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膜生物反应器MBR工艺原理

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学社博客 发表于 2019-9-9 18:43 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
膜生物反应器中膜堵塞与滤饼层污染机理
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$ E! T1 G# m, J! }膜的两个特性对膜的实际应用的经济性非常重要:
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1.膜的通量——在一定的操作条件下膜的实际生产能力;/ s+ `" @) @7 }5 D% j5 o3 c2tech.cn
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2.膜的选择性——膜将混合物中的组分分离开来的能力。4 D& Q2 b1 U- m4 g0 z, z2tech.cn

8 `( S+ S$ }, ]6 B" p达西定律描述了膜通量(flux)和透膜压力(TMP)之间的函数关系。
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/ Z2 {; n. f+ a; }& s6 Sp是渗透率常数,它是一个和滤液黏度,膜孔径分布以及膜的空隙率相关的函数。p可以通过Carmen-Kozeny的修正方程表述。方程的假定前提是膜结构是排列均匀球形颗粒。- M; x. g3 s, \2tech.cn

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; g4 R- w, C( M" S
; i2 r2 t9 m4 G6 w9 p当假设膜结构是均匀的短直管时,可以采用Hagen-Poiseuille修正方程:) E  _/ T- c3 L7 E0 C) |2tech.cn
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从方程来看,膜的空隙率(porosity ε),孔径(pore diameter)dpore,孔的长度lpore和孔的弯曲率τ都会影响膜的分离过程。& X7 ~4 s8 _1 U" K" J2tech.cn

* z: f4 r9 I' v4 Y% i透膜压力TMP(△P)和膜的厚度(lpore)成反比,因此膜越薄,阻力越小。; N/ k: w, {# b+ z; i2tech.cn
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当滤液通量高于各种反向传质机理所能提供的反向通量的时候,溶质和颗粒就会沉积在膜表面或是堵塞在膜孔内。大分子的吸附也会同时发生。, g) E! J' x! }/ o& q2tech.cn
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膜污染是一种颗粒或是大分子的不可逆的沉积和吸附过程。这会导致在恒压过滤中的通量下降和恒流过滤中的透膜压力上升。
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Hermia描述了死端过滤过程中的四种污染机理:膜孔的完全堵塞、膜孔的部分堵塞、滤饼层的形成、膜孔的内部堵塞。Field把这个理论拓展到了错流过滤操作中。
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下图给出了膜孔堵塞机理。
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膜生物反应器中浓差极化污染机理

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微滤和超滤的过滤过程是在压力梯度下进行的。而影响阻力的因素除了膜本身特性外,还包括被截留物的浓度、胶体层的形成、滤饼层的形成、污染物的表面积聚和内部堵塞等等。在压力的驱动下,溶剂可以自由通过膜,而溶剂则被部分截留。
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于是在膜的表面处造成溶质积累,因而膜表面附近溶液的浓度升高,在浓度梯度下,溶质反向扩散会原料主体,经过一段时间,当主体中以对流方式传递到膜表面的溶质的量与膜表面以扩散方式返回主体的量相等时,浓度分布达到一个相对稳定状态,于是在形成浓度分布。
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1 M% o' f# u: u+ e) q% ^浓差极化是一种溶质在膜表面的一种可逆的聚集过程。在对流的流速和过滤的通量之间建立了一个平衡。根据传统的浓差极化模型,浓差极化与通量及布朗扩散系数成指数关系。   U: _7 T  h. K2tech.cn
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DB是布朗扩散系数(Brownian diffusion coefficient (m2/s)),C*和C分别是膜表面和母液中的溶质浓度,δ边界层厚度常数,比例系数DB/δ是传质系数(mass transfer coefficient k (m/s))。
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膜生物反应器的死端和错流运行

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, a# F. N3 _2 Q$ _% d传统压力驱动型膜工艺在过滤液体时可以两种模式运行:无浓缩液流的模式称为“死端过滤”或“全流过滤”;浓缩液连续不断的从膜组件出口流出的模式称为错流过滤,如下图所示。1 y. ~- L8 B& S. C% v3 Z! ]5 [2tech.cn
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以错流模式运行时,流过膜面的单通道进水只有一部分转化为透过液,这一参数称为“转化率”或“回收率”。- U' ^  y/ f. X' z0 ?3 b2 A; N3 E: j2tech.cn

0 W7 f& t! W# X1 N' h0 a如果将透过液用于维持工艺运行(通常为膜清洗),回收率会进一步降低。
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) A# a6 s; ~3 w过滤总会导致滤膜阻力增加。死端过滤工艺中,滤阻随膜表面滤饼厚度的增加而增加,因此可以粗略的认为滤阻与透过液总体积成正比。透水率的迅速下降要求定期进行摸清洗,其下降速率与进水中的固体物浓度和膜通量成正比。
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在错流工艺中,污染物在膜表面的沉积是持续进行的,知道将滤饼结合到膜表面的粘附力与液流(液体或气液混合物)通过膜表面时产生的冲刷力达到平衡为止。在其他条件相同的情况下,根据浓差极化的程度来衡量,一般认为错流过滤可达到稳态运行。而在实际应用中,由于不可避免的存在污染物的沉积或吸附,只能达到假稳态(或稳定化)。
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