（环境工程专业论文）中空纤维膜生物反应器组件局部污染特征分析及曝气构型优化.pdf

摘要 针对膜生物反应器( m b r ) 运行过程中膜污染和运行能耗高的问题，本论 文对中空纤维膜生物反应器中膜组件、反应器构型及曝气方式这几个方面进行了 优化研究。 首先，论文对中空纤维膜组件过滤特征进行了分析，以实验的方式对膜污染 不均匀发展过程进行了研究，通过对中空纤维在不同运行通量状态下局部污染的 过程分析得出以下结论：中空纤维膜组件膜污染过程呈现不均匀性和阶段性。通 过运用响应曲面，对建立的中空纤维膜组件特定条件下膜阻力动态数学模型分析 发现，在次临界通量状态下，膜丝长度及运行时间均存在最佳值。在通量为 1 6 l m h 时，此时膜丝长度及运行时间分别为o 4 3 m 、3 8 h 。而在临界和超临界状 态下，膜阻力与运行时间及膜丝长度成正比。 其次，运用c f d 对r 曝气构型( “对齐”曝气，“间隔”曝气，“对齐” 导流曝气和“间隔”导流曝气) 进行了数值模拟，分析导流作用对曝气效果的影 响，对曝气方式进行了优化。通过模拟分析得出以下结论：通过二维模拟发现， “间隔”曝气时各气水比的气含率均比“对齐”曝气时大，其膜丝的抖动和吹扫 不如“对齐”曝气的效果好。当气水比为1 5 ：l 时，反应器内气含率分布均较大， 流场内的涡流均非常明显，整个场内形成了循环流动。通过三维模拟发现，“对 齐曝气和“对齐 导流曝气两种反应器构型流场内的气泡轨迹倾向于流向膜组 件中心位置，然后在膜组件顶端散开：导流作用对反应器内气含率分布的影响不 是很大，但对速度场分布特性影响显著；对体积缩小1 0 0 0 倍的对齐导流小型模 型装置进行了实验验证，表明与实验结果基本相一致；通过对曝气方式的优化模 拟发现，不均匀曝气方式改善了气体分布状况，提高了反应器内气含率和流场的 湍流强度。 通过对中空纤维膜生物反应器中膜组件、反应器构型及曝气方式这几个方面 的研究，本论文建立了特定条件下的膜阻力动态模型，得出了在特定条件下膜组 件的最佳运行时间及最优尺寸；并从流体力学角度运用c f d 对反应器构型及曝 气方式进行了优化分析，并提出了曝气构型的优化方案。 关键词：膜生物反应器；中空纤维膜组件；膜污染；曝气构型；优化 a b s t r a c t mt h i sp 印e r ，a c c o r d i n gt 0t h cm e m b m mf o u l i i l ga 耐h i g he m r g yc o n s u n 甲t i o n d 啊i 1 1 9t h co p e r a t i d no fr 瞻m b r a 鸸bi o r e a c t o b t h c o p t i i t l i z a t i o n 砖s e a r c hw a s p e r 如r i 】舱dt ot h e1 1 1 e m b m mm o d u k s ，r e a c t o r 萨o m e 时a n da e r a t j o n 脚d e f i r s to fa l lt h e1 1 0 l l o w 胁e r 傩；嘲b m f i l 怕t b nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eu m v e n d e v e l o p 艘n tp r o c e s so fm e m b m 艘f o u l 吨w e r ea m l y z e d b ym e a n so fe 冲e r i m e m t h u 曲t h ea n a l y s j so fb c a l 南u l i n go f t h eh o u o w 舶e r i i li i i 腩r e 】n r tr u n n i i l gn u xs t a t e ， i td m w st h e 白l l o w i f l gc o m l u s b n s t h em ：m b r a m 南u l i i l gp r o c e s sp r e s e n t st h e i n h d m o 筘n e i t ya 耐d i 侬r e n ts t a 萨s t h r o u 曲t h ea m l y s i so f 腿m b r a mr e s i s t a m e d v m l l l i c眦t h e n l a t 记a lm o d e lo ft h eh o l l o w 肋e r 雠m b m m 瑚d u l eu s m g t 1 1 e 佗s p o r 】s es 蠡犯eu n d e rt h es p e c j ：f i cc o l l d i t b n s ，证s h o w st h a tu n d e rs u b c r “j c a lf i u x ， m e 曲r a n e 硒e rl e n 卧a n dt h er u n n i n gt i r l l ee x i s tt h eo p t i r i l i z a t i o nv a l u e s i nt h en u x o f1 6 l m h ，t h eo p t i m a l 胁e rb n 舀ha n dr u l l n i n gt i m ea 佗陀s p e c t i v e l y0 4 3 ma n d 3 8 h 、胁i l eu n d e rt l 】ec r i t i c a la n ds l 】p e r c r i t i c a ls t a _ t e s ，t h er 豫m b r a mr e s l s t a n c em c r e a s e s w 曲t h er u l l l l i i l gt i m ea n dm e r n b r a m 肺e rl e n 蚰m c r e a s i n g s e c o n d 蚍ac f ds m l u l a t i o nw a sp e r 旬r m e d 协r e s e a r c h t h er e a c t i o nt a n k c o n f i g u r 2 l t i o n( ”a l i g r i r n c n t ” a e r a t b 呜”a l i g n m e n t d i v e r s i o na e r a t i o n ， ”i i l t e r v a l ” a e r a t i o na r x l ”缸e r v a l d i v e r s i o na c r a t i o n ) ，a m l y s et h ce 艉c t o f d i v e r s i o no na e r a t i o n 柚do p t 狐i z et h ea e r a t i o nm o d e t h m u 曲t h cs i f n u l a t i o na n a l y s i s ，i t d r a w st h c 旬l l o w i i l gc o f l c l u s i 0 璐t h o u 曲t h et w o d i i l l e l l s i o m ls i m u l a t b n s ，t h e ”a l i g n m e m ”g a s d i s 廿i b m i o n 砖b e t 锻t h a n ”m t e r v a l ”，w h i c hj sn d r ee 仃e c t i v e 证s w e 印i n gh d u o w 伍e r w h c nt h cw a 懈m t i oo f1 5 幻l ，t h eg 瞒h 0 h 坤d i s t 而u t b nbh r 寥la 1 1 dt h ef b w v o r t e 璐a r ev e r vo b v i o u s ，妇e m 砘& l df o r m sac 她u l a r f l o wt h r o u g h3 _ d s i i n u l a t i on ，t h cb u b b l e 缸司e c 铆i e so f ”a l i g 舢e n t ”a n d ”a l i g n m e n t ”d i v e r s i o na e m t b n c o n f i g u r a t b nt e n dt 0t h e 雠曲r a m c e m e rp o s i t i o n ，t h e n 幻拈p e r s eo nt h et o po f 。t k m e 曲啪ec o n l p o m n lt h ee 雎c to fd i v e r s b no n 铲sh 0 h 叩d i s 劬慨ni s i n a p p a r e 觚b u ts i 鲈疵a n to nt kv e b c 赴yd 姗i b 曲r le 坤e r 砥i 吐w i t hl o o ot 嘛s s 眦l l e r f a l i g n m e m ”d i v e r s i o n1 1 a sb e e np e r 仍r 膳dt op r o v et h es i m u l a t i o na n dt h e e x p e r 疏m a lr e s u l t sa r ec o 璐i s 毛e 畦a nu 地v e na e r a t i o nm o d ew a s b e e ns i n l u l a t e d ，t h e 托s u hs h o w st h a t 缸c a ni m p r o v e 弘sd i s 仃如u t 幻na n dt h et u r b u l e n c ei n t e n s i t y t h o u g ht h e 陀s e a r c ho f t l en 烈n b r z l 眦m ) d u l e s ，r e a c t o r 拳o m e 廿ya n da e r a t i o n m d d e ，t h em e m b r a 豫r e s i s t a m ed y m m i cm a t h e m a t i c a lm d d e lw a s s e tu p ，a 耐t h eb e s t m i l l l i l l g t i r i l ea n dt h c o p t h a l m ol u d e l c n 酵hw e r eo b t a i f l e du n d e rt h es p e ci f i c c o n d i t b n s f r o mt h cv i e wo fh y d r o d y n a m i c s ，r e a c t o r 萨o m e t r ya n da e m t i o nn d d e w e r e b e e no p t i i t l i z e db yu s i l l gc f d ，a i 】dt h ep o t i i n a la e m t i o nc o n f i g u r a t b nw 嬲b e e n p 咀f o r w a r d k e yw o r d s ：m ：m b r a 豫b i o r e a c t o r ；h o l l o w f 弛e rm 。n l b r a m ；m e m b r a m 白u l 访g ； a e r a t i o nc o n f i g u r a t i o f l ；o p t i m i z a t i d n 学位论文的主要创新点 m f i | l f f f i f f | | f i i l i | i l | f i f l i | | f i i i i | l f i | i l | f l i i y 2 0 5 9 15 9 、本课题基于中空纤维膜不均匀污染理论，运用实验手段对中空 纤维膜过滤过程建立了符合实验运行条件的数学模型，从数学 角度对中空纤维膜尺寸及运行时间进行了优化。 二、本研究基于c f d 数值模拟从流体力学角度对膜生物反应器曝 气构型进行了全尺寸模拟优化，分析了不同曝气构型流场特性， 并提出了曝气构型的优化方案。 第一章前言 第一章前言 从1 9 1 4 年的开始应用活性污泥法以来，人们一直在不断研究和探索污水处 理技术。在缓解水资源问题上，活性污泥法一直以来都起到了非常重要的作用， 到七十年代时已经发展得较为成熟，也得到了非常广泛应用。目前，我国大部分 污水处理厂都采用传统活性污泥和生物膜工艺。但是，传统污水处理工艺也存在 着较多缺点，例如：占地面积大、出水水质差、污泥膨胀、产生大量剩余污泥、 能耗高等。因而，一种新型污水处理技术应运而生，这就是膜分离技术。 膜分离技术集成了高分子材料科学、物理化学、有机合成、分离工程、机械 设备等多学科内容。除应用在水处理过程外，膜技术也广泛应用于能源、电子、 石油化工、医药卫生、生化、冶金、轻工、食品等领域。膜技术的发展得到了世 界各国政府和科学家的高度重视。美国官方文件在提到膜分离技术的重要性时 说，“1 8 世纪电器改变了整个工业过程，而2 l 世纪膜技术改变了整个世界”。国 际学术界一致认为：“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来。有关机构也指 出：膜技术与光纤、超导等技术将成为主导未来工业的六大高新技术之一，也将 是21 世纪十大高科技产业之一。可见，发展膜分离技术对于经济发展和学科建 设具有重要而深远的意义。 膜生物反应器( m e n 由m mb i o r e a c t o r ，简称m b r ) 作为目前应用最为广泛 的膜分离技术，具有分离效率高、占地面积小、出水水质高、污泥产率低、操作 简单、易于管理等优点，已成为解决能源、资源和环境污染等问题的重要高新技 术，在工业上得到广泛应用。然而，r 运行过程中遇到的最主要问题就是膜 污染和高能耗，严重制约着其在水处理中的应用。因此如何降低膜污染和运行能 耗是目前膜应用领域的研究热点。围绕着这两个方向，对膜生物反应器的优化成 为各学者的研究热点。 c h a n gs ，f a mag 【1j 等人就研究了膜丝内部的流态特性，通过对达西定律 ( j _ p 烬) 、n a v i 小s t o k e s 方程，简化得到的单根纤维膜传质模型，并建 立了单端中空纤维膜组件过滤特性的压力通量数学模型。王捷、顾平【2 3 】等对浸 没式中空纤维组件进行了优化设计，包括优化函数和传质模型的建立，纤维尺寸、 松弛度、填充密度、排布方式的选择、膜组件外形和尺寸的优化设计。彭文博等 人【4 】用c f d 对不同通道数不同孔径的多孔陶瓷膜在操作压力0 1 a ，膜面流速 3 r 1 1 s 1 的条件下研究了不同通道内压力梯度分布情况及速度矢量图来分析水流在 陶瓷膜中分布情况。陆gk s l i e 【5 】等人将浸没式中空纤维r 中的中空纤维膜 组件在c f d 中转换为多孔介质模型，这个多孔介质模型是三维的多相流模型以 】 天津工业大学硕士学位论文 此来观察大型r 膜组件中的水力特性。 黄霞，卜庆杰【6 7 】等人对m b r 的运行特性进行了一系列研究，包括：反应器 结构和工艺的优化设计，对反应器的曝气量也进行了优化研究。通过实验，测定 了反应器中膜间液体错流流速的分布和大小，并考察了曝气量和反应器结构对膜 污染的影响。s l 】a l ( a 幻【8 】等针对缠绕式膜的形状对水利特性和质量转移的影响进行 了三维c f d 模拟，结果表明了膜丝长度，粗细程度和水流进水位置等参数对壁 面剪切力和质量传递系数有较大的影响。韩杰【9 】等运用多项流e u l e r i a n 模型，对 曝气槽的内部流场的流态进行了模拟分析，结果得到包括气液两相多个截面的速 度场及局部气含率分布等信息，并证明了c f d 技术在r 中应用的可行性。 李金【1 0 】等对浸没式超滤膜过滤器内流场进行了数值模拟，通过计算得到过滤器 内流体速度场，压力场和紊流强度的分布情况，并针对膜组件放置位置不同，对 3 种方案进行了分析比较。 从上述学者对膜生物反应器的优化研究可以发现，其研究大至分为两个方 面：一是从膜组件角度，研究膜组件及膜组件内部的流态特性，膜丝腔内的流动 状态以及膜污染机理，及膜纤维过滤数学模型的建立等。二是从反应器构型及曝 气角度，研究膜过滤反应器外部结构和工艺流程的优化以及反应器中的气水流态 分布及特征等。这些研究均是围绕膜污染及运行能耗展开的，所需的工作量均非 常大。因此如何将这些研究成果进行理论分析，运用先进的实验手段进行科学解 答，减少实验工作量是未来研究重点。 1 1 膜生物反应器 1 1 1 膜生物反应器简述 r 是一种膜分离技术与生物处理技术有机结合的新型废水处理技术：( 1 ) 它用膜组件取代活性污泥池中的二沉池。( 2 ) 在生物反应器中保持较高污泥浓度。 ( 3 ) 剩余污泥量少。作为新型的水处理技术，它首先利用生化技术降解水中有机 物，驯养优势菌类、阻隔细菌，然后利用膜技术过滤悬浮物和水溶性大分子物质， 降低水浊度，达到排放标准。膜生物反应器技术可广泛用于污水处理和中水回用 等领域。m b r 在国外污水处理中的应用开始于2 0 世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年，美 国s m i t h 等人用高效膜分离技术代替二沉池，构成了膜生物反应器工艺的雏形。 进入2 0 世纪7 0 年代，由于当时膜组件的种类很少，膜的寿命通常很短，这就限 制了m b r 工艺长期稳定的运行，从而也限制m b r 技术在实际工程中的推广应 用。进入2 0 世纪8 0 年代，法国、美国等国对膜生物反应器的研究投入了很大的 力量，为2 0 世纪9 0 年代r 的进一步推广应用奠定了基础。1 9 9 8 年初，欧洲 2 第一章前言 第一座应用一体式膜生物反应器的生活污水处理厂在英国的p o r b c k 建成运行， 成为英国膜生物反应器技术的里程碑。我国对m b r 的研究还不到十年，但进展 十分迅速。1 9 9 1 年1 0 月，岑运华介绍了m b r 在日本的研究状况。其后，密云 污水处理厂再生水厂、内蒙古金桥污水处理厂、北小河污水处理厂、写字楼、宾 馆、医院等生活污水处理回用等大、中、小型m b r 污水处理工程相继投入运行。 截至2 0 0 7 年底，全世界投入运行或在建的m b r 系统已超过2 5 0 0 套。 1 1 2 膜生物反应器分类 r 由膜组件与生物反应器组成，根据膜组件在生物反应器中的作用不同， r 可分为分离m b r 、曝气m b r 和萃取r 。目前在废水处理中研究、应 用比较多的是分离m b r 根据膜组件和生物反应器的组合方式以及生物反应器的 类型。可将膜生物反应器分为三种类型，即【1 1 1 ：分置式m b r 、一体式m b r 和 复合式r 器如图1 1 。 ( 1 )分置式m b r 分置式r 的膜组件与生物反应器分开设置，该工艺膜组件和反应器各自 分开，因而不相互干扰，控制调节比较方便。由于膜组件置于反应器之外，清洗 更换较方便。但其能耗较大，需要加压泵提供高压，使膜表面形成高速错流，延 缓膜污染，这是其成本费用大的主要原因，出水的能耗为2 1 0 k w l l m 3 ，成本较 传统活性污泥法高出l o 2 0 倍。 ( 2 )一体式膜生物反应器 日本是最早发展一体式r 的国家，主要用来处理生活污水，近年来，许 多欧洲国家也开始关注它的研究和应用，一体式r 的膜组件直接安置在反应 器内部，以重力水头或加压泵作为出水动力。该工艺膜组件置于反应器之中，缩 减了系统的占地面积，而且该工艺用真空泵抽吸出水，能耗费用远低于分置式 m b r ，出水能耗约是分置式的l l o 。如采用重力出水，则可完全节省这部分费 用。但由于膜组件浸没在反应器中，因此污染较快，清洗比较困难。 ( 3 ) 复合式旧r 复合式m b r 也是将膜组件置于反应器之中，依靠重力或负压出水，但其在 反应器中放置填料，形成复合式处理系统。填料的放置有以下两个优点：改善 系统的抗冲击负荷能力，保证系统的出水水质；降低了反应器中悬浮性活性污 泥浓度，对膜污染有一定的减缓作用，保证较高的膜出水通量。复合式m b r 中， 由于填料上附着大量微生物，因此对污水有较好的处理效果并有一定抵抗冲击能 力，同时降低了悬浮性污泥浓度，从而延缓了膜污染。 天津工业大学硕士学位论文 ( a ) 分置式m b r 广刊l ，_ 二 ( b ) 一体式m b r ( c ) 复合式做 图1 1 m b r 的三种类型 1 1 3 膜生物反应器的特点 ( 1 ) 去除效率高 m r 对悬浮固体( s s ) 的去除效果非常好。由于膜组件对反应器中的悬浮物 和污泥的高效截留作用，其固液分离效果远好于二沉池。r 对s s 和浊度的去 除率均在在9 0 以上，对s s 的去除率甚至可达到9 9 1 0 0 。由于膜组件的分 离作用，使得反应器中的污泥停留时间( s r t ) 和水力停留时间( m 玎) 是彼此独立 的，反应器内能维持较高的污泥浓度，最高可达4 0 5 0 l ，这样就降低了反应器 内的污泥负荷，提高了r 对有机物的去除效率，对生活污水中b o d 和c o d 的去除效率可达到9 5 以上。同时为时代时间较长的硝化细菌提供了良好的生长 环境，保证了对有机物的高效降解外，还提高了对氨氮的去除作用。研究表明， r 对生活污水的氨氮的去除率在9 8 以上，出水氨氮不超过lm l 。此外， r 中若膜组件的孔径选择合适，也能较好截留细菌和病毒，从而可将消毒工 艺省去，简化工艺流程。虽然好氧r 工艺对t p 的去除效率较差，但通过采 用好氧与厌氧联合处理，对t p 的去除有较好的效果。 ( 2 ) 操作简单易行 在污水处理中，传统水处理工艺( 格栅+ 沉砂池+ 初沉池+ 曝气池+ 二沉池+ 消 毒池) 工艺繁琐，占地面积大，而处理水质不稳定。而m b r 工艺( 筛网过滤+ m b r ) 流畅简单、占地面积小、处理效率高。其出水量可通过增减膜组件的片数进行调 整，操作简单易行。r 由于不用二沉池进行同液分离，对于传统的水处理工 艺中的污泥膨胀现象，可以轻松解决。这样，管理操作程序方便简单，自动化较 4 第一章前言 高。出水水质稳定质高。 ( 3 ) 剩余污泥少 r 工艺中，污泥浓度较高，反应器内污泥负荷较低，微生物生长缓慢， 污泥产率低，剩余污泥少。m b r 中s r t 较长，较高浓度的剩余污泥不用进行浓 缩就可直接脱水排放，污泥处理的费用得到了节省。研究表明r 处理生活污 水时，其适宜的污泥龄在3 5 d 左右。因此，m b r 工艺具有其他处理工艺无法比 拟的优越性，在水处理领域应用前景非常广泛。 1 1 4 膜生物反应器应用现状 凇r 在全球水处理领域的迅速推广，得益于各同在该技术研究方面的大量 知识储备，以及科技和社会进步对人类的影响。r 的工程业绩从城市污水深 入到各种工业废水，进而过渡到给水处理，从而出现了r 在水处理领域的各 个方向共同发展的新局面。2 0 世纪7 0 年代后期，大规模好氧m b r 首先在北美 应用，然后依次为日本、欧洲、中国。m b r 在不同水质的废水中均有较广泛的 应用，其比例为生活污水2 7 、工业废水2 7 、大楼废水2 4 、土地填埋厂渗 滤液9 、城市污水1 2 。目前国内r 的应用已进入实用化阶段。从生活废 水到难降解工业废水和高浓度有机废水都是r 的处理对象，如：屠宰废水、 食品废水、粪便废水、化工废水、制药废水、黄泔废水等都有较好的处理效果。 ( 1 )垃圾渗沥液处理 垃圾渗沥滤液中污染物浓度非常高，其水量和水质均随季节与操作条件变 化。从1 9 9 4 年开始，多家污水处理厂就开始运用r 技术进行处理【1 2 】。采用 r o 和r 工艺相结合，能够去除有机物和氮和s s ，而且对重金属与盐类也能 有效去除。美国某公司开发出一种用于沥滤液的r 工艺，在新泽西建成了一 个处理量为1 6 0 0 删的装置。该种r 对沥滤液中的烃和氯代化合物使用一种 自然存在的混合菌来分解，与常规废水处理装置相比，该种装置处理污染物的浓 度是其的5 0 1 0 0 倍。由于m b r 能够保留高效细菌并使细菌浓度达到5 0 0 0 0 l ， 是能达到这一处理效果的原因。在中试实验中中，原料液的c o d 为几百至 5 0 0 0 0 m l ，污染物的去除率达8 0 以上。 ( 2 ) 城市污水处理与回用 1 9 6 7 年，美国的d o r ro l i v e r 公司是第一座采用m b r 工艺的污水处理厂， 其处理能力为1 4i 们。1 9 7 7 年，在日本一幢高层建筑中，一套污水回用系统得 到实际应用。8 0 年代，两座处理能力分别为2 0 删和6 0 m d 的m b r 处理厂在日 本建成。至9 0 年代中期，其数量达到了3 9 座，最大处理能力可达5 0 0 删。据 报道，这些系统占地小，操作简单，管理方便，其出水水质达到深度处理标准， 天津工业大学硕士学位论文 系统中的污泥产量很小【1 3 】。 ( 3 ) 粪便污水处理 粪便污水含有机物较高，高污泥浓度能够满足传统的反硝化处理，造成固液 分离不稳定，对三级处理效果有较大影响。m b r 能有效地解决这一难题，能够 不经稀释而对粪便污水直接进行处理【h 】。日本在1 9 8 5 年将r 用于粪便污水 的处理，处理后的出水中不含固形物，c o d 与色度较低，系统运行稳定。 ( 4 )工业废水处理 2 0 世纪9 0 年代以来，除粪便污水、中水回用外，r 的处理对象不断拓 宽，工业废水处理中也得到了广泛应用，如石油化工废水、染料废水、处理食品 工业废水、水产加工废水、化妆品生产废水等【1 5 】。2 0 世纪9 0 年代初，美国在 o h j 0 建造了一套m b r 系统用于某汽车制造厂的废水处理，处理规模为1 5 1m 3 d ， 通过实验发现c o d 去除率达到9 5 ，油与油脂大部分得到降解。在荷兰，一脂 肪提取加工厂采用z e n 的膜组件代替沉淀池取代采用传统的氧化沟污水处理 技术，运行效果良好。 ( 5 )饮用水生产 由于农业生产中对氮肥与杀虫剂的过度使用，饮用水也受到不同程度的污 染。在2 0 世纪9 0 年代中期l y o n m i s e d e se a u x 公司开发出同时具有吸附杀虫剂、 生物脱氮功能的m b r 工艺，该公司于1 9 9 5 年在法国建成了日产饮用水4 0 0 m 3 的工厂，出水中杀虫剂和氮浓度浓度分别低于0 0 2 s l 和0 1 i t l s l 【1 6 1 。 1 1 5 膜生物反应器各运行参数的优化 m b r 是近年在回用技术和高效污水处理中受到广泛关注，但为了延缓膜污 染维持膜通量通常需要较大的曝气量，导致运行成本较高。如何降低能耗并保持 系统稳定运行是当前m b r 中的研究热点。如何使膜保持较高的运行通量，对 m b r 运行方式优化研究至关重要。目前，对膜组件和反应器的运行参数的优化 设计国内外学者做了大量的研究，力求通过设计合理的水力条件来实现膜污染的 延缓。如王捷等【1 7 1 建立了单个浸没式中空纤维的过滤模型，对双端出水的中空 膜纤维的外形尺寸进行了优化。膜污染控制可从操作条件的优化、混合液理化性 质、膜本身的理化性质的改善方面来考虑【1 8 琊】。目前操作条件的优化主要有以下 几个方面：( 1 ) 错流过滤：( 2 ) 间歇操作；( 3 ) 合理( 空) 曝气及曝气方式：( 4 ) 定期反 冲或反吹：( 5 ) 合理放置膜组件；( 6 ) 膜组件的结构。 6 第一章前言 1 2 膜污染 膜组件的出现，其高效的分离能力，一方面提高了处理水的出水水质，另一 方面对分离过程中膜污染的控制也提出了挑战。因此，要使膜组件获得长期稳定 的运行效果，必须研究膜污染机理及其成因。 1 2 1 膜污染定义 膜污染是指待过滤料液中的颗粒、胶体以及大分子溶质由于与膜存在物理、 化学作用或机械作用，引起的膜面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小甚至堵 塞，致使膜进水通量变小以及分离特性变差的现象【2 4 】。 膜污染可分为两大类：一类是膜孔污染，指污染物质附着于膜孔内部，造成 膜孔不同程度的堵塞；另一类是膜表面的附着层，又可分成四类：( 1 ) 溶解性无 机物过饱和、沉淀等积附于膜表面形成水垢层，主要有碳酸钙、钙、锶等的硫酸 盐及硅酸盐等无机结垢物质。( 2 ) 污染物质或微生物等吸附于膜表面形成吸附层； ( 3 ) 滤饼层堵塞；( 4 ) 浓差极化导致的膜表面凝胶层污染；理想的纯净水透过 未污染的膜，其膜通量可由d a r c y 定律表示1 2 5 j ： k p ，一一 溶时 公式( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：，为膜通量【m 3 ( 矗s ) d 】：为水的动力粘滞系数( m p a s ) ： 4p 为膜组件的操作压强( p a ) ；如，为膜本身阻力( i i f l ) 。 当水中含有杂质时，其膜通量要小于式( 1 1 ) 的给定值，由于浓差极化、 滤饼沉积和膜孔堵塞等造成膜阻力增加从而引起膜通量的降低。一般膜截留的颗 粒尺寸较大，因此浓差极化所引起的膜污染通常可以忽略不计。这样，式( 1 1 ) 可写为： 乒 望 ( 尺形+ 尺，+ r 。) 公式( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中：岛为膜孔堵塞的阻力( n r l ) ；尼为沉积滤饼的阻力( i l r l ) 。 当运行压力不变时，在过滤初始时刻，岛= o ，足= o ，此时膜通量为山，而 值主要取决于如，a 随着过滤时间的增加进行，膜孔的堵塞以及滤饼的沉积将会 导致忍和忌值的增加，这样微滤过程在极限理想的情况下，就会从受到膜本身 阻力影响转变为受到膜孔堵塞阻力或沉积滤饼阻力的影响。 但是需要注意的是，膜通量的减少可能是不同污染机理共同作用的结果，随 着时间的变化，相对占主导的污染机理也在改变。h e r n l a n s 【2 6 27 】建立了渗透液累 7 天津工业大学硕士学位论文 积透水体积诈与过滤时间c 的恒压阻塞关系模型： 参“( 老 公式( 1 式( 1 3 ) 中，七为膜组件的相关系数。对于不同的堵塞过滤型式，指数n 有不同的值。当n = 2 时，为完全堵塞过滤，此时微粒完全堵塞膜孔；当n = 1 5 时， 为标准堵塞过滤，此时微粒大部分被膜孔吸附；当n = i 时，为中间堵塞过滤，此 时微粒既堵塞膜孔又被膜孔吸附；当n = 0 时，为滤饼堵塞过滤，此时微粒沉积在 膜表面形成滤饼层。四种不同堵塞过滤形式的恒压阻塞膜过滤模型如图1 2 所示。 篇俪俪佣 a 完全堵塞过滤 b 标准堵塞过滤c 中间堵塞过滤d 滤饼堵塞过滤 图1 2 四种恒压阻塞膜过滤模型示意图 1 2 2 膜污染的影响因素 影响膜污染的主要因素包括三个方面：( 1 ) 膜的理化性质，如膜的亲疏水性、 孔径尺寸、膜的结构、材料、孔隙率以及组件的形状等；( 2 ) 待过滤液性质，如 溶质和溶剂的性质等；( 3 ) 膜分离过程的运行操条件，如湍流程度和错流速度、 过膜压力等。 膜组件在过滤过程中，可以通过鼓入气泡改善流体水力条件，增强膜表面剪 切作用来控制膜污染。另一方面，也可以通过组件优化设计来达到减缓膜污染的 目的。 1 3 中空纤维膜组件 1 3 1 中空纤维膜组件概述 r 主要由膜组件和生物反应器两部分组成，生物反应器是使污染物得到 降解，膜组件是起到过滤的作用，进一步净化水质。因此其膜组件在过滤过程中 起到至关重要的作用。膜组件是按一定技术要求将膜组装在一起的组合构件。膜 组件由膜、膜的支撑体、与膜组件外壳以及外接口组成。工业中常用的膜组件主 8 第一章前言 要有板框式、圆管式、卷式和中空纤维式如表1 1 。前者为平板膜，后三者为管 式膜。 表1 1 水处理中常用的膜组件的优缺点及其适用范围口8 】 中空纤维膜的实质是管式膜，两者的主要区别是中空纤维为无支撑体的自支 撑膜。中空纤维超滤膜的皮层一般在纤维的内侧，也有在纤维内、外侧皆有皮层 的双皮层。该双皮层结构赋予中空纤维膜更高的强度和可靠的分离性。中空纤维 超滤膜的直径通常为2 0 0 2 5 0 0 岬，壁厚约2 0 0 p m 。随着m b r 工艺的快速发展， 作为m r 的核心组成部分，中空纤维膜由于膜本身自我支撑、易于进行反冲洗、 组件的制作相对简单、经济等优点而受到广泛关注。中空纤维膜的主要优缺点如 下： ( 1 ) 优点：其优点主要体现在以下四个方面： 中空纤维膜组件的装填密度高，存留料液体积少。例如，一个直径7 6 c m ， 长6 3 c m 的组件，膜面积达l 3 砰，存留料液体积仅2 l 。 可以反洗清洗。这是因为中空纤维膜是自支撑膜，无非织布和多孔管等支 撑体与附其之上的聚合物膜在反压差下聚合物膜可能拖裂之问题的缘故。这个性 质对需频繁清洗的应用很具吸引力。 在相对低的体积流量下，便可获得高的传质速率，即高的剪切速率。这是 9 天津工业大学硕士学位论文 因为中空纤维膜管腔直径很小，较低的料液体积流量便可产生高剪切速率的缘 故。例如，装有直径o 2 1 1 m m 中空纤维膜的直径7 6 m m 的组件，在料液体积 流量4 0 1 9 0 l m i n 下，剪切速率可达2 0 0 0 1 6 0 0 0 s 。 泵能耗低。泵能耗的计算公式为e p = q p ，其中e p 为泵的能耗，q 为 总体积流速，p 为压力降。由于中空纤维组件运行中料液体积流量q 值低，且 产生的压力降p 适中，所以其能耗e p 较低。 ( 2 ) 缺点：其缺点主要体现在以下三个方面。 预处理要求高。为避免料液对中空纤维膜的堵塞，料液需要进行较苛刻的 预过滤，保证中空纤维膜孔径不被进料颗粒堵塞。 膜更换成本高。由于中空纤维膜的检验和修补十分繁琐，因而细微的破损 对导致整个膜筒的更换。 对粘稠液体处理效果不佳。为降低运行成本及膜污染，因此组件运行压力 不宜过高。而对高粘度液体进行过滤时，需要较高的错流速度，这必将导致较高 压力降，因此要求的较高的进口压力，故对粘稠液体的处理不宜采用中空纤维膜 组件。 1 3 2 中空纤维膜组件的研究进展 中空纤维膜的概念早在上世纪8 0 年代便已提出。t a i i m a 和m a m o t o 【2 9 】使 用u 型中空纤维膜组件进行了过滤实验，在膜丝周围间歇的鼓入气泡，通过对 膜丝的吹扫来去除附着的固体颗粒。e b a r a 【3 0 j 采用竖直的中空纤维膜束，以鼓入 气体晃动膜丝来去除滤饼。 y a m a 瑚t 0 【3 l 】等人于1 9 8 9 年第一次提出了在处理废水的m b r 中运用中空纤 维膜组件。为了改进m b r 的运行，y a m a m o t o 等人通过采用间歇曝气来改善反 应器内部的运行条件。e b a r a 采用连续鼓泡的方式，在实验中将膜丝分别采取水 平放置和竖直放置两种形式进行过滤。在进一步的实验研究中，他们将竖直放置 的中空纤维膜组件置于活性污泥池中，并通过曝气来控制膜污染。 z e n 公司在中空纤维膜系统中运用鼓泡方式进行污水的处理。其中的许多 方法已申请专利，如竖直膜丝底部安装支撑住等。通过改进，发展成为使用上下 支撑的竖直中空纤维膜组件，并在纤维束的边缘处设置鼓泡装置。 我国对中空纤维膜的研究工作起步比较晚，但发展十分迅速，并列入“九五 国家科技攻关课题，己取得阶段性发展。研究内容主要包括以下几个方面【3 2 3 6 】： 中空纤维膜污染与处理效果的因素、及机理的研究；中空纤维膜组件构型尺 寸的优化研究；中空纤维在r 中的应用研究。许多学者已在这方面做了大 量的研究：sc h a n g 和f a l l e a g 【2 4 j 等对中空纤维膜污染进行了机理探究；王捷【2 】 第一章前言 等对中空纤维组件构型尺寸进行了优化研究；黄霞【6 】等进行了中空纤维m r 处 理生活污水的中试研究。 1 4 计算机流体力学 1 4 1 计算机流体力学概况 2 0 世纪3 0 年代，由于飞机工业的需要，要求用流体力学理论来了解和指导飞 机设计，l a pl a c e 方程的流动模型被建立。随着飞机外形设计越来越复杂，出现 了求解奇异边界积分方程的方法。此后，为了考虑粘性效应，有了边界层方程的 数值计算方法，并发展成以位势方程为外流方程，与内流边界层方程相结合，通 过对粘性干扰流场采用迭代求解的计算方法。从此计算机流体力学走上了发展之 路。 值得一提的是，我国从2 0 世纪5 0 年代也开始了计算流体力学方面的研究【3 7 j ， 我国早期采用数值解方法对钝头体超声速无粘绕流流场进行模拟，研究钝头体绕 流数值解的反方法和正方法。随着我国航天事业的发展，数值计算方法的研究得 到了飞速发展。采用对定常欧拉方程对钝体超声速三维无粘绕流流场，并得出了 计算结果。 时至今日，计算流体力学发展了8 0 年，计算流体力学的应用已经从最初的航 空航天领域延伸到铸造、制冷、工业设计、船舶、海洋、化学、汽车等多个领域。 近几年来计算流体力学在航空宇航领域、水下流体领域、汽车等方面得到了广泛 应用。在解决工程实际问题方面计算流体力学具有重要的应用价值。当前的研究 热点包括计算方法的研究，湍流和涡运动的研究，研究计算机优化设计及网格生 成技术的研究，用于解决实际流动问题的研究等【3 8 。4 2 1 。 计算流体力学( c o n 驴l j t a t i o n a lf l u i dd m a m i c s ，简称c f d ) 是在计算机技术、 经典流体动力学和数值计算方法和基础上建立起来的；是使用数值计算方法，借 助计算机求解流体力学问题的科学。二十世纪中期，计算机技术得到飞速发展， 给流体力学带来了巨大的影响。由于对流体力学物理现象的研究已经建立起的流 体力学各类方程组，又由于求解非线性方程组的迫切要求等原因，流体力学极适 宜于“计算”分析。从六十年代起，随着流体力学的数值方法研究的蓬勃发展， 计算流体力学由此形成了一门崭新的学科。经过该领域专家们几十年的长期努 力，已取得了突破性进展。流体动力学的发展已进入了一个新的阶段。 流体动力学就其本质来说是求解描述流体运动的各类微分方程组的科学。计 算流体力学则是用数值方法求解流体运动的各类方程组，它的解是对微分方程的 精确近似。计算流体力学最基础的理论仍然是流体力学的基本定律，以自己的方 】1 天津工业大学硕士学位论文 法对流体力学方程组进行处理，突破了求解非线性偏微分方程的困难，大大缩短 了设计的时间，节省了设计费用。 描述流体流动的基本方程如下： 连续性方程： 动量方程： 篓+ 洲p ：o 公式( 1 4 ) o t 亟婴+ 咖“：州脬口d + 鼬一宅 亟尝+ 咖( p 1 ，：坊吠牌口d + 跏一罢 煎婴+ 挑( u ) ：扔吠解耐+ 跏一罢 公式( 卜5 ) 公式( 卜6 ) 公式( 卜7 ) 式中，f 时间( s ) ；尸是流体密度( 蚝m 3 ) ；u 为流体的速度矢量( m s ) ； 尸是压力( p a ) ：“，、吩别是z 、y 、z 方向的流速分量( m s ) ；为流体的动 力粘度( n s 稃) ；砌、跏、跳为动量方程的广义源项( n m 3 ) 。 c f d 是建立在数值计算方法与经典流体动力学基础之上的一门新型独立学 科，通过计算机数值求解和图像显示的方法，在空间和时间上定量描述流场的数 值解，从而对物理问题进行研究。运用c f d 模拟，可以大幅度减少实验工作量、 降低实验成本，通过对过滤反应器的内部流态特征和分布流场的数值模拟，可以 形象而直观地获得各个流动特征参数，从而对所需要研究及优化的模型进行流场 分析及相关优化。在某些不能进行实验研究的情况下，c f d 模拟还可用于指导工 程设计和施工，这也将是未来各种模型优化的理想选择之一。c f d 方法与传统的 理论分析方法和实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。 1 4 2 计算机流体力学方法 用c f d 技术进行数值求解的基本思路是：把原来在时间与空间坐标中连续 的物理量的场( 如浓度场，速度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代 数方程( 称为离散方程，d i s c r e t i z a t d ne q m t i o n ) ，通过对建立起来的代数方程进 行求解以获得变量的近似值【4 3 】如图1 3 。 第一章前言 建立控制方程，确定初始 条件与边界条件 初始与边界条件离散化 线性问题 划分子区域，确定节点 ( 区域离散化) 建立离散方程( 方程离散化) 解收敛否? 图1 3 物理问题数值求解的基本方程 解 的 分 析 图1 4 计算机流体力学流程图 工业中碰到的流动基本上属于湍流流动，水处理中也不例外。c f d 的各种数 值解法主要区别在于区域的离散方式、方程的离散方式和代数方程求解的方法这 三个环节上。目前得以应用的方法有：有限差分法( f m i t ed i 脏r e 眦e 雠t h o d ， f d m ) 、有限容积法( f m i 钯v o l u m e 雠t h o d ，f v m ) 、有限元法( f m i t ee l e m e l 吐 m e t l 的d ，f e m ) 及有限分析法( f m i t ea m l v t i cn l e t h o d ，f a m ) 。目前，应用最广 泛的，最成熟的方法是有限容积法【4 3 1 ，本数值分析也采用这一方法。计算机流 体力学软件通用流程如图1 4 。 1 4 3 计算机流体力学在膜生物反应器中的应用 目前，国内外应用c f d 对膜过滤技术的研究主要有两个方面：一是从膜组件 角度，研究膜丝内部的流场特性，p o l y a k o j 4 4 】运用数值模型对外端固定的中空纤 维膜过滤器进行了研究，得出了膜的渗透率与过滤深度，流量这三者的变化关系。 王捷等f 2 】建立了浸没式中空纤维的过滤数