苗峻赫

沈陽特種設(shè)備檢測研究院 遼寧沈陽 110035

近年來一種新興的生物處理技術(shù)——膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactors，MBR）污染物處理技術(shù)。在MBR中，滲透膜將氣相和液相回路分開，即解決了傳統(tǒng)生物技術(shù)中液相傳質(zhì)阻力的問題，也避免了生物膜堵塞問題，能有效避免上述傳統(tǒng)廢氣處理裝置運行費用高、操作不穩(wěn)定等缺點，還具有氣液接觸面積大、凈化效率高、無二次污染等優(yōu)點。本文設(shè)計了一種氣相空間帶有方形擾流柱的平板膜生物反應(yīng)器以強化二氧化硫的傳輸，并進行二氧化硫降解實驗。通過研究不同污染物入口濃度下反應(yīng)器二氧化硫的降解效率和傳質(zhì)速率，探討這種帶有方形擾流柱結(jié)構(gòu)的氣體滲透腔對二氧化硫傳輸以及對反應(yīng)器二氧化硫的降解特性的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)主要由膜生物反應(yīng)器、過濾瓶（1000ml）、蠕動泵（四通道）、空氣泵、廣口瓶（500ml）、恒溫水域（30℃）、SO2鋼瓶以及氣體流量計所構(gòu)成?？梢暬桨迨侥ど锓磻?yīng)器由氣體滲透腔、憎水碳布、營養(yǎng)液循環(huán)腔組成，其中氣體滲透腔尺寸為20 cm（長）×2 cm（寬）×0.2 cm（厚），營養(yǎng)液循環(huán)腔尺寸為20 cm（長）×2 cm（寬）×0.5 cm（厚），滲透膜材料為憎水碳布，作為生物膜生長的載體和分離氣液兩相的介質(zhì)，SO2可以在濃度差的驅(qū)動下滲透通過膜材料。

1.2 實驗方法

實驗選用一株對溶解的硫化合物具有高效降解性能的革蘭氏陰性菌屬。培育定量固定菌種后，為實現(xiàn)細菌生物膜的生長采用了礦物鹽培養(yǎng)基，配方如下：葡萄糖：0.2 g/l，NH4Cl : 0.4 g/l，K2HPO4: 1.2 g/l，KH2PO4: 1.2 g/l，MgCl2.6H2O : 0.2 g/l，檸檬酸鐵：0.01 g/l。將菌懸液通入實驗系統(tǒng)，MBR掛膜啟動實驗在常溫25-30 ℃條件下進行，液相流量控制在20 ml/min，在反應(yīng)器的氣路側(cè)通入一定濃度的SO2氣體，在反應(yīng)器的液路側(cè)通過營養(yǎng)液的循環(huán)流動讓菌種在憎水碳布上附著生長，形成生物膜。

1.3 測試方法

氣相SO2濃度采用帶火焰離子化探頭的氣相色譜（GC）（SC-2000四川儀表九廠）測量；MBR液相壓力損失采用Validyne Dp15-22壓力傳感器（美國）測量；循環(huán)液吸光度（OD600nm值）利用722N型分光光度計（上海精科）測量；氣體流量采用LBZ-2轉(zhuǎn)子流量計測量。

1.4 反應(yīng)器性能評價

本實驗通過降解效率、傳質(zhì)速率、傳質(zhì)通量等指標評價膜生物反應(yīng)器中二氧化硫的傳輸及降解特性。

2 實驗結(jié)果及分析

二氧化硫濃度變化時降解性能的對比：

實驗條件：液相pH保持在7左右，液相流量為1.5L/h，環(huán)境溫度為20 ℃，氣體流量為37.5 mL/min，改變二氧化硫入口濃度，研究反應(yīng)器氣相空間加入方形柱子之后降解效率、傳質(zhì)速率的變化情況，并與未加入方形擾流柱結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器進行對比。

2.1 方形擾流柱結(jié)構(gòu)對降解效率的影響

加入方形擾流柱結(jié)構(gòu)前后反應(yīng)器對二氧化硫的降解效率變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，氣相空間加入方形擾流柱后反應(yīng)器的降解效率有所提高。當(dāng)二氧化硫入口濃度為0.5 g/m3時，與反應(yīng)器未加入方形擾流柱氣相空間相比，降解效率提高較明顯，增大了8%，而隨著二氧化硫入口濃度的升高，降解效率的提高幅度相應(yīng)減小。這主要是因為，氣體在氣相空間流速很小，屬層流狀態(tài)，二氧化硫在氣相中的傳輸以擴散為主。加入擾流柱后，氣相空間的流動邊界層被打破，在氣相空間中形成擾動，使氣相空間內(nèi)二氧化硫由氣相主流區(qū)到滲透膜界面的傳輸?shù)玫綇娀?，從而提高二氧化硫的降解性能。在高二氧化硫濃度時，濃度的提高可使二氧化硫的傳質(zhì)驅(qū)動勢增大，削弱了氣相擾動帶來的強化作用，降解效率的增幅變小。

圖1 氣相空間帶和不帶方形擾流柱的反應(yīng)器降解效率對比

高濃度對擾動的強化作用有所削弱，低濃度段擾動的加強效果明顯。

2.2 方形擾流柱結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)速率的影響

加入方形擾流柱結(jié)構(gòu)前后反應(yīng)器對二氧化硫的傳質(zhì)速率變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，氣相空間加入方形擾流柱后反應(yīng)器的傳質(zhì)速率要大于未加入方形擾流柱反應(yīng)器。這主要是因為與反應(yīng)器未加入方形擾流柱氣相空間相比，方形擾流柱的加入后改變了原有流動狀態(tài)，強化了氣相空間與滲透膜的傳質(zhì)，流動加強傳質(zhì)系數(shù)也就增大，所以傳質(zhì)速率增大。

圖2 氣相空間帶方形擾流柱的反應(yīng)器傳質(zhì)速率

3 結(jié)語

通過對氣相空間帶方形擾流柱結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的性能實驗研究表明：隨著二氧化硫入口濃度的增加，膜生物反應(yīng)器降解效率降低，二氧化硫的傳質(zhì)速率增大；與未加入方形擾流柱結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器相比，加入方形擾流柱后，反應(yīng)器氣相空間的流動狀態(tài)發(fā)生改變，打破了流道內(nèi)的層流流動，強化了二氧化硫由氣相主流區(qū)到滲透膜界面的傳輸，傳質(zhì)系數(shù)增大，反應(yīng)器降解效率提高。