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(yùn)行費(fèi)用高、操作不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，還具有氣液接觸面積大、凈化效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)化二氧化硫的傳輸，并進(jìn)行二氧化硫降解實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，MBR掛膜啟動實(shí)驗(yàn)在常溫25-30 ℃條件下進(jìn)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(shí)驗(yàn)通過降解效率、傳質(zhì)速率、傳質(zhì)通量等指標(biāo)評價膜生物反應(yīng)器中二氧化硫的傳輸及降解特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

二氧化硫濃度變化時降解性能的對比：

實(shí)驗(yàn)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(jìn)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?yàn)?，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(kuò)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?qiáng)化，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(qiáng)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(qiáng)化作用有所削弱，低濃度段擾動的加強(qiáng)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?yàn)榕c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(qiáng)化了氣相空間與滲透膜的傳質(zhì)，流動加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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。