多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法与流程

本发明涉及水处理技术及减缓膜污染的技术领域，具体是利用多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法。

背景技术：

管式膜具有流道宽、不易污染、易于清洗、对料液的预处理精度要求低等优点，近年来在液体分离领域得到了广泛的应用。然而，管式膜的应用仍然被膜污染导致膜通量下降而受到了限制，如何解决膜污染的问题日益迫切。

目前，控制膜污染的方法主要面临成本高、操作繁琐、膜损害大等问题，而通过膜表面的水力剪切作用控制膜污染可实现连续过滤、应用范围广、可操作性强，具有巨大潜力。

多相流是可影响水力剪切力的一种技术，是指同时存在两种或两种以上不同混合物质的流动。常见的多相流有气固两相流、气液两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液、气液固多相流等。多相流技术涉及范围十分广泛，几乎每一种过程处理技术都有涉及多相流动，预测这些过程流体流动行为的能力对于提高这些处理过程的效率和有效性存在十分重要的意义。

在多相相流的体系中，依靠气体喷射和密度差所产生的定向循环，利用气液两相流就能在膜面形成不稳定的错流运动，实现错流过滤，在相同液体流速下，气升错流过滤膜通量较单相流提升了30％，故得到了广泛的应用。通常气升式反应器有两个典型的分类即内环形ilar和外环形elar，elar由于其简单的构造、低能耗和好的混合效率在化学、生物和水处理工艺都有广泛的应用。

气液两相在管式膜内随着气含率的变化，管式膜组件内会形成不同形式的流态。其中弹状流对膜面存在较大的影响，对于管式膜内的弹状流过程，气弹状流和液弹状流在膜表面上造成了不同的湍流强度和剪切应力。膜表面交替暴露在弹状流的正负剪切力中，能有效的防止过滤物沉淀在膜表面上并且能够提升过滤量。研究证明当膜管内形成弹状流时，渗透通量提升了200％。然而，持续增加曝气速率却没有明显的影响，研究表明气液两相流过滤通量最高可达无曝气过滤时的4倍，能耗计算显示，在相同的能耗下，曝气过滤通量是无曝气时的2倍。气升过程明显降低了单位通量的过滤能耗，此时的膜表面剪切力最大，膜污染控制效果最好，所以在进行膜操作过程中需对曝气量进行具体优化，在达到膜污染控制的同时，节省能耗。也正因如此气升式管式膜的应用领域逐渐被拓宽，脉冲气流作为一种新型的技术对减缓膜污染效果显著，现已引起更多的研究者的关注。

技术实现要素：

本发明的目的是克服当前控制膜污染方法中的不足，提供一种能进一步节省能源和减少膜污染的多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法。

本发明的技术方案概述如下：

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用外置式气升式管式膜系统，外置式气升式管式膜系统包括待过滤水箱1，待过滤水箱的上部通过管道依次与第一阀门2和管式膜5的上部连接；待过滤水箱的下部通过管道依次与第二阀门4和管式膜的下部连接；管式膜上部通过管道依次与出水阀门8、真空表9、产水泵10和产水水箱11连接，在管式膜高的三分之二处设置有导电电极3，导电电极与数据采集系统电连接，管式膜底部通过管道依次与气体流量计6和气泵7连接，气泵与供气装置连接；将待过滤水箱1中的污水通过第二阀门4进入管式膜5中；控制气泵7通过气体流量计6调节低速曝气速率30l/h，曝气处理60-120s；停止曝气30-120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理30-120s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门8打开，观察真空表9，在产水泵10的作用下产水进入产水水箱11中，未完全处理的污水经过第一阀门2进入待过滤水箱1中。

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用内置式气升式管式膜系统，内置式气升式管式膜系统包括待过滤水箱21,在待过滤水箱的内部设置有浸没式管式膜22，浸没式管式膜22的上部通过管道贯穿待过滤液水箱侧壁依次与出水阀门26、真空表27、产水泵28和产水水箱29连接，在浸没式管式膜的三分之二处设置有导电电极25，导电电极与数据采集系统电连接，浸没式管式膜底部通过管道贯穿待过滤液水箱侧壁依次与气体流量计23和气泵24连接，气泵与供气装置连接；将待过滤水箱21中的污水进入浸没式管式膜中；控制气泵24通过气体流量计23调节低速曝气速率60l/h，曝气处理60-120s；停止曝气30-120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理30-120s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门26打开，观察真空表27，在产水泵28的作用下产水进入产水水箱29中。

本发明的优点：本发明的方法，有利于减缓膜污染。改变气速以及间隔时间能够降低总气量达到节省能源的目的，最终降低膜的污染程度。

附图说明

图1为外置式气升式管式膜系统示意图。

图2为内置式气升式管式膜系统示意图。

图3(a)外置式气升式管式膜在30l/h和90l/h的交替气速下不同间歇时间tmp的生长速率；(b)内置式气升式管式膜在60l/h和90l/h的交替气速下不同间歇时间tmp的生长速率。

具体实施方法

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用外置式气升式管式膜系统(见图1)，外置式气升式管式膜系统包括待过滤水箱1，待过滤水箱的上部通过管道依次与第一阀门2和管式膜5的上部连接；待过滤水箱的下部通过管道依次与第二阀门4和管式膜的下部连接；管式膜上部通过管道依次与出水阀门8、真空表9、产水泵10和产水水箱11连接，在管式膜高的三分之二处设置有导电电极3，导电电极与数据采集系统电连接，管式膜底部通过管道依次与气体流量计6和气泵7连接，气泵与供气装置连接；将待过滤水箱1中的污水(1g/l的乳化油废水)通过第二阀门4进入管式膜5中；控制气泵7通过气体流量计6调节低速曝气速率30l/h，曝气处理90s；停止曝气(间歇时间)分别设定：10s、30s、60s120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理70s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门8打开，观察真空表9，在产水泵10的作用下产水进入产水水箱11中，未完全处理的污水经过第一阀门2进入待过滤水箱1中，(见图3a)。

交替曝气的tmp增长速率与持续使用高速曝气的tmp增长速率相同，即交替曝气就可达到持续高速曝气的处理效果，在该状态下处理的污水截留率在99％以上，可明显看出处理之后水中无悬浮油滴。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

实施例2

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用外置式气升式管式膜系统(见图1)，外置式气升式管式膜系统同实施例1；将待过滤水箱1中的污水通过第二阀门4进入管式膜5中；控制气泵7通过气体流量计6调节低速曝气速率30l/h，曝气处理60s；停止曝气(间歇时间)60s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理30s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门8打开，观察真空表9，在产水泵10的作用下产水进入产水水箱11中，未完全处理的污水经过第一阀门2进入待过滤水箱1中。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

实施例3

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用外置式气升式管式膜系统(见图1)，外置式气升式管式膜系统同实施例1；将待过滤水箱1中的污水通过第二阀门4进入管式膜5中；控制气泵7通过气体流量计6调节低速曝气速率30l/h，曝气处理120s；停止曝气(间歇时间)120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理120s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门8打开，观察真空表9，在产水泵10的作用下产水进入产水水箱11中，未完全处理的污水经过第一阀门2进入待过滤水箱1中。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

实施例4

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用内置式气升式管式膜系统(见图2)，内置式气升式管式膜系统包括待过滤水箱21,在待过滤水箱的内部设置有浸没式管式膜22，浸没式管式膜22的上部通过管道贯穿待过滤液水箱侧壁依次与出水阀门26、真空表27、产水泵28和产水水箱29连接，在浸没式管式膜的三分之二处设置有导电电极25，导电电极与数据采集系统电连接，浸没式管式膜底部通过管道贯穿待过滤液水箱侧壁依次与气体流量计23和气泵24连接，气泵与供气装置连接；将待过滤水箱21中的污水(1g/l的乳化油废水)进入浸没式管式膜中；控制气泵24通过气体流量计23调节低速曝气速率60l/h，曝气处理90s；停止曝气(间歇时间)分别设定：10s、30s、60s120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理70s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门26打开，观察真空表27，在产水泵28的作用下产水进入产水水箱29中。在该状态下处理的污水截留率在99％以上，可明显看出处理之后水中无悬浮油滴。见图3b。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

实施例5

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用内置式气升式管式膜系统(见图2)，内置式气升式管式膜系统同实施例4；将待过滤水箱21中的污水进入浸没式管式膜中；控制气泵24通过气体流量计23调节低速曝气速率60l/h，曝气处理60s；停止曝气(间歇时间)60s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理30s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门26打开，观察真空表27，在产水泵28的作用下产水进入产水水箱29中。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

实施例6

一种多相流技术减缓气升式管式膜污染的方法，包括如下步骤：使用内置式气升式管式膜系统(见图2)，内置式气升式管式膜系统同实施例4；将待过滤水箱21中的污水进入浸没式管式膜中；控制气泵24通过气体流量计23调节低速曝气速率60l/h，曝气处理120s；停止曝气(间歇时间)120s，再调节高速曝气速率90l/h，曝气处理120s；低速与高速交替运行，形成周期性脉冲气流，使污水产生弹状流；数据采集系统1米/秒自动记录导电电极的电压信号，获得弹状流相关流体动力学参数，监测运行状况，污水处理完成后，将出水阀门26打开，观察真空表27，在产水泵28的作用下产水进入产水水箱29中。

采用低速曝气，停止曝气，再高速曝气，交替曝气，即可达到一直使用高速曝气的效果，从而实现了节能的目的，而交替曝气形成弹状流则减缓了膜污染过程。

高速曝气可以剥离滤饼层。

当间隔时间为60s时，tmp的生长速率与恒定空气流量的最佳通气率90l/h的生长速率相同，tmp的增长速率降低则膜污染被减缓。