五孔支撑结构中空纤维膜在MBR内的传质特性及通量衰减机理研究

Due to the hollow fiber membrane are broken and shrunken easily in the application of wastewater treatment, we have prepared the high strength five-bore hollow fiber membrane succefully. In this research, it is the first time that the five-bore support structure as the object of study. This research will focus on the mass transfer characteristics and flux deline of five-bore hollow fiber membrane base on three points of “five-bore distribution”,large-diameter fiber and low packing density, with the gas-liquid two-phase flow in MBR. We plane to carry out the following research:.1,Study on the role of “five-bore distribution” in the process of mass transfer, to determine the influence of five-bore structure on flux deline, and model the mass transfer of five-bore fiber..2, Study on the influence of large-diameter fiber on the hydrodynamic parameters,such as gas-liquid two-phase flow velocities, tangential stress on the surface of fiber, to analyze the relationship between large-diameter fiber and the mass transfer characteristics, flux deline..3, Study on the relationship between fiber spacing and flow velocity distribution under the low packing density, to analyze the interaction of these fibers at the different location under the gas-liquid two-phase flow and the influence of packing density on the mass transfer characteristics and the flux deline..In this research, it will be ensured by a comprehensive analysis that the major factor in “five-bore distribution”,large-diameter fiber and low packing density influences the flux deline. The achievement of this research will provide important data and theoretical basis for the explore of five-bore membrane fouling mechanism.

针对中空纤维膜在废水处理中易断裂、易吸瘪的问题，本课题组自主研发了具有自支撑作用的高强度五孔中空纤维膜。本课题首次以五孔支撑结构为研究对象， 在MBR中气液二相流的作用下，针对“五孔分配”、膜直径粗、组件装填密度低等特点，研究五孔膜的传质特性及通量衰减变化。本课题拟开展以下方面的研究：.1、研究“五孔分配”在传质过程中的作用，确定五孔结构对通量衰减的影响，建立五孔膜的传质模型；.2、研究粗膜丝直径对膜面的气液二相流速、切向应力等流体力学参数的影响程度，分析粗膜直径与传质特性及通量衰减的关系。.3、研究低装填密度下膜丝间距与流速分布的关系，分析在气液二相流作用下不同位置膜丝间的相互作用以及装填密度对传质特性和通量衰减的影响。.本课题将综合分析“五孔分配”、膜直径粗、装填密度低三因素对通量衰减的影响程度，确定其主要影响因素。其研究成果将为进一步探索五孔膜污染机理提供重要的基础数据和理论依据。

本课题组自主研发的五孔支撑中空纤维膜（五孔膜）独特的五孔支撑结构，使膜丝的机械强度大幅度提高，能有效减少断丝，延长膜的使用寿命。本研究以五孔结构为出发点，主要围绕膜生物反应器（MBR）中气液固三相流作用下的流体力学行为与膜表面的相互作用展开，利用计算流体力学（CFD）中的FLUENT软件模拟整个反应器和膜表面的流场，试验测定每根膜的通量与污染情况，深入研究五孔膜“五孔分配”特征、粗膜丝直径、低装填密度与MBR中流体力学参数间的关系，进而对传质特性和通量衰减的影响。. 本研究根据试验要求，成功设计并搭建了能稳定测定每根膜丝通量及污染状态的MBR装置。利用预设真空室稳定压力，保证每根膜丝所受压力一致；将9根膜丝固定成3×3的形式，并可拆卸替换、调节膜丝间距，顺利改变试验条件进行测试。通过考察单根的五孔膜和单孔膜的水力学环境与通量变化，发现膜丝直径增大，使膜丝周围的湍流强度变大，膜面剪切力增大，有利于膜表面颗粒物的去除以及滤饼层沉积的均匀性，从而有效减缓膜污染。对于装填密度的改变对膜丝间的相互影响研究发现，由于整个膜组件的“束阻力”，整个膜组件外围的液相流速很难进入组件内部，因此膜组件内部的液相流速远小于整个反应器的液相流速。当膜丝间距小于膜直径时，膜丝间的“渗透竞争”明显，导致膜丝外的液相流速减小，组件中不同位置膜丝的污染程度明显不同。中心膜丝表面的颗粒物沉积量达到2.25mg/cm2，而角膜丝表面只有0.93mg/cm2。因此，低装填密度对于五孔膜起到促进传质，减缓通量衰减的作用，而粗直径也促使膜面的剪切力增大，因此五孔膜的传质效果优于传统单孔膜，其在运行过程中抗膜污染效果更佳。基于Hagen-Poiseuille定律的多孔介质渗透模型，将五孔膜中的每个单独小孔为研究对象，确定以扩散流动中的空间阻力因素、壁面阻力对扩散的影响因素和过滤流动系数为主要的考察变量，后续将进一步明确五孔膜的传质机理。本项目的研究成果可应用于其膜组件和反应器工艺设计过程中的参数优化，提高膜运行效率，减缓膜污染。