混凝-气提-超滤膜内多相流耦合作用机制及膜滤效能的研究

The membrane performance and efficiency can be improved by combined treatment processes. Among these processes, it is widely accepted that the control of membrane fouling and effluent water quality can be efficiently obtained by coagulation-membrane filtration. However, this combined unit process still exist some problems that need to be solved. Some part of flocs stay in the system for long time can lead to poor effluent water quality resulting from organic matter desorption from the floc, low permeation flux from compression of cake layer and the difficulty of cleaning. A new type of combined processes coagulation-air lift-ultrafiltration membrane is employed in this proposal. The mechanism of bubbles, flocs, water multiphase flow and the performance and efficiency of membrane are the key part of this proposal, the purpose is to achieve efficient operation and high water quality. By controlling bubbles velocity and concentration(batch or continous), coagulation conditions, steady or pulsate flow, transmembrane pressure ect, the processes of coagulation-air lift-ultrafiltration could be efficiently combined. A highly automated system would be build in order to test the multiphase flow mechanism and efficient operation strategy. The floc size distribution, fractral dimension, bubbles velocity and concentration, foulant resistance changing trend, shear force on the membrane surface, water quality etc would be measured to realize the above mentioned purpose.

采用膜组合处理技术可以不同程度的改善膜的性能。各种组合处理工艺中，混凝-膜滤目前是控制膜污染及提高水质处理效果的有效方法。但该工艺实际运行中存在部分絮体滞留时间过长，有机物从絮体上脱附致使水质变差，滤饼层长期形成后会质密通量减小且难以清洗。因此，本研究采用新型的组合工艺混凝-气提-超滤膜，以该工艺内气泡、絮体、水多相流相互作用机理及膜的效能为研究的核心，以期达到经济节能的运行和高的水质处理效率。通过对气泡上升速度与浓度（间歇或连续）、混凝条件、稳定或脉动流、跨膜压差等参数的控制，实现混凝-气提-超膜滤技术的有机组合。拟采用自动化模型控制系统，通过仪器分析絮体尺寸分布、分形维数，气泡速度、浓度，膜表面污染层的阻力变化，膜表面水力剪切力，水质参数等，将膜性能分析与多相流耦合作用机理分析相结合，进行系统性实验。以提高水质处理效果和控制膜的制水成本为目标，提出优化运行与控制策略。

采用膜组合处理技术可以不同程度的改善膜的性能。各种组合处理工艺中，混凝-膜滤是控制膜污染及提高水质处理效果的有效方法。但改工艺实际运行中存在部分絮体滞留时间过长，有机物从絮体上脱附致使水质变差，滤饼层长期形成后会质密通量减小且难以清洗。因此，本研究采用新型的组合工艺混凝-气提-超滤膜，开发了两种絮体分离装置（直筒型絮体分离装置和堆叠斜板型絮体分离装置），并分别在不同曝气条件下，对比引入了这两种絮体分离装置的膜组件和没有引入辅助絮体分离装置的膜组件的膜滤效能。研究了不同装置分别在曝气和不曝气条件下对超滤出水水质、控制超滤膜污染、絮体分离效果、超滤组件内的水力条件、超滤膜表面滤饼层形态等的影响，并重点评价了堆叠斜板絮体分离装置在不同曝气量下的效能。优化了该组合工艺中的气提运行条件，即同时考虑膜污染程度和曝气能耗，在连续曝气和间歇曝气两种模式下分别对不同的气体流量进行了实验，并对气泡特征、水质指标、膜污染程度和曝气能耗进行了综合分析，以求找到最适合该组合工艺的气提方式。通过对三种絮体分离膜组件运行效果的研究，揭示了不同装置在不同水力条件下对膜滤效能的影响，以及三种装置各自的优缺点。同时，对混凝-气提-超滤膜组合工艺内多相流耦合作用机制有了更深的认识，为控制组合工艺的最佳运行条件奠定了基础。