MBR烟气脱硫的降解特性及传质过程强化

苗峻赫

沈阳特种设备检测研究院 辽宁沈阳 110035

近年来一种新兴的生物处理技术——膜生物反应器（Membrane bioreactors，MBR）污染物处理技术。在MBR中，渗透膜将气相和液相回路分开，即解决了传统生物技术中液相传质阻力的问题，也避免了生物膜堵塞问题，能有效避免上述传统废气处理装置运行费用高、操作不稳定等缺点，还具有气液接触面积大、净化效率高、无二次污染等优点。本文设计了一种气相空间带有方形扰流柱的平板膜生物反应器以强化二氧化硫的传输，并进行二氧化硫降解实验。通过研究不同污染物入口浓度下反应器二氧化硫的降解效率和传质速率，探讨这种带有方形扰流柱结构的气体渗透腔对二氧化硫传输以及对反应器二氧化硫的降解特性的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验装置

实验系统主要由膜生物反应器、过滤瓶（1000ml）、蠕动泵（四通道）、空气泵、广口瓶（500ml）、恒温水域（30℃）、SO2钢瓶以及气体流量计所构成。可视化平板式膜生物反应器由气体渗透腔、憎水碳布、营养液循环腔组成，其中气体渗透腔尺寸为20 cm（长）×2 cm（宽）×0.2 cm（厚），营养液循环腔尺寸为20 cm（长）×2 cm（宽）×0.5 cm（厚），渗透膜材料为憎水碳布，作为生物膜生长的载体和分离气液两相的介质，SO2可以在浓度差的驱动下渗透通过膜材料。

1.2 实验方法

实验选用一株对溶解的硫化合物具有高效降解性能的革兰氏阴性菌属。培育定量固定菌种后，为实现细菌生物膜的生长采用了矿物盐培养基，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，柠檬酸铁：0.01 g/l。将菌悬液通入实验系统，MBR挂膜启动实验在常温25-30 ℃条件下进行，液相流量控制在20 ml/min，在反应器的气路侧通入一定浓度的SO2气体，在反应器的液路侧通过营养液的循环流动让菌种在憎水碳布上附着生长，形成生物膜。

1.3 测试方法

气相SO2浓度采用带火焰离子化探头的气相色谱（GC）（SC-2000四川仪表九厂）测量；MBR液相压力损失采用Validyne Dp15-22压力传感器（美国）测量；循环液吸光度（OD600nm值）利用722N型分光光度计（上海精科）测量；气体流量采用LBZ-2转子流量计测量。

1.4 反应器性能评价

本实验通过降解效率、传质速率、传质通量等指标评价膜生物反应器中二氧化硫的传输及降解特性。

2 实验结果及分析

二氧化硫浓度变化时降解性能的对比：

实验条件：液相pH保持在7左右，液相流量为1.5L/h，环境温度为20 ℃，气体流量为37.5 mL/min，改变二氧化硫入口浓度，研究反应器气相空间加入方形柱子之后降解效率、传质速率的变化情况，并与未加入方形扰流柱结构的反应器进行对比。

2.1 方形扰流柱结构对降解效率的影响

加入方形扰流柱结构前后反应器对二氧化硫的降解效率变化曲线如图1所示。从图中可以看出，气相空间加入方形扰流柱后反应器的降解效率有所提高。当二氧化硫入口浓度为0.5 g/m3时，与反应器未加入方形扰流柱气相空间相比，降解效率提高较明显，增大了8%，而随着二氧化硫入口浓度的升高，降解效率的提高幅度相应减小。这主要是因为，气体在气相空间流速很小，属层流状态，二氧化硫在气相中的传输以扩散为主。加入扰流柱后，气相空间的流动边界层被打破，在气相空间中形成扰动，使气相空间内二氧化硫由气相主流区到渗透膜界面的传输得到强化，从而提高二氧化硫的降解性能。在高二氧化硫浓度时，浓度的提高可使二氧化硫的传质驱动势增大，削弱了气相扰动带来的强化作用，降解效率的增幅变小。

图1 气相空间带和不带方形扰流柱的反应器降解效率对比

高浓度对扰动的强化作用有所削弱，低浓度段扰动的加强效果明显。

2.2 方形扰流柱结构对传质速率的影响

加入方形扰流柱结构前后反应器对二氧化硫的传质速率变化曲线如图2所示。从图中可以看出，气相空间加入方形扰流柱后反应器的传质速率要大于未加入方形扰流柱反应器。这主要是因为与反应器未加入方形扰流柱气相空间相比，方形扰流柱的加入后改变了原有流动状态，强化了气相空间与渗透膜的传质，流动加强传质系数也就增大，所以传质速率增大。

图2 气相空间带方形扰流柱的反应器传质速率

3 结语

通过对气相空间带方形扰流柱结构反应器的性能实验研究表明：随着二氧化硫入口浓度的增加，膜生物反应器降解效率降低，二氧化硫的传质速率增大；与未加入方形扰流柱结构的反应器相比，加入方形扰流柱后，反应器气相空间的流动状态发生改变，打破了流道内的层流流动，强化了二氧化硫由气相主流区到渗透膜界面的传输，传质系数增大，反应器降解效率提高。