超滤水处理过程膜组件选型及其应用研究

Posted 2023-01-12 浓度

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膜技术是最近几年来的一种新兴技术，不仅可以做到清洁生产而且可以对废弃物进行有效的净化，且回收了一些有用的物质。同时，膜技术在工业生产中清洁、环保、节能、高效的特点也是它在近些年水处理中的应用越来越广的原因。本文详细描述了膜组件的特点以及膜分离技术的基本概况，并对膜处理技术在工业上的应用做了系统详细的描述和分析。
文献标识码：A 文章编号：1671-8089(2014)02-0028-03
1.概述
膜分离技术是用一张经过特殊制造的，有选择透过性的半透薄膜，在外力的推动下对液体混合物进行分离的一种新型技术。这种半透薄膜被称为分离膜，其膜壁上布满了小孔。通常可以根据膜壁上孔径的大小把薄膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜。在分离的过程中不需要油箱的变化，仅需要外力的推动就能获得较高的分离水平。因此，膜分离技术是一种非常节省能源的技术。其中微滤膜主要是过滤0.1um-10um大小的颗粒物或者是细菌以及胶体。超滤膜的滤孔范围是0.05um-1um，用于滤除固体颗粒、悬浮物、大分子有机物、胶体等。纳滤膜是一种介于超滤膜和反渗透膜之间的新型膜分离技术，在0.5MP-1MP的操作压力范围内，其纳滤膜有一个超强的粒子选择性，它对二阶粒子的去除率可以高达95%以上，对一阶粒子的去除率较低，其滤除效率通常为40%-80%之间。反渗透膜的原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过反渗透膜而将这些物质和水分离开来。反渗透膜可以滤除水中的一切物质，包括悬浮颗粒、胶体、无机盐、细菌、微生物。目前在我国常以超滤膜隔离为主。主要原因是其在工艺的运用中所需要的操作压力较小，减少运行成本。其次是过滤孔径要明显小于微滤膜，分离之后的水质要明显好于微滤膜分离技术。
2.超滤膜在生物燃料电池上的应用分析
该试验以生物秸秆为原料，进行水分解，实验装置由配水箱、滤池、反应器、沉淀池、超滤膜组件和清水箱组成，工艺流程如图1所示。

其滤除过程包含了以下几个部分：
2.1秸秆水解
生物质秸秆作为一种清洁的资源来源十分广泛，它包括小麦、玉米等大部分农作物的秸秆，生物质秸秆在全球范围内都有分布，只要太阳系存在，土地气候条件适宜，即会源源不断。是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，它的开发利用将会给人类的生产生活方式带来翻天覆地的变化。
秸秆主要成分为木质纤维素，它由3部分组成：纤维素(35%-45%)、半纤维素(20%-30%)和含量较低的木质素(<20%)。秸秆生物质能被微生物分解利用转化为电能的前提条件是必须把木质纤维素水解为微生物能够利用的葡萄糖或者是木糖等多糖。纤维素水解后的主要产物是葡萄糖，而半纤维素水解后的产物主要是葡萄糖和木糖等多糖。半纤维素的水解条件比较简单，在加热的条件下就能完成水解过程。木质纤维素的水解条件相对较高，需要在加热的条件下利用酸或者酶作为催化剂来促成水解的进行。木质纤维素在水解的过程中会伴随着其他复杂的反应，会产生一些小分子碳水化合物，如乙酸和丁酸等物质。
将秸秆清洗、切短、烘干、粉碎、过筛，保存在干燥器中备用。按照一定的固液质量比(1：9)加入到50%的浓硫酸溶液中，在水浴温度为50℃的恒温条件下水解60min，反应完毕后稀释水解液并用氢氧化钠中和至中性，抽滤去除残渣。在注入MFC作为燃料之前，使用培养基或磷酸盐缓冲溶液将水解产物稀释成实验所需的浓度(500-3000mg.COD/L)。
2.2实验装置
本试验选取自制两室反应器，两室之间间距160mm，阴阳极室高度均为240mm，直径100mm，阳极室排泥孔距底部10mm，排水孔距底部70mm，阴极室排水孔距底部10mm，实物装置见图2。

阴、阳极电极均采用石墨毡材料(80mm×80mm)，两电极由铜线连接，质子交换膜(Nafion117)做隔膜将阴极液和阳极液隔开。阳极室和阴极室溶液体积皆为1，000mL，膜的暴露面积为50.24cm2。阳极室厌氧。装置两侧有出水孔和出水孔，每极室的上端有导线孔。外电路串联0Ω-9999Ω电阻箱，装置见图2。
阴极溶液：阴极采用磷酸盐作为缓冲液，其成分为：NaH2PO44.22g.L-1，Na2HPO42.75g.L-1，用500mL容量瓶定容即得。阴极电子使用铁氰化钾或高锰酸钾溶液，浓度均为50mmol.L-1。
阳极溶液：在启动阶段，采用葡萄糖模拟废水，进水COD浓度为2，500mg/L，每升营养液中加入15mL微量元素溶液，为降低电池的内阻，提高阴极电导率，在阴极加入50mL磷酸盐缓冲溶液磷酸盐缓冲溶液的成分为Na2HPO4.12H2O(177.99g.L-1)，NH4CO3(67g.L-1)，KH2PO4(67.8g.L-1)。微量元素成分为MgSO4(10g.L-1)，CaCl2(1.5g.L-1)，FeCl3.6H2O(0.1g.L-1)，MnSO4.2H2O(2g.L-1)。
2.3反应过程的启动
(1)质子交换膜预处理：膜经H2O2(体积分数30%)中煮10min，然后依次在0.5mol/LH2SO4和1mol/LNaOH各浸泡2h，再用去离子水浸泡5h，最后保存在蒸馏水中备用。
(2)阳极室中的接种污泥在35℃条件下利用葡萄糖模拟废水培养15天，以恢复污泥的活性并富集菌种，基质为葡萄糖配制成的模拟营养液，pH值保持在6.5-7.5左右，COD约为1，000mg/L，厌氧泥及基质在进入反应器前，均需通入一定时间的氮气以去除其中的溶解氧。
3.去除率分析
由于不同的基质浓度获得的电压、内阻、功率密度各不相同，因此不同浓度基质时的COD去除率也必然不同。考察不同基质浓度的COD去除情况也是判断MFC功能的重要指标之一。实验研究了以高锰酸钾为阴极电子受体时，微生物燃料电池对不同基质浓度COD去除率，实验结果见表1。

如上表所示，6组不同基质浓度对应的COD去除率分别是80.0%、83.6%、83.7%、82.8%、81.1%、82.4%。COD去除率随着阳极基质浓度的增加先上升后下降，当基质浓度为1，500mg/L时获得最大的COD去除率。这是由于随着COD浓度的增加溶液导电性增加，功率密度也随之上升，产电微生物生长良好，对于COD的消耗较快，去除效率高；当COD得浓度增加到一定值后，非产电微生物会在某种程度上抑制产电微生物的生长，使COD的消耗速率下降，同时功率密度也会出现下降，最终导致COD的去除率有所下降。
不同基质浓度下的COD去除率不同，电流不同都会导致其库伦效率的不同。蔡小波等的研究表明，COD浓度增加时库伦效率会有所下降。将试验中得到的电压转化成电流密度，测定反应后溶液的COD，同时利用公式计算每个周期内MFC的理论产电量和实际产电量，求得不同基质浓度的库伦效率。见表2。

如表所示，当底物浓度由50mg/L增加到500mg/L时，库伦效率明显增加，由14.85%增加到17.42%，底物浓度由1，000mg/L增加到1，500mg/L时，库伦效率基本保持一致，维持在19%左右，当底物浓度由1，500mg/L上升为2，500mg/L时，库伦效率急剧下降，由18.83%下降到5.39%。本实验最高的库伦效率为18.92%，这比张嘉琪等以苯胺为阳极底物构建的及冯玉杰等利用CH3COONa作为MFC阳极底物得到的库伦效率要高。由六组不同基质浓度获得的库伦效率可以看出，库伦效率随着底物浓度增加而上升，当底物浓度在1500mg/L左右开始下降。这是由于电子在生物燃料电池内主要有3个去向，一部分转化成电量，一部分通过厌氧呼吸被消耗，还有一部分通过微生物的兼性厌氧和好氧呼吸被损失掉。当底物浓度在1，500mg/L以下时，产电微生物得到优势生长，充分利用底物产电，当底物浓度过高时，非产电微生物抑制了产电微生物的生长，消耗大量底物以供自身生长需要。因此，选择合适的底物浓度不仅可以提高电功率密度，还可以提高库伦效率。综合考虑各项因素，在后续的试验中选择底物浓度为1，500mg/L。
4.结论
膜分离技术是近些年发展起来的一种高新技术，也是当前节约型社会发展的关键技术。由于它具有高效、节能、设备简单的特点，使得这种技术在工业领域的运用也越来越普及。本文详细探讨了膜组件的一些基本技术，并根据常用的超滤膜技术在生物燃料电池上的应用做了实验分析。证明超滤膜技术是一种合理的分离技术，在固体废弃物或者工业废水的处理上技术可行。