对于浸没式中空纤维MBR系统,有几个设计和运行参数可以影响其性能。它们包括:曝气鼓泡时气泡的数量和性质,由此产生的液体流动的流量,纤维的放置方式,纤维的直径、长度,装填密度和松紧程度,生物质的浓度,操作方式等。
下面结合具体的应用来讨论影响MBR出水通量的因素。系统1使用一个错流室,允许流体以横向或轴向流过中空纤维,可以使用不同尺寸的中空纤维并且纤维间的间距可以调整。系统2使用一个料液罐,用以垂直安放实验室规模的中空纤维膜组件(约0.3m和0.5m长),在恒定的通量下进行抽吸压力监控。在这两个系统中使用的是孔径为0.2μm的聚丙烯中空纤维,外径从0.65mm到2.7mm不等。使用的生物质为干酵母,平均直径5μm。
1临界通量：在系统1中,曝气能显著增加处理出水流量。在出水量较小时效果明显,在出水量较大时效果不明显。通量随着曝气强度的增加而升高,最后稳定在一较高值上。曝气鼓泡可以降低可恢复和不可恢复阻力的程度。在理论上,当系统运行在固定出水通量条件下,可以做到在操作过程中固体颗粒不在膜表面上积累。当污染物开始积累时的出水通量被称为“临界通量”(Jcrit)。在这个通量下,对流所引起的固体物沉积,刚好被流体剪切力之类的作用所平衡,不会引起固体物在膜表面的沉积。可以用通量步进和观察TMP历史的方法来测量Jcrit,一旦TMP开始显著地增加,就意味着沉积就开始了并且通量超过了Jcrit。由于曝气鼓泡可以增强液体流动在膜表面形成的剪切作用,可以预料曝气鼓泡将使Jcrit增大。在临界通量和曝气气体在实际运行的MBR中,Jcrit并不是一个非常清晰的概念,这是因为:MBR反应器中的液体是一个由不同物种组成的混合物,每种物质对膜表面液体流动形成的剪切力有不同的响应,通量步进法只能测量主要物种的Jcrit;在浸没式MBR中,由于中空纤维内腔沿着轴向存在一个压差,所以中空纤维膜内存在着一个通量分布,这就意味着某些位置的通量大于Jcrit,而某些位置的通量小于Jcrit。因此,考虑“可持续通量”是很现实的做法,也就是在适当的操作周期内不需进行膜清洗而能持续的出水通量。可以认为“可持续通量”随着曝气气流速度的增加而增大。
2反应器内循环流流率：在实际操作中,曝气也是一个影响膜组件性能的重要因素。在浸没式MBR中,由曝气而形成的液流湍动可以降低膜表面污染物的积累。在浸没式MBR中,曝气形成的液流在反应器内形成升流区和降流区。当降流区的横截面积与升流区之比较小时,生物反应器内没有形成足够的液体流动用于清洗膜表面。当这个比值较大时(3.6～4.5),生物反应器内形成了适当的能够减缓膜面污染的流体流动。
3膜的放置方式：在系统1的测试中,浸没式中空纤维的性能变化很复杂,取决于纤维的尺寸和有无曝气鼓泡。无鼓泡:对于小纤维(id/od:0.39mm/0.65mm)横向放置效果好于竖直放置;对于大纤维(id/od=1.8mm/2.7mm),竖直放置效果好于横向放置。有鼓泡:竖直放置效果好于横向放置。有证据表明横向放置的膜单元能滞留部分气泡,不能够在膜表面形成充分的湍动与剪切作用。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4膜纤维的直径：在系统1中,较小的纤维比较大的纤维效果好,可能原因是较纤细的纤维更加易于活动,易随水流摆动,从而不利于污垢在膜表面的积累。在系统2的测试中,当使用最小直径的纤维并且纤维装填较松时,效果最佳。在实际应用中,要考虑到不能将中空纤维装填过松,否则液流有可能导致纤维丝的过度运动并损坏纤维丝。Fane等人提出一个数学模型用来模拟浸没式MBR中的中空纤维膜组件的行为,并使用该模型对一定长度的中空纤维膜直径予以优化以获得最大产率。他们认为,由于直径很小的纤维有着高的压力损失,而直径较大的纤维有着较低的装填密度和比表面积,所以对于一定长度的中空纤维膜,一定存在一个最优的纤维直径。杨大春等人采用水力学计算方法对中空纤维膜组件进行优化设计,发现膜的几何尺寸对产水量的影响很大,并提出在经济性允许的条件下应将膜选得尽量短:同时膜纤维端口的粘合长度越长,出水量越低。在膜的制造过程中,在强度允许的条件下应尽量缩短粘合长度。
