（环境工程专业论文）旋流膜分离器处理低浓度含油废水的研究.pdf

硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 ab s t r a c t c o m b i n e d t h e m e c h a ni s mo f r o t 田 沙n o ws e p a 口 t i o n 胡d m e m b ianes e p ar 掀 1 0 几a new r o ta 甲n ow m e m b r ane s e p 肚 at o r 、 v a desi gnedb a s ed泥t h e th e o ryo f 仁 即 0 一h as e fl o wto 印p l y协 the 仃 e al m 七 n tof l o w con c e ” t ra t i on oi ly w 之 鱿 e w a 忱 二t 七 e。 ， 石 。 n pol a ri 乙 at l on isavoi d e d by r o t a t i o n o f fe edand t h e se d 七 n e n tson m emb r ane 、 ， e r e r edu ced e ffect iv el y byc u t fo rc e fromfi o wr o 切 t 1 0 n. b as edont heb as i c e quat i o nso f h y d r o d y n ami c s ， t h e d y n axni cal c h a r a c t e rso f the fl u i d inthe s 印盯 a t o r w e reana l y z e d . the m o v e m e ntc h a r a c t e rso f two 币 h as e fi ui dinthe se p a r at o r wered i s c usse d ; th e t hr e e 一 di m en s i o n v e l o c ity， th e d i strib u t 1 ngo f the pres s u r e al o n g wit h the r a d i usand th e di strib uting ofthe c utfo rc e inthe 祝s and r adialwere g i ven . inth e end j h e fo r c e su月 七 r i ngofth e oildr 叩was si m p l y di scu朋 ed t 七 e i duen c i n g fa c t o r s o f th e trea t 川 呱 o f o i l y was te w a t e r w i t h1 o wer c o n c e n t r a t i o n t hr o u ghhyd t o c 邓l one m emb r ane s ep a r a t o r w e r e re s e arch e d ， t h e resu l tso f e x p e ri m e nt s s h o wth a t the in c re as e o f m e m b r ane p r e s s ure brin g s a boutthe i m p roveme nto f the in iti al fl ux， w h i c h i n d u c e s th e fl uxd e c l in e so o ne r， and the o ntin 1 切 rnm e m b r ane p r e s 二 inthe st udyi so . o l mp a . i n c r e as eo f the i ni etfl ux r e d o und sto t h ei m p r o v e r n e nt o ft h e 韶 p ar a t ion e ffic i e n c yandthe o i l re t e n ti o nrati o . a l o n gw i t hthe i n c re as eo ffe e d c o n c e n tr a t i 叽 t h e s t e a d y n ux d ecl i n e s and rejecti onrati o o f o i 1 俪s ea ft ert re a l m ent ， t h e o i l con c e n t r a t i o n i n p e rme at i o n fl u i d i s l o wer t h a nl 0 m g/ l . t h e m e m br ane fo u l i ng a n d c lean in gm e t h o ds i nt h ep r o c e s so fthe trea t m ent o fo i l yw a st e w a t er 俪th l o wer con c e n 廿 a t io n w e r e re s e a r c h ed. the re s ul tssho wth a t t h e d e gr 既。 f m emb r a n e fo ul in g is l e s s ; 由 e re s i s l a n 沈 ofme r n b r ane i s 7 6 . 9 %a c 。 u n t for the t o t a l re s i s 加 叮 c e . the mc t l l o ds 。 f b a c k w as 坑acidw as 权alkal ine w as h 胡d p e t r 0 1 e 切 me t h e r w 炎 由w c r e u se d tocl e 姐t h e 允 u 1 ing m embr ane a n e r 6 h r u n n l n g re sp e c t i ve1 y，a n d the fl uxerieso f m e m b r a n e 峨 ai l o ver 8 0 % . tho s e re s u l ts1 n d i c at e t h atth e h y d r o c y c l o nem e m b 作 口 e s e p ar a t i on coul d avo i d o r l i ghtenm e m b r a n e fo ul i n g and con c e ni r a t 1 onpol ariza1 1 叽 汕d th e m e m b r ane i s easi ert o c l e ana fi e r fo u l i 呢 k e 州o rds : hydr o c y c l o n em e mbrane m e m b 触 e fo u l i n g o i l y w a s te w a t e r 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含我为获得任何其 他学位而使用过的材料。 其他对本学位论文做出的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名一， 鱼 鱼 焦 ， 叫扣910。 关于本学位论文使用的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档， 有权送 交给有资质的信息档案存档。 除在保密期内保密论文外， 本论文允许 被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内 容。 上述事项授权南京 理工大学研究生院办理。 作者签名二 一 门 鱼止 蒸 象 神7 率7 月 阳 硕士论文 旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 1绪论 含油废水是一种量大而且面广的污染源， 其排放量居各类工业废水之首。 含油废 水的来源很广， 其中主要有石油工业的炼油厂含油废水、 铁路机务段的洗油罐含油废 水、 轧钢废水和金属清洗液、 拆船厂的油货轮含油废水、油轮压舱水、洗舱水、 机械 切削加工的乳化油废水、以及餐饮业、食品加工业、洗车业排放的含油废水等。 油类对环境的影响主要表现在对整个生态系统的破坏和严重污染。 随着水资源的 日 益匾乏、 水污染的日益加重， 水资源的严重缺乏使废水的循环再利用成为必然的趋 势。同时人们生活水平的提高， 对环境的要求日益提高， 含油废水的处理越来越受重 视，成为现代社会巫待解决的重要课题之一。 膜分离技术是二十一世纪最有发展潜力的高新技术之一， 它在油水分离领域逐渐 显示出强大的发展潜力。根据膜本身结构的特点， 选择适宜的膜过程和膜组件， 可一 次性去除水体中10。 四以下油珠，对分散油和乳化油乃至溶解油的 适应性均很强，去 除效果好，且无二次污染，过程无相变， 膜组件结构简单，流程短，设备能耗低。基 于这些优点， 膜分离在处理含油废水领域备受青睐。 然而， 滤膜分离含油废水存在的 最大问题是膜表面浓差极化和膜污染， 这将导致膜传质阻力的增大， 截留性能的改变 以及通量的大幅度降低。 由于浓差极化和膜污染会使通量下降到工艺和经济性不能接 受的程度， 从而严重制约膜分离技术的应用和发展。因此， 膜滤过程的强化一直都是 膜分离领域备受关注的问题。 l l 含油废水及其处理技术 l l i含油废水的分类和危害 一 般 情况下， 含油废水的含油量为 几十到几千 m g 几， 有的 甚至高 达数万m 创 l 。 根 据其存 在方 式的 不同， 废水中的 油 类可分为 浮油、 分散油、 乳化油 和溶解油四 种11 : ( 1) 浮油:以连续相漂浮于水面，形成油膜或油层。这种油的油滴粒径较大，一般 大于10 0 阿， 它的 去除 相对较为 容易。 含油废水主要含有浮油， 占 总 含油量的 7 0% 80 % 12 ;(2) 分散油: 以 微小油滴 悬浮于 水中， 不 稳定， 经静置 一定时间 后往往变成 浮油， 其油 滴粒径为10 卿一10 0 阿: (3) 乳 化油: 水中 往往含有表面活性剂， 使油 成为 稳定的 乳化液。 油 滴粒 径极微小， 一 般小于10 娜， 大部 分为 0 1 卿一 2 阿:(4) 溶解油: 粒径很小， 有的可小到几纳米， 是溶于水中的油微粒， 油粒间难以合并， 难 以分离。 油类对环境的污染主要表现在对生态系统及自 然环境的严重影响。 流到水体中的 浮油形成油膜后会阻碍大气复氧， 断绝水体氧的来源。 而水中的乳化油和溶解油， 由 于需氧微生物的作用， 在分解过程中消耗水中溶解氧， 生成二氧化碳和水， 使水体形 硕士论文 旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 成 缺 氧状态， 水体中 二 氧化碳浓度增高， 水体 p h 值降 低。如果 p h 值降低到正常范围 以下， 将导致鱼类和水生生物不能生存。 含油废水流入土壤，由于土层对油污的吸附 和过滤作用， 也会在土壤中形成油膜， 使空气难以透入， 阻碍土壤微生物的增殖， 破 坏土层团粒结构。 含油废水排入城市排水管道， 对排水设备和城市污水处理厂都会造 成影响，流入到生物处理构筑物的混合废水的含油浓度通常不能大于30 m 倒 l 一 5 0mg/ l ， 否则将影响活 性污泥和生物膜的 正常代谢过程。 l l z含油废水的处理方法比较 含油废水的处理方法很多， 有物理法 ( 包括沉降、 离心、 粗粒化、 过滤、 膜分离 等) ;物理化学法 ( 如吸附、 离子交换);化学法 ( 如凝聚、电解); 微生物法; 还 有湿 式氧化、 浓缩焚 烧、 超声 分离法等。 每 种处理方法都有其优势和 相应的 局限 性13。 由于无论哪种含油水体都是互不溶的液一液两相流， 因此在一定条件下也常用物理的 或物化方法分离， 常用的方法有聚结( 粗粒化) 、重力分离、离心分离、 气浮、过滤、 膜分离等。 聚结或粗粒化是长期以 来被广泛采用的油水分离方法之一，分离含10 “ m 油滴的 乳化油 水时，出口 油 浓度 可控制在s m 叭 20m 叭以 下， 除 油率达95%以 上， 但此方法对进口 浓度有严格要求， 且粗粒化材料易被阻塞污染， 难以再生， 不利于广 泛应用; 重力分离适用于去除油 滴粒径大于60阿一1 50阿浮油 和分散油，出 水需经 深度处理才可能达标; 离心分离处理分散油和乳化油效果均较好， 但能耗较高， 对操 作条件要求苛刻; 气浮法分离油水乳化液时需加大量药剂， 且产生浮渣， 需增加后处 理， 流程过长;常规过滤法时过滤介质阻塞严重，处理量随时间延长而急剧下降。 含油废水处理的难易程度随其来源及油污的状态和组成不同而有差异。 浮油能用 传统的机械重力分离设备去除。 不稳定的油水乳化液可通过机械或化学法破乳后， 再 经过滤法加以分离。 但是， 稳定的乳化油尤其是含有溶解油的废水需要更为复杂的处 理方 法加以 处理， 按 环保要求， 水体中 含油 应小 于 1 o m g 几， 按回用水的 要求则含油 更 低， 即 要进一步 进行油水分离， 才能 达到废水排放 标准14 。 近年 来， 新的 法律法规 对污染程度的限定更为严格， 以 致传统的废水处理工艺难以 满足要求。 大多数的废水 在排放前虽都已 进行了 物化处理， 但物化处理只能除去水中的浮油和分散油， 乳化油 和溶解油依然以 很高的 浓度排入受纳水体中。 因 此众多的水处理工作者正在竭力寻找 其他更为有效的处理方法。 膜分离技术在油水分离领域近几年得到了广泛的应用， 取 得了令人瞩目的发展。 l z膜法处理含油废水及膜污染控制措施 膜分离技术是发展迅速的新兴技术领域， 是一种使料液组分选择性透过膜的物理 一化学处理方法， 该过程的推动力主要是膜两侧的压差或电位差等。 膜法进行油水分 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 离的特征是: ( ” 纯粹的物理分离，不需要加入沉淀剂; (2) 不产生含油污泥，浓 缩液焚烧处理;(3) 虽然废水中油份浓度变化幅度大， 但透过流量和水质基本不变; (4)膜法一般只需压力循环废水，设备费用和运转费用低。 l 2. 1膜法处理含油废水的国内外研究进展 用于处理含油废水的膜过程主要有微滤( m p)、 超滤( u f)、 纳滤( n f)、 反渗透(r 0)， 其中 超滤应用最为 广泛15，6 。 膜分离用于含油废水的 处理在国 外已 经比 较广泛17 川 。 劫d 几 ej b. koltunie w icz等 人 11 01 采 用 错 流 微 滤 法 处 理 含 乳 化 油 废 水。 主 要 考 察 不同 过 程 参数如膜、 膜组件、 操作参数等对渗透通量的影响， 作者对有机膜/ 陶瓷膜、 平板膜/ 管 式 膜、 死端过滤 / 错流过滤分别了 进行比 较. k. k ar a k u l s ki 等人 111 ， 采用超 滤/ 反 渗透 联用处理配制乳化油废水。 超滤分别采用纤维素和非纤维素管式膜， 结果两种膜均使 渗透液中含油浓度低于10m g / dms ， c od的 截留率为8 0%。 反渗透采用b i p ci管式醋酸纤 维素膜组件，最终经u f /r0 处理后，c od的截留率高于98. 5%， t ds总去除量为95. 7%。 k.k a r ak ulski 等人 17 还对超滤( u f)/ 膜蒸 馏( md) 技术处 理含油废水 进行了 研究， 结果 表明 经uf处理后渗透液油浓度低于s p 卿， 继而经m d 处理后油分的去除率为100%， 总有 机碳去除率为99. 5 % ，总溶解固体去除率为99. 9 % 。 国内方面， 浙江大学徐根良 教授于1 9 91年较早提出了膜分离技术处理含油废水的 可行 性1 12 。 相继有不少研究者对膜法处 理含油废水进行了 研究113 一 1 习 。宋 航等113采用 微滤法处理乳化含油废水， 考察了p v d f 膜和复合陶瓷膜的水通量、 油截留率以及膜堵 塞等。研究结果表明:微滤的水通量和油截留率均很高，透过液中油含量小于40 mg/ l z o m g / l 。 另外还讨论了 在膜堵塞状态下， 微滤膜对溶于水小分子有机物的截留 率。 王 冠 平 等 人 l4 】采 用 k m s sp irapak 膜 组 件 用 于 超 滤 工 艺 处 理 含 油 废 水， 在 合 适的 条 件下， 浓缩倍数可达71， 膜通量保持在0 . 6 l /min. 矿 i l /mi n . mz 。 处理后出 水油脂浓 度小于30mg/l; 采用阴s k l d 一 n 型膜清洗剂， 能有效恢复膜通量， 减轻膜污染。 王春 梅等问采用南京化工大学膜科学技术研究所研制的 孔径为 0 . z p m 的氧化错管 式微滤 膜处理上海宝山钢铁公司的含油乳化液废水， 处理后油的质量浓度为1 0 m g / l ， 能够满 足排 放要求。 王莹等 人11 6) 采用旋 转管式膜处理自 制的 含油废水， 通过进行内 管 膜和外 管膜两种情况进行对比实验，重点考察了旋转离心力场在油水分离过程中的作用。 l z .2控制膜污染的一般措施 文献资料表明， 影响膜分离在工业生产中大量应用的主要原因之一就是膜污染和 膜面浓差极 化问 题11 7 o 181 。 膜污染是指与 膜 接触的 料液中的 微粒、 胶体粒子或溶 质大分 子由 于与膜存在物理、 化学作用或机械作用而引 起的在膜面或膜孔内吸附、 沉积或堵 塞， 使膜产生 透过 通量和分离性能的 不可 逆变化现象119。 膜 污染表现为膜运行过程中 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 膜通量快速、 连续的衰减， 并且难以恢复，同时膜的分离能力下降， 截留性能发生改 变。膜污染造成的通量衰减和分离特性的改变严重影响了膜技术的广泛应用。因此， 在膜技术领域，膜污染机理及其解决手段的研究越来越引起研究者的关注。 虽然膜污染现象在膜分离过程中是不可避免的，但根据膜污染机制及其影响因 素， 采取一定的措施可以有效预防或减轻膜污染， 减少清洗频率， 提高处理能力和效 率，延长膜的使用寿命。膜污染的控制一般从以下几方面进行. ( 1)原料液预处理 预处理是指在原料液过滤前向 其中加入一种或几种物质， 使原料液的性质或溶质 的 特性发 生变化， 如进行絮凝或混凝、预 过滤， 或改 变溶液的 州值等方 法，以 脱除 一些与膜相互作用的物质， 从而提高过滤通量。 恰当的预处理有助于降低膜污染， 提 高渗 透通 量和膜的 截留 性能 口 0-2 2 。 (2 ) 膜清洗 膜清洗分为物理、 化学和生物清洗三种方法。 物理清洗是利用高流速的水或空气 和水的混合流体冲洗膜表面，具有不引入新污染物、 清洗步骤简单等特点， 但该法仅 对污染初期的膜有效。 化学清洗是在水流中加入某种化学药剂， 连续循环清洗， 能清 除复合污垢， 迅速恢复膜通量， 但连续冲洗会造成膜劣化。生物清洗借助微生物、 酶 等生物活性物去除膜表面及膜内部污染物。 化学清洗和生物清洗都存在向系统引入新 污染 物的 可 能 性， 且 运行与 清洗 之间 转换 步 骤较多 izj。 膜材料 受 ph和含 氧 化剂 清洗 剂浓度的限制。 (3 ) 膜的表面改性 有效预防膜污染的方法之一是选择合适的膜材料或者对膜材料进行表面改性， 如 引入亲水基团或用亲水复合膜。 膜表面的亲水性可以有效地减少有机物在膜表面的吸 附， 减轻 膜面污染， 而 且被污染后的 膜比 较容易 清洗， 通量恢复率较高124 .2 61 。 (4 ) 附 加场强化 附加场强化， 包括外加电场、 超声波场、 脉动亚声场等方法。 通过附加这些外场， 可以使颗粒在电场下迁移， 或使溶剂在电 场下具有电渗效应， 或使膜面具有横流的剪 切效应， 这些效应可以 减小颗粒在膜表面的沉积和浓差极化127 ， 25。 (5 ) 增强流体的不稳定性 通过设置湍流促进装置或膜和膜构件的运动都可以 增强流体的不稳定性， 可以 有 效 地限 制 浓差极化的 形 成。 产生不稳定流动的 方法27 1 通常有: 膜面 放置湍流 器; 使用带有沟槽的 膜面; 在流道内放置湍流器; 在轴向施加脉动流; 同心圆 柱体 旋转产生 t ay lre涡旋: 弯曲 流道产生 d e an涡旋。 在 膜过程中 增强流体不稳定 性， 不 仅大幅 度提高了 膜的 过 滤速率， 而且有效 控制和减弱了 膜污染2g 一 。 上述各种强化措施虽有明显的效果， 但往往结构复杂、 流动阻力较大， 压力损失 硕士论文 旋流腹分离器的设计及j 处理低浓度含油废水的研究 多，能耗较高。 1 3膜分离器的研究现状 在膜分离技术的应用中， 存在的主要问 题就是浓差极化和膜污染。 通过科学合理 地设计膜过程和新型膜分离器， 改变流体流动的不稳定性， 是解决此问 题的方法之一。 近几十年来膜分离技术的蓬勃发展， 同时带动了 与传统“ 死端” 过滤( d e a d 一 即 d fi l tr at i o n) 有 很大不同的 十字 流过 滤技 术(c ro ss n o wfil t r a l i on) 的 研究和发展， 并且由 静态十字流 发展到了动态十字流。 动态十字流膜技术即宣战动态膜分离技术， 通过改变边界层的 状态， 可以最大限度地消除或减缓膜污染; 而且， 通过不断把滤饼扫下过滤介质，滤 饼的阻力可在较长时间内保持较低的水平，从而保持较高的过滤速率。 l 3. 1旋转动态膜分离器 旋 转 动 态 膜 过 滤 结 构首 先由 m a g a r lti s 和 w il ke l39 于19 78 年 提出 ，由 于 它的 膜 面是 运动的， 不易在膜面形成浓差极化和滤饼层， 因此成为一种很有研究和应用前景的分 离技术。 旋转动态膜结构一般分为两种形式: 一种是圆盘式结构， 旋转件为膜面或紧临膜 面处 加 旋 转件。 l ee 等 i4d ， 41 学者对圆 盘式旋转动态 膜过 滤器的 特性进行了 全面的研究。 目 前， 在国外圆盘式旋转动态膜过滤器已 从实验室的 试验研究发展成为工业应用的多 层结构大型装置。 该结构现在己 在工业的水质处理、 核燃料回收、 选矿和污水处理等 领域得到实际应用。 另一种是圆筒式 ( 管式) 结构，内筒为膜管或内 外筒均为膜管，内简旋转;比较 而言 ， 旋转管式动态膜比盘式膜的研究更多一些， 这是由于在旋转管式膜微滤过程中， 内筒旋转将在环隙间形成tayl or 涡二次流， 膜管旋转产生的剪切力不断把滤饼扫下 膜面， 使得滤饼的阻力可在较长时间内维持在较低的水平， 从而保持较高的 过滤速率， 强化了 膜过滤。 国外对旋转管式膜器的研究， 主要集中在膜器分离性能与结构和操作 参数以 及物料特性等的关系， 实验证实了 旋转管式膜优良的性能， 也指出此优良 性能 源 于 t a y i0 r 涡 的 作 用。 m uras e 等 142 1采 用 旋 转 管 式 膜 分 离 器 分 离 油 水 乳 浊 液， 指出 动 态 过滤 较常 规过 滤不 仅通量 增加， 而且 滤饼的 阻力减小， 能有效防 止 膜阻 塞。 peter等【43 用旋转管式膜分离器分离天然橡胶乳液， 发现滤饼阻力与操作压力成正比， 与转速成 反比， 过滤速率比 十字流过滤速率大几倍， 又因它能使壁面剪切力与流量无关， 因此， 可在低流量下获得较大的剪切力。 国内 也开展了 膜管旋转的动态过滤研究， 主要是天津大学和四川大学相关学者进 行了 有 益的 研究。 天 津大学化工系宗润宽、 王 晓静等队 5 1 对 盘式膜 过滤器直接分离 酶 发酵液的 情况作了 研究， 目 前正在进行实用性研究。 天津大学对动态旋叶压滤机的研 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 究表明: 旋转膜构件表面流体力学性能得到改善， 浓差极化程度减弱， 凝胶层厚度减 小。 四川 大 学赵飞 虎和杨柳侧肠 朋 研究了 旋转筒式 膜滤特性， 指出 环隙间由 于内 简旋 转造成的 t a y l o r 涡二次流有效地延长了 料液在滤室中的 滞留时间， 大大地提高了 过滤 效率， 他们测试了 旋转窄缝子午线的流场特征， 描述了 t a y l o r 涡的形态及其对微滤过 程的强化作用。 综合上述研究可以说明， 旋转动态膜分离技术明显优于传统的过滤， 在工业水处 理中能有效降低膜污染， 延长膜的使用寿命。 但也存在结构较复杂、 流动阻力大、 压 力损失多、能量消耗大等缺陷。采用旋转流膜滤在这方面将有很大程度的改善。 1 3 .2旋转流管式膜分离器 为减轻膜污染， 提高膜通量， 膜管和膜器不运动， 也不附加其它扰流器， 而使悬 浮液 切向 进入膜器并 绕膜管轴线旋转， 这 种悬浮液称为旋 转切向 流， 简称旋转流 1的 501 。 其主要思想是把水力旋流器的作用原理引入到管式微滤膜器中， 把悬浮液切向送入中 央膜管与外壳的环隙中形成旋转剪切流。 此时旋转产生的离心惯性力会克服透过流的 曳力， 使之径向向外运动而远离膜面。 主流旋转的强度应既能使粒子克服透过流的曳 力， 又保证透过流顺利穿过膜面。 这种强化措施的膜器机构不复杂， 单位滤液能耗低。 国内外学者对旋转流管式膜进行了一定研究， 但他们大都集中于在膜管上或在 流道设置螺旋构件而使流体旋转。 m allu b h o t la 和b el fo rt 等人15l j 用该结构对酵母悬浮液 进行了 研究 ， 验证其能有效的改善膜污染， m ill w ardf划 在膜管设置螺旋构 件利用高 浓 度的牛血清进行了比 较实验， 结果显示其抗污染作用非常显著。 天津大学的赵宗艾等 人【29 在膜器内 设置 螺旋 湍流器， 并对不同 螺距进行了比 较， 结果表明 膜滤速率随 着螺 距的减小而提高， 但螺距受结构限制不可能无限减小。 若采用切向进料形成旋转流， 流体在离心力场和重力场作用下形成了 相当于螺距非常小的螺旋构件旋转流， 这样 将更为显著的提高过滤速率。 四 川 大 学 陈 文 梅、 褚良 银 等 学 者 呱 0 认 为 管 式 膜 分 离 器 分 离 因 数 ( 定 义 为 被 分 离 物料在离心力场中 所受的离心力和它所受的重力的比 值， 亦即其离心加速度与重力加 速度之比 ) 是影响旋转流强化管式膜微滤过程的关键操作变量之一，从理论上研究了 分离因数对过滤过程行为的影响， 及分离因数对过滤性能影响的试验研究。 结果表明， 管式膜分离器内分离因数沿轴向 从顶部到底部呈迅速减小的分布特征; 分离因数的增 大， 可使过滤过程推动力提高， 并使旋转流时过滤过程中固相颗粒不易向 膜面迁移并 沉积;在悬浮液固相浓度保持一定时，过滤通量随分离因数的增大而提高。 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 l 4本课题的研究目 的 和内 容 l 4. 1研究目的 含油废水是一种量大而且面广的污染源， 其对环境的影响主要表现在对整个生 态系统的破坏和严重污染。含油废水的处理成为现代社会鱼待解决的重要课题之 一。膜分离法处理含油废水去除效果好，且无二次污染，过程无相变，膜组件结构 简单， 流程短， 设备能耗低。 基于这些优点， 膜分离在处理含油废水领域备受青睐. 然而，浓差极化和膜污染成为含油废水的膜分离的瓶颈。 本研究的目的是:采用膜分离法处理低浓度含油废水，既要使废水处理后低于 1 0 m g 几 的排放标准， 又要在一定 程度上 解决或避免膜的 浓差 极化和污染问 题。 本 课题通过科学合理地设计新型的旋流膜分离器， 对膜过滤过程进行强化， 达到减轻 膜污染和浓差极化的目的。 l 4. 2主要内容 本论文主要包括以下几个方面的内容: ( 1) 旋流管式膜分离器的设计:基于液液两相流理论、旋流分离理论和膜分离 理论， 选择膜组件的结构和流型， 确定分离器内外筒的直径、内筒高度， 设计出旋流 膜分离器。 确定内外筒的材料， 考虑其装配和实际操作等问题， 最后按图纸进行加工。 (2) 旋流膜分离器内流体力学特征的研究:根据流体力学等理论对分离器内部 流体的 运动作以分析。 结合纳维一 斯托克斯方程 ( n 一 5 方程) 和流体连续性方程， 得到 流体内 三维速度的分布; 由速度公式确定分离器内剪切力和压力的分布; 分析分离器 内主流体中油滴的受力情况。 通过流体力学特性的分析， 从理论上正确认识旋流膜过 滤。 ( 3) 旋流膜分离器处理低浓度含油废水的实验研究:考察操作压力差、入口 流 量、 进料液浓度、 运行时间等操作条件对旋流膜分离器处理效果的影响， 确定最佳的 操作条件。 考察旋流膜分离器处理低浓度含油废水膜污染的程度， 从而验证旋流膜分 离器控制和减弱浓差极化和膜污染的实际效果;确定膜清洗的周期和清洗方法。 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 2 旋流膜分离器的设计 应用膜分离技术处理低浓度含油废水的关键问题之一就是科学合理地设计膜分 离器， 而在膜分离技术应用于处理低浓度含油废水时存在的主要问题依然是浓差极化 和膜污染，由于浓差极化和膜污染会使通量下降到工艺和经济性不能接受的程度， 从 而严重制约膜分离技术的应用和发展。 因此， 膜滤过程的强化一直都是膜分离领域备 受关注的问题。因此，大量的研究转向各种膜过滤强化的措施，诸如膜面材料改性、 外加电场作用，增加流体不稳定性及反冲洗技术等。 对于微滤过程来说，改变膜面流体力学特性来强化过滤是极富吸引力的方法之 一 为此，出现了旋转膜结构 ( 盘式或管式)、 膜面上设置湍流器、 膜管内设置湍流 器以及光滑膜面加脉动流等各种强化过滤措施。 这些研究成果从不同的角度为强化过 滤过程提供了一定的有效手段， 在一定程度上减轻了浓差极化和膜污染， 但同时也带 来不少负面效应，或使装置结构变得复杂， 流动阻力加大，异型膜件制作困难。 据此， 本文把旋流器切向 进口 产生旋转流的原理引入膜器设计中来， 使管式膜器 中形成旋转剪切流， 流场中产生的惯性离心力与过滤渗透流对油滴产生的指向膜面的 渗透曳力相抗衡， 从而阻止粒子向膜面沉积，达到降低污染、强化过滤的目的。与其 他强化措施相比，这种强化措施的结构简单，有利于实际应用. 2. 1旋流膜分离器分离理论 2. l i两相流理论 两相流理论是20世纪60年代开始发展， 并在80一90年代逐渐形成的一个新的流体 力学的 分支学科53。 其中 相的 概念 通常是 指某一系统中 具有相同 的 成分和相同 的 物理 化学性质的均匀物质部分， 也就是物质的单一状态， 而且相与相之间存在界面。 所以 两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有相界面的混合物流动力学关系的特 殊流动问 题。 两相流有固 液、 固 气、 气液和液液两相流， 其中两种互不相溶的 液体混 合在一起的流动称为液液两相流。如含油废水的流动问题属于典型的液液两相流问 题。 液液两相流和其他两相流以 及多相流一样， 其最为显著的特征就是在时空尺度上 表现出的各相流速和相浓度 ( 相含量) 的不均匀性、 流动结构与参数的多值性和转变 过程的不可逆性153 。 两种不同 相的物质共存或运动所造成的系统内 部不同区域间的相 态及其分布的不均匀， 即时空尺度上的不均匀性。 由 于两相介质的共存和相界面形态 的多变， 两相流的宏观结构也呈多种状态， 相应于不同的流型，即使系统运行的宏观 参数相同， 两相流场中状态及流动参数的分布和取值也不会相同， 表现出一种流动结 构与参数的多值性。 过程的不可逆性表现在微观上， 相间界面微观结构内分子随机运 g 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 动所造成的界面变形的随机性与系统中宏观状态的不稳定性诱发的状态转变等都属 于能量耗散过程，这种耗散能量的结构转化是不可逆的嫡增过程。 针对这样的两相流， 常采用的分相方法有: 利用重力作用的自 然分层: 利用离心 力作用的旋流分离: 利用化学作用的萃取以 及膜分离等方法。 本文采用自 制的新型旋 流膜分离器对低浓度含乳化油废水进行油水分离。 由于本研究处理的污水含油浓度小 于3 00 m 叭 ， 可 近似认为其含量不 足以 影响 主 流体的 运动， 因此 对本研究 讨论的 两 相 流可分别单独分析。 2. 1 .2旋流分离理论 旋流分离器作为分离设备的基本工作原理是依靠离心沉降进行分离， 将需分离的 两相混合液以一定的压力从旋流分离器上部的切线进料口进入， 从而在旋流器内形成 强烈的旋转运动，由于轻相和重相存在密度差，所受离心力和流体曳力的大小不同， 大部分的轻相通过旋流分离器的溢口排出，而重相以及残留轻相由底流口排出。 旋流分离器内液体的流动为三维螺旋流动， 其速度场一般以切向速度、 径向速度 和轴向 速度三个分量来描述s4 。 切向 速度被认为是旋流分离器内三维速度中最重要的一个， 是衡量旋流分离器内 分离因数大小的指标， 切向 速度从旋流分离器周边向中心不断增大， 到中心空气柱边 缘又略有降低。旋流器内液流切向速度沿径向的分布满足下述公式: u e r ” =c ( 2 . 1 ) 式中， 赵 犷 一 一 一 切向 速度; r 回 转 半 径; c 、 *常数，与旋流分离器的 工况及内 部轴向 位置有关。 径向 速度的分布与切向 速度类似， 随着液流径向 位置从器壁趋向轴心， 其径向 速 度逐渐增大， 在空气柱边缘附近又急剧降低。 液流径向速度沿径向的分布满足下述公 式: u ， 4 r . =k ( 22) 式中， “ 尸一径向 速度; r 回转半径; k 、 一常数，与旋流分离器的工况及内部轴向位置有关。 轴向 速度由 旋流分离器器壁向中心方向， 距离愈近而速度愈高， 且速度值由 负而 变为正，因此存在轴向 速度为零的点。液流轴向 速度沿径向的分布满足下述公式: 9 硕士论文 旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 u z =i n a+b r ( 23) 式中，“ 一轴向 速度; r 回 转 半 径; a 、卜 一 一常数，与旋流分离器的工况及内部轴向 位置有关。 通过液体轴向 速度为零的各点形成一个围绕中心轴， 且与中心轴相距一定距离的 零轴向 速度面， 称为 零轴速包络面【541， 在该包络面内 部的 液体轴向 速度大于零， 液体 向上运动， 而在该包络面外部的液体则向下运动， 轴向速度小于零， 且从速度绝对值 来说，内部向上运动的速度值大于外部向下运动的速度值。 2. 1 .3微滤膜过滤机理 本研究选择微滤膜处理含油废水。 微滤技术的基本原理是筛孔分离过程， 膜的物 理结构起决定性作用。 在压差的推动下， 原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压的料 液侧透过膜到低压侧，而大的粒子组分被膜截留，达到溶液的净化目的。 一般认为，微滤膜的截留作用大体可以分为以下几种: ( 1) 机械截留作用:指膜具有截留比它孔径大或与孔径相当的微粒等杂质的 作用，此即为过滤作用。 (2) 吸附截留: 被截留微粒与膜表面间的相互作用力，使得微粒被滞留 在膜表 面。 (3) 架桥作用:在膜面孔的入口处，若干个微粒通过架桥作用被截留。 ( 4 )网络内部截留:这种截留是将微粒截留在网络型膜的网络内部，而不是膜 表面。 其原理如图2 . 1 所示: 机械截留 吸附截留1架桥截留 a)膜的表面层截留 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 ( b) 膜内部的网 络截留 图2 . 1微滩膜截留机理示愈图 2. l 4旋流膜分离器分离机理 分离过程中， 混合液以 一定 速度切向 进入旋流膜分离器内， 形成旋转流。 由 于各 相的密度差异， 所受离心力不同。 密度大者形成外旋流， 密度小者形成内旋流， 形成 一定的分相。内外旋流间存在轴向 速度为零的柱面， 即零轴速包络面。 将这种旋流分 离的 机理与膜分离结合起来， 使膜正好位于零轴速包络面的位置， 或位于零轴速包络 面之外， 使油水混合液在旋流作用下产生一定程度的两相分离， 到达膜面的两相混合 物中油的浓度更小， 然后利用膜的截留作用对其进一步分离。 一方面， 可以显著提高 膜的分离效率，同时提高整个分离系统的分离效率; 另一方面， 可以有效消除或减轻 浓差极化和膜污染。旋转的流体运动可以消除单纯膜分离过程中极易产生的浓差极 化， 膜面流体中油浓度的减小可以减少膜面的沉积， 同时流体的旋转运动对膜面产生 的剪切力可以不断把沉积物除去。 这样， 使得由于膜面沉积而产生的阻力在较长时间 内维持在较低的水平，从而在较长时间内保持较高的过滤速率。 2 .2旋流膜分离器的 设计 2. 2. 1膜组件的设计 对于含乳化油污水的膜法分离工艺， 应首先认识到待处理物料成分和性质上的复 杂性， 膜分离作为对此类污水处理的最终环节， 是深度净化单元， 大部分污染物己由 预处理或上续流程去除， 仅有少部分乳化油难以完全从水中过滤清除， 在分离过程中 容易形成所谓浓差极化， 并污染膜表面， 降低过滤效率和速率。 因此， 设备的设计应 以解决此问题为主要目 标， 在旋转流场理论的指导下， 结合实际情况， 全面考虑各种 因素的影响， 突出重点， 兼顾其他， 设计出结构合理、 操作方便、 性能优越的分离设 备。 膜装置的核心部分是膜组件，即按一定的技术要求将膜组装在一起的组合构件。 在膜组件的设计中必须考虑以 下几个基本要求55 : 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 ( 1 )具有良 好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性; ( 2 )易于更换和清洗; (3)密封安全可靠; ( 4 )压力损失小; (5)制造和更换膜的成本尽可能低。 2. 2. l i膜组件的分类 从膜组件的结构单元来看， 常见的膜组件有两种构造类型和六种结构形式， 见表 21 。 表2 . 1膜组件结构形式的分类 管状膜板式膜 管式膜组件 毛细管膜组件 中空纤维膜组件 平板式膜组件 卷绕式膜组件 垫套式膜组件 2. 2. l 2 膜组件流型 各种膜组件， 除了用于电渗析的平板式膜组件和部分毛细管膜组件外， 都可以构 造成相应于图 2. 2 中所示的某种基本形式的三端头膜组件，即并流式、逆流式和错流 式。 并流进料滞留物 渗透物 逆流进料 渗透液 滞留物 错流进料滞留物 渗透物 图2 . 2三端头膜组件流型示意图 本文中由于是小规模的实验室处理工艺， 再则鉴于旋流膜分离器的分离特点， 选 择单管管式膜组件，其结构示意图见2. 4 。流动形式采用错流式。 硕士论文旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 2 .2.2膜分离器设计 2. 2 .2.1 分离器直径设计 为了 简化设计计算以及下一部分模型建立和分析，做以下假设: ( 1) 主流体 ( 在本分离系统中为水)为不可压缩流体，其密度为常数; (2) 次流体 ( 在本分离系统中为油) 体积含量很少 ( 本课题处理对象为低浓度 含油废水)，不足以影响主流体的流动; ( 3) 由于次流体浓度低，含量很少，故可假设次流体液滴间无相互作用，并忽 略非定常流动; ( 4 )当油滴粒径小于某一临界值后显示固体性质，故假设次流体液滴为球形， 且在流动过程中不发生形状改变。 假设油滴在运动中到达膜面， 在上述假设条件下， 油滴在径向受到两个方向相反 的 力 作 用 156 ， 一 个 是 由 于 膜 面 渗 流 作 用 产 生 的 渗 流 曳 力 爪 : 临 = 吼 ( 3 即 ， d 。 。 ， ， 二 ; ) ( 2 沸) 式中 式中 c 渗 透 曳 力 膜 面 修 正 系 数 ， 其 值 近 似 取 1 。 ; 执 主流体水的动力粘度; 么 油 滴 直 径 ;， “ ; ，二 * 一在 半 径 为 r 处 的 膜 面 的 渗 流 速 度 。 所以: 爪， = 3 邓， d o u : ( 2 5 ) 另 一 个 力 是 由 于 旋 转 产 生 的 离 心 力 fco: 二 一 告 “ : 伽 一 p ， 扭 。 ( 2 . 6 ) pi主流体水的密度; 几次流体油的密度; 天 膜面离中心轴的距离; 口转速。 如 果 油 滴 恰 好 在 膜 面 沉 积 ， 则 径 向 受 力 平 衡 ， 即 爪一 f.w成 立 ， 若 使 油 滴 不 在 膜 面 沉 积 ， 则 爪落 蠕， 所 以 有 下 式 : 硕士论文 旋流膜分离器的设计及其处理低浓度含油废水的研究 ， ， ld ，二 告 耐 伽 1 一 ， 。 扭 。 2 ( 2 . 7 ) 也就是说， 设计的分离器必须满足上式， 才可以使油滴不在膜面沉积， 或很少沉 积， 但其中转速。 和膜面离中心轴的 位置r 都是与设计相关的指标， 需要确定其中之 一， 然后根据上式计算另一个参数。 实际中， 考虑到所买p v d f 膜的规格， 膜组件 ( 内 管) 的直径范围确定为40m m 碎s l l l ln ，即确定了 膜面离中心轴的距离r。 另一方面， 当含油废水在一定压力下进入膜分离器， 并在分离器内作旋转运动时， 其中，由 于两相密度的差异，密度大的水相在外围大半径范围内旋转，形成外旋流， 而密度小的油相在小半径范围内旋转， 形成的是内旋流， 而在外旋流和内旋流之间存 在一个至上而下的圆柱面， 在这个圆柱面上， 流体轴向 速度为零， 称为轴向零速包络 面， 4 。 轴向 零 速包络面出 现的 位置与 转 速、 含油废水的 油浓度、 水 和油的 密度、 粘度 等有关。 据资 料川， 轴向 零速包 络面 离中 心轴的 位置 r 与分离 器半径万 的 关系为: r二0 一 5 4 r( 2 . 8 ) 因此，设计内筒即筒式膜组件的半径为大于或等于0. 54倍的外筒半径。根据式 ( 2 . 8 )可以确定分离器的外筒半径万。 确定了 膜面离中心轴的 位置r ， 由 式(2 .7 ) 可以 得到转速的表达式为: 。) 1 8