CN212396395U - 一种测试mabr膜传氧性能的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试MABR膜传氧性能的装置，属于污水处理领域。包括反应器本体(100)、循环单元(200)、供气单元(300)和进水单元(400)，所述反应器本体(100)顶部设置有第一循环口(201)，所述第一循环口(201)通过第一循环管道(210)与循环单元(200)相连；反应器本体(100)底部设置有第二循环口(202)，所述第二循环口(202)通过第二循环管道(220)与循环单元(200)相连。本实用新型构建设计了一套适用于MABR特殊传氧曝气模型的检测装置，用以测定MABR膜材料的曝气传氧性能，并精准计算其相关的传氧参数，为研究MABR膜材料的氧转移规律及材料开发和设计应用提供了可靠的理论依据。

Description

一种测试MABR膜传氧性能的装置

技术领域

本实用新型属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种测试MABR膜传氧性能的装置。

背景技术

在污水处理领域，好氧曝气是非常重要的环节，所采用的曝气形式和设备多种多样，在工程应用前对曝气设备和曝气形式的优劣判断十分必要。

MABR技术是一种以透氧膜材料作为传氧介质的无泡曝气污水处理工艺。MABR技术的优势在于利用膜材料的高透氧性能和膜两侧的氧浓度差并且采用无泡曝气的形式，富氧空气不直接与水体接触，而是利用膜材料的渗透原理，分子级氧由膜的富氧侧向低氧的水体内传质，相比于一般微孔曝气形式所需的气量极少，氧利用率和传氧动力效率极高。测试MABR膜的传氧性能高低，对于MABR技术的设计和应用都非常有意义。

经检索发现，申请号201510223267.1，申请日为2015年5月5日的中国发明专利申请公开了一种曝气充氧装置及其检测液体充氧能力的方法，所述曝气充氧装置包括容器，设置在容器内的曝气装置，所述容器内还设有检测容器内液体氧气浓度的溶氧仪；所述鼓风装置通过管道与鼓风装置连通；所述管道上装有检测风量的流量计以及检测风压的压力计；

该发明通过利用上述的曝气充氧装置对液体充氧能力进行检测，检测步骤包括先给容器内充液体，并投加脱氧剂，直到溶氧仪读数为0mg/L，而后开启鼓风装置，通过位于容器内的曝气装置向容器内充氧，同时通过压力计观察曝气压力，通过流量计观测风量；最后通过溶氧仪记录容器内液体中饱和溶解氧浓度Cs和运行温度下溶解氧浓度Ct，获得容器内液体充氧能力，并进一步地获得容器内液体的氧利用率E和容器内液体的动力效率E_p，实现了就地观测曝气溶氧情况，曝气底部基质反应区域，气水搅拌效果等，其曝气充氧装置上的溶氧仪快捷测定曝气器充氧性能，为污废水处理工程运行提供理论与技术支持。

但由于MABR的传氧模型特殊，一般曝气装置的充氧性能检测装置和方法不适合标准化比较和判断MABR曝气材料的传氧性能。因此，需要寻找一种适用于测试MABR膜传氧性能的装置和方法来研究该类型曝气向水体内转移氧的规律，为MABR膜材料的开发和设计应用提供可靠的理论依据。

实用新型内容

1.要解决的问题

针对现有技术中检测设置无法有效检测MABR曝气材料的传氧性能的问题，本实用新型提供一种测试MABR膜传氧性能的装置。本实用新型构建设计了一套检测装置和标准的测定装置，用以测定MABR膜材料的曝气传氧性能，并计算其相关的传氧参数，为研究MABR膜材料的氧转移规律及材料开发和设计应用提供可靠的理论依据。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置，包括反应器本体、循环单元、供气单元和进水单元，所述反应器本体顶部设置有第一循环口，所述第一循环口通过第一循环管道与循环单元相连；反应器本体底部设置有第二循环口，所述第二循环口通过第二循环管道与循环单元相连；并且

反应器本体内部设置有MABR膜，MABR膜上方设置有进气主管，进气主管的一端通过供气管道与供气单元相连，MABR膜下方设置有出气集管，出气集管的一端与排气管道相连；

其中，第一循环管道上设置有加料管道，并且第二循环管道上设置有进水管道和取样管道，所述进水管道与进水单元相连。

优选地，所述反应器本体上设置有溶氧仪。

优选地，所述第一循环管道上设置有第一循环阀，并且所述第二循环管道上设置有第二循环阀。

优选地，所述供气管道上设置有第一调节阀，在第一调节阀与供气单元之间的供气管道上设置有流量计。

优选地，所述排气管道上设置有第二调节阀，在第二调节阀与出气集管之间的排气管道上设置有压力传感器。

优选地，所述进水管道上设置有进水阀，所述加料管道上设置有加料阀，并且所述取样管道上设置有取样阀。

优选地，所述供气单元为供气风机。

优选地，所述第二调节阀为电动调节阀。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置，包括反应器本体、循环单元和供气单元，反应器本体内部设置有MABR膜，供气单元向MABR膜供气，并且循环单元确保在没有足够的气泡扰动下反应器本体内部的水流达到混合效果，这相比于传统微孔曝气和机械曝气充氧性能测试，不受到其曝气器安装水深以及敞口气液接触面传质的影响，同时保证无泡曝气状态下的系统内液相均匀混合，从而使MABR膜传氧保持稳定的浓度梯度，更利于研究其传氧性能和规律；

(2)本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置，是一套全封闭式的装置，以防止空气和水相的气液接触面存在氧气传递，影响实验数据的准确性。

(3)本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置，结构简单，设计合理，易于制造。

附图说明

图1为本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置的结构示意图；

图中：

100、反应器本体；110、MABR膜；111、进气主管；

112、出气集管；120、溶氧仪；200、循环单元；

201、第一循环口；202、第二循环口；210、第一循环管道；

211、第一循环阀；220、第二循环管道；221、第二循环阀；

300、供气单元；310、供气管道；311、第一调节阀；

312、流量计；320、排气管道；321、第二调节阀；322、压力传感器；

400、进水单元；410、进水管道；411、进水阀；

510、加料管道；511、加料阀；610、取样管道；611、取样阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。

如图1所示，本实用新型的一种测试MABR膜传氧性能的装置，包括反应器本体100、循环单元200、供气单元300和进水单元400；通常，反应器本体100的规格(长×宽×高)为30cm×10cm×1200cm，并且循环单元200为循环泵，供气单元300为供气风机，进水单元400为进水泵；

所述反应器本体100顶部设置有第一循环口201，所述第一循环口201通过第一循环管道210与循环单元200相连，并且在第一循环管道210上设置有第一循环阀211，通过开启或关闭第一循环阀211对第一循环口201进行控制；第一循环管道210上还设置有加料管道510，用于向反应器本体100投加脱氧剂、催化剂等物料，并且在所述加料管道510上设置有加料阀511，通过开启或关闭加料阀511来控制物料投加；

反应器本体100底部设置有第二循环口202，所述第二循环口202通过第二循环管道220与循环单元200相连，在第二循环管道220上设置有第二循环阀221，通过开启或关闭第二循环阀221对第二循环口202进行控制；第二循环管道220上还设置有进水管道410和取样管道610，所述进水管道410与进水单元400相连，通过进水单元400向反应器本体100泵入清水，并且进水管道410上设置有进水阀411，取样管道610上设置有取样阀611，通过分别控制进水阀411和取样阀611的开关，进而控制进水和取样操作；并且

反应器本体100内部设置有MABR膜110，通常MABR膜110为一片中空纤维帘式膜，其在反应器本体100内的装填面积约为2-8m²；并且MABR膜110上方设置有进气主管111，进气主管111的一端通过供气管道310与供气单元300相连，所述供气管道310上设置有第一调节阀311，用于对进气主管111进行供气控制；此外，在供气单元300与第一调节阀311之间的供气管道310上还设置有流量计312，用于实时监控供气流量，并根据信号反馈对供气单元300实现变频控制，稳定供气流量；

MABR膜110下方设置有出气集管112，出气集管112的一端与排气管道320相连，并且排气管道320上设置有第二调节阀321，用于控制MABR膜110内的压力；优选地，第二调节阀321为一种电动调节阀，并且在出气集管112与第二调节阀321之间的排气管道320上设置有压力传感器322，通过压力传感器322的信号对第二调节阀321的开关度进行调节，从而稳定精确控制膜内压力，一般情况下，将膜内压力控制在15-20kPa范围内。

此外，在反应器本体100上可以设置有溶氧仪120，用于实时监控反应器本体100内水体溶解氧浓度变化情况。由于本实用新型的装置包括循环单元200，使得反应器本体100内水体均匀混合，溶氧仪120可以设置在反应器本体100的任何位置处。

采用上述测试MABR膜传氧性能的装置进行MABR膜传氧性能测试的方法，包括以下步骤：

S10、脱氧：开启第一循环阀211和进水阀411，通过进水单元400将水泵入进水管道410，而后进入第二循环管道220，经由循环单元200进入第一循环管道210，自下而上从第一循环口201填充进入反应器本体100，直到灌满整个反应器本体100；

而后关闭进水阀411，开启加料阀511，通过加料管道510向反应器本体100内投加脱氧剂和催化剂，其中所述脱氧剂为亚硫酸钠，基于反应器本体100内水体溶解氧的量，所投加的脱氧剂的量通常是过量的，优选地，反应器本体100内水体溶解氧与脱氧剂的质量比为1：7～1：9；并且所述催化剂为氯化钴，投加量为投加后反应器本体内钴离子浓度为约0.05～0.5mg/L；

关闭加料阀511，开启第二循环阀221，通过循环单元200使反应器本体100内的水与脱氧剂和催化剂均匀混合，进行脱氧反应，等待溶氧仪120的示数为0，其中反应器本体100内部实现由上至下的循环，循环流量设计为300-500L/h，以保证反应器本体100内的水体均匀混合；

S20、曝气：当反应器本体100内的水中溶解氧浓度为0时，开启取样阀611，通过取样管道610对反应器本体100内的水进行取样，取样体积为2mL，并检测该水样中的SO₄ ^2-浓度，作为曝气零点反应器本体内的初始SO₄ ^2-浓度，

而后开启分别供气单元300、第一调节阀311和第二调节阀321，向MABR膜110上方设置的进气主管111进行供气，经由进气主管111，气体进入MABR膜110，实现MABR膜向反应器本体100曝气，剩余尾气通过出气集管112进入排气管道320排出反应器外，并且在曝气过程中，通过流量计312、第二调节阀321和压力传感器322，控制运行中的供气流量和膜内压力，一般控制膜内压力为15-20kPa；每隔4-6min，优选5min读取溶氧仪120的示数并取样检测反应器本体100内水体的SO₄ ^2-浓度，在曝气1-3h，优选2h后或当水体内溶解氧含量不再升高时停止测试，关闭所有阀门；

S30、计算：根据以下公式(1)至(3)，分别计算MABR膜曝气氧总转移系数Kla、单位MABR膜面积传氧速率OTR和MABR膜传氧动力效率Ep，

其中：

t-t₀：曝气时间，min；

C₀：曝气零点反应器本体内的溶解氧浓度，mg/L；

Cs：曝气温度下饱和溶解氧值，mg/L；

Ct：曝气时间为t时，反应器本体内溶解氧值，mg/L；

Nt：曝气时间为t时，反应器本体内SO₄ ^2-浓度，mg/L；

N₀：曝气零点反应器本体内的SO₄ ^2-浓度，mg/L；

S：测试的MABR膜的膜面积，m²；

V：反应器本体的有效容积，L；

P：供气单元的功率，kw。

需要说明的是，可以对计算得到的MABR膜曝气氧总转移系数Kla进行温度校正，如下式(4)所示：

Kla(20℃)＝Kla(T)·1.024^T-20 (4)

其中：T为MABR膜的曝气温度，得到校正后的MABR膜曝气氧总转移系数Kla。

通过采用本实用新型的适用于MABR特殊传氧曝气模型的传氧性能测试装置进行MABR膜传氧性能测试，排除了一般传氧检测过程中存在的水深、空气接触等误差，并且对使用过量脱氧剂继续发生的氧化还原反应作了测试和计算，实现了在同一标准下对MABR膜曝气的各项性能的精确测算，为研究MABR膜材料的氧转移规律以及材料开发和设计应用提供可靠的理论依据。

实施例1

本实施例的一种测试MABR膜传氧性能的装置，反应器本体100的规格(长×宽×高)为30cm×10cm×1200cm，反应器本体100内安装的MABR膜110为PTFE材质，孔径为0.5μm，膜面积为4m²，装填密度为111.11m²/m³。

在采用本实施例的装置进行MABR膜传氧性能测试的过程中，传氧性能测试的运行条件为曝气量：Q＝1L/min；尾端排气压力(膜内压力)：P＝20kpa；亚硫酸钠投加量：3.5g(反应器本体100内水体溶解氧与脱氧剂的质量比为1：8)；催化剂氯化钴的投加量：0.047g。

开始测试后，按照如下表1，每5min记录运行和检测数据。

表1测试过程中记录的运行和检测数据

将检测数据代入公式(1)至(3)中计算该种类PTFE材质的MABR膜材料的传氧参数如下：Kla＝0.458min^-1；OTR＝0.0371g O₂/(m²·min)；Ep＝2.54kg O₂/kwh。

对比例1

本对比例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本对比例采用传统测试曝气盘的方法(化学消氧法《CJ/T3015.2-1993》)和装置进行MABR膜传氧性能测试。

具体检测方法如下：

化学消氧法是在清水中投加一定数量的亚硫酸钢，并配氯化钴作为催化剂，将水中的溶解氧去除，随后开始曝气并记录分析数据，直到溶解氧达到饱和并满足《CJ/T3015.2-1993》所要求的20min内溶解氧增幅小于0.1mg/L，或者15min内基本保持不变时结束测试。采用线性及非线性回归方法进行处理数据并比对分析。

用此方法对PTFE材质的MABR膜进行了传氧测试并计算得到以下传氧参数：Kla＝0.254min^-1；OTR＝0.0182g O₂/(m²·min)；Ep＝1.32kg O₂/kwh。

与实施例1中的计算结果相比，本对比例采用传统化学需氧方法的测试装置测试计算得到的各项传氧参数较低，且两者相差较大。分析其原因，本实用新型的MABR膜传氧性能测试装置考虑到了测试过程中无泡曝气时水体循环不畅导致膜局部膜表面溶氧过高，传氧浓度梯度变低，MABR传氧能力受阻的情况，因此，使用本实用新型的装置进行测试更准确地反映了MABR的传氧性能。

Claims (8)

1.一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：包括反应器本体(100)、循环单元(200)、供气单元(300)和进水单元(400)，所述反应器本体(100)顶部设置有第一循环口(201)，所述第一循环口(201)通过第一循环管道(210)与循环单元(200)相连；反应器本体(100)底部设置有第二循环口(202)，所述第二循环口(202)通过第二循环管道(220)与循环单元(200)相连；并且

反应器本体(100)内部设置有MABR膜(110)，MABR膜(110)上方设置有进气主管(111)，进气主管(111)的一端通过供气管道(310)与供气单元(300)相连，MABR膜(110)下方设置有出气集管(112)，出气集管(112)的一端与排气管道(320)相连；

其中，上述第一循环管道(210)上设置有加料管道(510)，第二循环管道(220)上设置有进水管道(410)和取样管道(610)，所述进水管道(410)与进水单元(400)相连。

2.根据权利要求1所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述反应器本体(100)上设置有溶氧仪(120)。

3.根据权利要求1所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述第一循环管道(210)上设置有第一循环阀(211)，并且所述第二循环管道(220)上设置有第二循环阀(221)。

4.根据权利要求1所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述供气管道(310)上设置有第一调节阀(311)，在第一调节阀(311)与供气单元(300)之间的供气管道(310)上设置有流量计(312)。

5.根据权利要求1所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述排气管道(320)上设置有第二调节阀(321)，在第二调节阀(321)与出气集管(112)之间的排气管道(320)上设置有压力传感器(322)。

6.根据权利要求1所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述进水管道(410)上设置有进水阀(411)，所述加料管道(510)上设置有加料阀(511)，并且所述取样管道(610)上设置有取样阀(611)。

7.根据权利要求4所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述供气单元(300)为供气风机。

8.根据权利要求5所述的一种测试MABR膜传氧性能的装置，其特征在于：所述第二调节阀(321)为电动调节阀。

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