因此，在高TMP下能更快達到平衡狀態。

由圖6可知，TMP為0.030 MPa時對渾濁度的初始去除率與穩定去除率分別為85.3%、93.5%，較TMP為0.010 MPa時的初始去除率(90.3%)、穩定去除率(96.5%)，去除率的降低率分別為5.54%和3.11%。隨著TMP逐漸增大，對渾濁度的初始去除效果與穩定狀態去除效果均有所降低，這是由于TMP增大，膜通量增加，濃差極化現象加劇，膜表面濃度升高，溶質通過增多，因此，初始去除效果隨著TMP升高衰減越明顯；當達到平衡狀態，在膜表面濾餅層過濾作用下，雖然高的TMP仍然具有較高的膜通量，但一部分溶質被濾餅層過濾截留，然后受到錯流過濾剪切力的作用隨濃縮液回流，因此，穩定狀態去除率衰減較少。

由圖7可知，隨著TMP的增大，CODMn的初始截留率有所減小，穩定截留率基本不變。主要是因為隨著TMP的增大，膜通量相對增大，溶質通過增多，引起了初始截留率的降低，隨著運行時間的增加，中空纖維膜表面的濾餅層逐漸形成，對以顆粒狀以及膠體狀存在的CODMn去除率提高，同時濾餅層內附著的微生物提供了一部分生物降解作用。因此，達到穩定狀態時，濾餅層形成并穩定，TMP對CODMn的截留率影響不大。因此，綜合考慮膜通量變化、渾濁度去除效果、CODMn的截留率以及設備運行效果，最適宜的TMP為0.020 MPa。

2.3 進水流量的影響

圖8 不同進水流量下膜通量隨時間變化Fig.8 Variation of Membrane Flux with Time under Different Inflow Rate

圖9 不同進水流量對渾濁度去除效果Fig.9 Turbidity Removal Efficiency under Different Inflow Rate

圖10 不同進水流量下CODMn截留率Fig.10 CODMn Retention Rate under Different Inflow Rate

試驗中控制TMP為0.020 MPa，在曝氣量為120 L/h的條件下持續運行3 h。改變進水流量(300、360、420、480 L/h)分別進行試驗，記錄膜通量的變化(圖8)，并得到對渾濁度的去除效果與對CODMn的截留效果(圖9～圖10)。

由圖8可知，隨著過濾時間的增加，膜通量逐漸降低，并趨于穩定，進水流量為480 L/h時的穩定膜通量為108.75 L/(m2·h)，較初始膜通量157.50 L/(m2·h)降低了30.95%；進水流量為300 L/h時的穩定膜通量為52.50 L/(m2·h)，較初始膜通量101.25 L/(m2·h)降低了48.10%。說明進水流量越低，膜通量衰減越明顯，增大進水流量可以起到增大膜通量、降低膜通量衰減率的作用。這主要是因為中空纖維膜錯流過濾過程中，水流方向與中空纖維膜絲方向平行，在增大進水流量過程中，增加了中纖維膜組件內的膜面流速，隨著中空纖維膜組件內膜面流速的增大，原料液對于中空纖維膜表面的沖刷作用相對增強，氣液兩相流的湍流程度也相對增強，進一步減小了濃度極化差現象，使得膜通量得以提高。

由圖9～圖10可知，增大進水流量后渾濁度的去除效果和CODMn的截留率無明顯變化。分析原因可能是本試驗為平行錯流過濾，進水流量增大引起膜面流速增加，對中空纖維膜膜表面的沖刷作用加強，主要起到了緩解膜表面污染、增加膜通量、延長過濾時間的作用，對截留作用影響不大。因此，綜合考慮膜通量變化、渾濁度去除效果、CODMn的截留率以及設備運行效果，最適宜的進水流量為480 L/h。

3 結論

(1)在過濾時增加曝氣，形成氣液兩相流對錯流過濾過程有著明顯的強化作用。曝氣量為120 L/h時效果最好，比無曝氣單相流錯流過濾條件下穩定通量增加了65%。氣液兩相流對于中空纖維膜錯流過濾的影響主要體現在以下幾個方面：一方面，增加曝氣形成氣液兩相流，氣泡可以起到沖刷膜表面的作用，同時還使中空纖維膜組件內流體的湍流程度增加，削弱了濃差極化所造成的影響，使中空纖維膜組件的穩定狀態膜通量增大；另一方面，受曝氣的影響造成膜絲擾動現象，進一步減少了污泥在中空纖維膜膜表面的堆積，減少錯流過濾過程中的膜面污染，增加了錯流過濾運行時間，進而減少中空纖維膜反沖洗的次數與沖洗強度，有利于工程實踐運用；最后，曝氣量過大會導致微小污泥顆粒的產生，增加堵塞膜孔的概率，降低膜通量。

(2)氣液兩相流與無曝氣單相流相比，在延長過濾時間、提高膜通量、緩解表面膜污染、改善對渾濁度的去除效果與CODMn的截留效果方面均有明顯的強化作用。在氣液兩相流條件下，隨著TMP增大，膜通量增大，膜通量的衰減速率增大，對渾濁度的去除效果與CODMn的截留效果降低，改變進水流量主要影響了過濾時間與膜通量變化，對渾濁度的去除效果與CODMn的截留效果無明顯影響。