中空纖維膜污染在線監(jiān)測(cè)及過(guò)濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建.pdf

1、膜污染是影響浸沒(méi)式中空纖維膜過(guò)濾系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的主要原因。同時(shí)，由于纖維膜及膜組件之間存在復(fù)雜的流體力學(xué)影響，膜組件設(shè)計(jì)及分布等不合理性會(huì)加劇膜污染、影響膜系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。因此，膜污染控制始終是壓力驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文提出開(kāi)展中空纖維膜污染在線監(jiān)測(cè)及過(guò)濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建研究。其中，中空纖維膜污染監(jiān)測(cè)（實(shí)驗(yàn)研究）將為膜污染控制、運(yùn)行操作、組件設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供量化信息，而過(guò)濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型將為膜污染

2、控制提供理論基礎(chǔ)。
　　本文以超聲時(shí)域反射技術(shù)和中空纖維膜點(diǎn)通量測(cè)試方法為實(shí)驗(yàn)手段，根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量守恒原理，建立基于完全質(zhì)量和動(dòng)力守恒的中空纖維膜過(guò)濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，搭建浸沒(méi)式中空纖維膜污染特性和過(guò)濾行為的研究方法，探索操作條件和纖維膜尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)膜過(guò)濾性能的影響規(guī)律，為纖維膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　首先采用超聲技術(shù)在線監(jiān)測(cè)亞臨界通量下浸沒(méi)式中空纖維膜表面污染分布。實(shí)驗(yàn)采用5個(gè)10 MHz超聲波探頭均勻分布在

3、膜殼外表面，所用單根聚醚砜中空纖維膜長(zhǎng)1m，過(guò)濾液為5g/L酵母溶液，臨界通量為14 L/m2·h。當(dāng)曝氣量為15ml/min，發(fā)現(xiàn)在亞臨界通量(9 L/m2·h)下污染物會(huì)沉積在靠近出口處的膜表面。同時(shí)，觀察到酵母顆粒在膜表面是從上到下逐漸沉積并達(dá)到平衡的沉積規(guī)律。此外，隨著曝氣量從15增加到45 ml/min，盡管污染物沉積速率會(huì)逐漸降低，但是并不能完全阻止污染物的沉積。膜絲長(zhǎng)度從1縮短到0.6 m，發(fā)現(xiàn)也難以有效地控制膜污染?？傊?/p>

4、，臨界通量作為控制膜污染的重要參數(shù)與膜絲長(zhǎng)度和曝氣量有著緊密的聯(lián)系。
　　采用超聲技術(shù)進(jìn)一步在線監(jiān)測(cè)亞臨界通量操作條件下雙端出水浸沒(méi)式中空纖維膜組件膜污染分布狀況，并且考察了不同組件構(gòu)型（豎直和水平放置）對(duì)膜污染行為影響（實(shí)驗(yàn)操作條件跟上述相同）。研究發(fā)現(xiàn)，在亞臨界通量操作條件下，膜組件兩端出口處膜表面依然存在污染沉積，并且污染沉積程度從兩端到中間逐漸降低。同時(shí)，觀測(cè)到酵母顆粒是從膜組件兩端向中間并逐漸達(dá)到平衡。研究表明采用較低的

5、膜操作通量能夠更好地控制膜污染。此外，污染分布不均勻程度隨著纖維長(zhǎng)度的縮短而降低，但是短組件更容易遭受到膜污染。特別是對(duì)不同組件構(gòu)型膜污染監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:豎直放置膜組件中，上端出口較下端出口更易遭受膜污染。而水平放置時(shí)，膜組件左右兩端出口處污染程度較為相近。
　　依據(jù)分割疊加原理，發(fā)明了一種新穎的浸沒(méi)式中空纖維膜點(diǎn)通量測(cè)試方法，考察了操作通量、纖維長(zhǎng)度和過(guò)濾方式（單端和雙端出水）對(duì)點(diǎn)通量分布的影響。在相同操作條件下，發(fā)現(xiàn)雙端膜組件點(diǎn)

6、通量分布比單端膜組件更加均勻。對(duì)于雙端膜組件，上端出口處點(diǎn)通量要高于下端出口處點(diǎn)通量。上下兩端點(diǎn)通量差值即不均勻性隨著操作通量和纖維長(zhǎng)度的降低而降低。尤其是結(jié)合超聲技術(shù)發(fā)現(xiàn)，膜表面污染行為和點(diǎn)通量分布規(guī)律有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著膜操作（污染）進(jìn)行，點(diǎn)通量的重新分布是導(dǎo)致膜表面污染重構(gòu)的主要原因。此外，該點(diǎn)通量測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)重復(fù)相對(duì)誤差范圍在17.4％以內(nèi)。
　　最后，根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量守恒原理以及點(diǎn)通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出基于完全質(zhì)量和動(dòng)力守