CN101767866A - 一种提高膜污染控制效果的曝气方法 - Google Patents

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刘海宁
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Abstract

本发明公开了一种提高膜污染控制效能的曝气方法及其在膜分离过程中应用，属于水处理技术和膜分离技术应用领域。本发明涉及的曝气方法主要使通过曝气控制装置使曝气间歇性产生单个大气泡，大气泡在上升过程中对膜表面的剪切力和传质效率明显高于普通的自由曝气产生的小气泡。本发明的目的在于提供一种低能耗高效率的膜污染曝气控制方法，进一步提高膜污染控制的效果，提高膜分离的选择性和效果，降低曝气能耗，减少膜清洗次数和清洗成本，提高膜组件的使用寿命。

Description

一种提高膜污染控制效果的曝气方法
发明领域
本发明涉及水处理技术和膜分离技术领域，如膜生物反应器、微滤、超滤和反渗透等分离工艺，应用领域涉及水处理领域中污水处理与资源化，饮用水水质净化、生物技术和化工领域的料液分离等。
发明背景
伴随着膜科学和材料科学的技术进步，膜的质量和总体性能逐步提高；另一方面，膜的制造成本逐年降低，极大地降低了膜分离技术的投资费用。大量的研究和工程应用经验表明限制膜分离技术应用的难题在于膜污染控制和运行能耗。
曝气，将气泡引入液体中产生二次流被证实为一种提高膜通量和防止膜污染的手段。现有对曝气参数的研究大多集中在曝气强度上，产生了连串细小的气泡，在低曝气量时，这种气泡流对膜污染控制是有限的；提高曝气强度后，可以提高膜面液体循环流速、减少污染物在膜表面的沉积、减缓膜污染发展速度。在一定污泥浓度下，提高曝气强度在一定程度上可以减轻污泥层在膜表面的沉积而减缓膜污染，但曝气强度过大会对其他生物学参数带来负面影响，更重要的是曝气能耗随着曝气强度提高而提高。就膜组件形状而言，气泡的引入不仅对于管式膜有效，对于其他膜组件如中空纤维膜，平板膜等的膜通量提高和防止膜污染都有不同程度的提高。
能耗是污水处理工艺的一个重要的评价指标。目前较高的运行能耗是膜技术推广应用中遇到主要问题之一。如何在有效防止膜污染同时极大减少曝气能耗，或者说用最小的曝气量达到最大防治膜污染效果就显得尤为重要。活塞流的气液比要比气泡流高，通常情况下，产生活塞流的曝气强度要比气泡流大，消耗的能量相应增大。
将曝气技术引入膜分离过程并应用于水处理(Tajima F.，Yamamoto T.，Apparatus for filtering water containing radioactive substances in nuclear powerplants，Toshiba，US Patent 4756875(1988)；Tajima，1988；Ohkubo K.，Hayashi T.，Nagai H.，Hollow fiber filter device，Ebara，US Patent 4876006(1988))和蛋白质分离的国内外专利报道较多(Cui Z.F.，Membrane Filtration Apparatus，InternationalApplication：PCT/GB96/01854，UK application：9515438.1，Applicant：ISISInnovation Ltd)，这些专利技术中涉及到曝气方面的均采用气泡流曝气。
本发明结合膜组件结构和形状，通过活塞流曝气控制曝气气泡的大小、曝气频率等因素，做到既能有效控制膜污染、降低曝气强度又能保持较高的膜通量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低能耗高效率的膜污染曝气控制方法，进一步提高膜污染控制的效果，提高膜分离的选择性和效果，降低曝气能耗，减少膜清洗次数和清洗成本，提高膜组件的使用寿命。
本发明涉及的曝气方法主要使通过曝气控制装置使曝气间歇性产生单个大气泡，大气泡在上升过程中对膜表面的剪切力和传质效率明显高于普通的自由曝气产生的小气泡。
本发明所涉及的能够曝气控制装置包括曝气机，曝气控制器和曝气头等，它们组合后共同控制气泡大小、形状和频率。
本发明的特点是：
1.曝气控制装置简单，仅在传统曝气基础上增加简单的曝气控制装置，操作简单，可实施性强。
2.曝气能耗低，节约运行成本，较现有曝气方式节约曝气能耗。
3.膜污染控制效果好，膜过滤的选择性更高。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的本发明权利要求的曝气方法与传统自由曝气对膜过滤通量提高的比较；
图2为本发明实施例2所述的本发明权利要求的曝气方法与传统自由曝气对膜过滤效果的比较；
图3为本发明实施例3所述的本发明权利要求的曝气方法与传统自由曝气对抗污染性能的比较。
实施例
在本发明要求权限内，就本发明涉及的活塞流曝气技术与传统自由曝气方式进行比较试验，本发明涉及的活塞流曝气技术在膜通量提高、膜过滤效果和抗污染效果等方面具有明显的技术优势。
1.膜通量提高
以平板膜组件为例，膜材料为某公司提供的平板膜，膜孔径为0.3um，膜有效过滤面积0.25平方米，长800mm，宽300mm，膜间距10mm.本发明涉及的活塞流曝气方法中曝气技术参数为单个气泡大小为400ml，曝气频率为0.42Hz，在对自来水和超纯水(1∶1)的水样过滤，采用自压式浸没式过滤，自压液位差为1.0m，在30分钟内膜过滤通量与不曝气时过滤通量的比较效果。图1结果显示，本发明涉及的曝气技术对膜通量的提高要明显高于传统曝气。
2.膜过滤效果提高
以平板膜生物反应器为例，膜材料为某公司提供的平板膜，膜孔径为0.3um，膜有效过滤面积0.25平方米，长800mm，宽300mm，膜间距10mm.本发明涉及的活塞流曝气方法中曝气技术参数为单个气泡大小为15，25，50，100，200ml，曝气频率为0.42Hz，采用外加压力驱动模式运行。两个相同膜组件，相同曝气量、不同曝气方式的浸没式膜生物反应器对模拟生活污水(COD浓度为500mg/L，MLSS为2.2g/L)的处理效果如图2。结果显示本发明涉及的活塞流曝气膜生物反应器出水效果明显优于现有传统自由曝气膜生物反应器。在相同曝气能耗前提下本发明涉及的曝气技术明显优于传统自由曝气。
3.抗污染效果提高
以平板膜生物反应器为例，膜材料为某公司提供的平板膜，膜孔径为0.3um，膜有效过滤面积0.25平方米，长800mm，宽300mm，膜间距10mm.采用外加压力驱动模式运行。两个相同膜组件，不同曝气方式的浸没式膜生物反应器对模拟生活污水(MLSS为1.0g/L)的处理效果如图3。本发明涉及的活塞流曝气方法中曝气量为0.375L/min，0.625L/min，1.25L/min，2.5L/min，5L/min.曝气频率为从0.833到0.167Hz，频率为0Hz代表相同曝气量时的自由曝气。结果显示本发明涉及的活塞流曝气技术对膜生物反应器的跨膜压力变化较传统曝气大，而膜表面压力变化与膜表面剪切力变化有关，剪切力大小与膜污染的控制效果密切相关。由此可见，本发明涉及的活塞流曝气技术对膜污染控制效果比自由曝气的控制效果好。在相同曝气量，即曝气能耗相同，本发明涉及的曝气技术更能有效控制膜污染。

Claims (5)

1.一种比自由曝气能耗更低、效果更好的膜污染曝气控制技术，其特征在于通过曝气控制装置产生脉冲式大气泡，间歇式大气泡在膜组件内部产生活塞流，活塞流能提高膜表面剪切力和传质系数，从而更好的对膜表面进行更好的冲刷作用并提高膜通量，减少污染物质在膜表面或内部的积累效应，最终实现对膜污染的有效控制。
2.权利要求1所述的曝气控制装置，其特征在于曝气控制装置主要由曝气机、曝气控制器和曝气头组成，曝气机主要作用是供气；通过曝气控制器可控制曝气频率，曝气控制器通过开关控制气体通过时间和频率；根据曝气头形状和出气截面积、曝气孔的压力和气体通过时间可控制每次曝气时的曝气量，即每次曝气产生气泡的大小。该方法将传统自由曝气所产生连续式一串小气泡(通常单个曝气孔每秒中产生20-40个左右的气泡)变为具有一定频率和大小的间歇式大气泡。
3.权利要求2所述的曝气频率和气泡大小，其特征在于，曝气频率与大小与膜组件的内部结构有关。以板式膜组件(长800mm，宽300，间距10mm)为例，比传统曝气方式更有效的曝气参数为：气泡大小范围为10ml-400ml，间歇式气泡释放频率为0.1-5.0Hz；以管式膜为例(长1000mm，直径12mm)，曝气产生的间歇式大气泡体积为5-50mL，曝气频率以0.1-10.0Hz。
4.一种低能耗的膜污染控制技术，其特征在于通过最佳的活塞流曝气，在相同曝气量(能耗相同)，本权利要求1中涉及的活塞流曝气技术能比现有自由曝气方式具有更好的膜通量、膜过滤效果和抗污染效果。如果达到相同膜污染控制效果，本权利要求1中涉及的活塞流曝气技术的曝气能耗比现有自由曝气更低。
5.权利要求1所述的方法，可以应用于平板膜、中空纤维膜和管式膜等不同类型的膜组件或类似结构的分离工艺，应用领域涉及化工料液分离、污水处理和水质净化等。
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