【導(dǎo)讀】船舶船艙底水處理裝置是船舶的重要防污染設(shè)備之一。重，含油污水處理技術(shù)在船舶防污染、污水凈化處理方面的綜合效果，作為一種比較成熟的處理方式在遠(yuǎn)洋船舶上得到廣泛應(yīng)用。如果繼續(xù)使用原有的油污水分離裝置，仍會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成。針對(duì)船舶艙底水中乳化油難以分離的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)膜分離超。舶艙底水中乳化油對(duì)海洋環(huán)境造成的危害。的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了分離乳化液的超濾膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)。件污染，有效提高膜組件的使用壽命。了模型的正確性。水分離裝置并進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，最終通過(guò)中國(guó)船級(jí)社型式認(rèn)可試驗(yàn)，

　　

【正文】 二次污染。本文著重對(duì)雙向流和清水反沖洗進(jìn)行研究，所謂反沖洗是指從膜的透過(guò)側(cè)通過(guò)液體沖洗, 將膜面污染物除去的方法。裝置連續(xù)運(yùn)行 4 小時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行反向沖洗，沖洗水壓力控制在 MPa，沖洗水從透過(guò)液出口進(jìn)入膜組件內(nèi)部，從油污水進(jìn)口排出。沖洗 15 分鐘后，裝置開(kāi)始運(yùn)行，膜透過(guò)液流量隨時(shí)間變化曲線如圖 2－4 所示。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的反沖洗，膜組件仍可恢復(fù)到初次使用時(shí)的通量，甚至通量略有提高。其分離性能較第一次分離過(guò)程也有很大改善。從圖中可以看出聚偏氟乙烯超濾膜組件的恢復(fù)性能最好。（3）壓力對(duì)膜透過(guò)液流量的影響圖 2－5 是改變壓力時(shí)對(duì)透過(guò)液的影響。由圖可見(jiàn)，當(dāng)壓力較低時(shí)，膜組件的透過(guò)液通量也較低，當(dāng)提高壓力時(shí)，透過(guò)液通量隨著壓力的增高而迅速提高，并在某一點(diǎn)達(dá)到最大值。超濾膜透過(guò)液通量與操作壓力的關(guān)系取決于膜和邊界層性質(zhì)，在膜未受污染時(shí)，濃差極化作用可以忽略，膜透過(guò)液通量與壓力成正比。隨著過(guò)濾過(guò)程的進(jìn)行，膜表面逐漸形成凝膠層造成膜的污染，通量也隨壓力增長(zhǎng)緩慢。如果繼續(xù)增加膜組件進(jìn)口液壓力，滲透液流量反而可能有所降低，這主要是因?yàn)楫?dāng)壓力較大時(shí)，膜管內(nèi)料液大量通過(guò)膜孔，致使污水中大量的污染物如乳化油顆粒堵塞在膜表面造成膜的污染，從而使透過(guò)膜的水的通量降低。22上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究圖 25 壓力對(duì)透過(guò)液通量的影響The infection of the pressure to the Permeation quantity（4）溫度對(duì)膜透過(guò)液流量的影響由于膜組件正常工作溫度保持在 5～45℃之間，而透過(guò)液通量也是隨溫度的升高而升高，在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所分離的艙底水溫度保持在 40℃左右。溫度越高，艙底含油污水的黏度越低，在膜內(nèi)流過(guò)時(shí)阻力也越小，從而可以提高膜面流速，降低濃差極化現(xiàn)象。另一方面也使?jié)B透液通量增加。但溫度增加值應(yīng)充分考慮膜分離裝置的正常工作溫度，以免影響膜組件的使用壽命。下圖 2－6 是透過(guò)液流量隨溫度變化曲線。23上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究圖 2－6 透過(guò)液流量隨溫度變化曲線The infection of the temperature to the Permeation quantity（5）濾器對(duì)膜透過(guò)液流量的影響本實(shí)驗(yàn)初期采用過(guò)濾精度在 100μm 左右的粗濾器，從而導(dǎo)致膜組件在一小時(shí)內(nèi)臟堵，不符合實(shí)驗(yàn)要求，由此可見(jiàn)，料液前處理的重要性。采用過(guò)濾精度為 25μm的濾器和 10μm 的精濾器，使其串連在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行分離液進(jìn)入膜組件前的過(guò)濾，效果表明，使用合適精度的濾器可以減輕膜分離組件的工作負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)膜組件的使用壽命，并且使分離裝置分離的排放水符合排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，選擇合適精度的濾器對(duì)于膜分離試驗(yàn)裝置來(lái)說(shuō)尤為重要。本實(shí)驗(yàn)裝置后期采用雙聯(lián)組合濾器[30]，該濾器采用兩組濾器并聯(lián)，每組濾器串聯(lián)兩個(gè)不同精度（25μm和 10μm）的濾器，當(dāng)一組濾器堵塞時(shí)可以方面更換至另一組濾器，不妨礙工作的連續(xù)進(jìn)行，效果非常好，試驗(yàn)?zāi)そM件的壽命得到很大提高。試驗(yàn)證明，使用雙聯(lián)組合濾器后，膜組件的使用壽命延長(zhǎng)至 200 小時(shí)以上。(6)油份濃度檢測(cè)圖 27 是分離裝置過(guò)程中每隔半小時(shí)進(jìn)行采樣所測(cè)得的油份濃度曲線。試驗(yàn)表明，超濾膜分離裝置完全符合艙底水分離裝置分離乳化油的相關(guān)要求。在分離過(guò)程中聚偏氟乙烯超濾膜組件所分離的水清潔度較高，是理想的超濾膜分離裝置膜組件。24上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究所進(jìn)行的試驗(yàn)中，在經(jīng)膜分離后的排放水油份濃度均低于 6ppm，完全符合油污水排放規(guī)定。因此，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮如何提高膜分離裝置的正常使用時(shí)間即提高膜組件的壽命問(wèn)題。通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)包括交換不同過(guò)濾精度的濾器，我們建議采取雙聯(lián)組合濾器，使用該雙聯(lián)組合濾器，一方面減輕膜組件分離乳化液的工作負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)膜組件的使用壽命，另一方面還可以提高分離水水質(zhì)，使分離后的水符合排放標(biāo)準(zhǔn)。圖 27 油份濃度采樣檢測(cè)Sample of the oil concentration當(dāng)然，還有其它方法也應(yīng)該注意，例如，選擇合適的操作壓力；在分離過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆礇_洗；適當(dāng)提高料液的溫度；以及采取有效的措施提高膜面流速。較高的料液流速可以有效防止?jié)獠顦O化、提高設(shè)備處理能力。但膜面流速一般很難控制，流動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，單純以提高壓力來(lái)提高膜面流速受諸多因素影響。 小結(jié)25上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究本章在分析膜分離基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了分離乳化液的超濾膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中所記錄下的數(shù)據(jù)分別繪制通量與時(shí)間，壓力，溫度的變化趨勢(shì)。本試驗(yàn)研究很好的反應(yīng)出了膜的理論特性。即隨著分離時(shí)間的增加，由于膜面凝膠極化等因素使得膜的通量下降；壓力的升高使得作為推動(dòng)力的壓差升高而使得通量上升；而溫度的升高降低了料液的黏度，從而使得膜的通量上升。利用中空纖維膜超濾技術(shù)處理乳化液廢水具有極高的效率，它針對(duì)乳化液難以處理的主要原因，即小油滴難以聚集成大油滴而上浮去除，而應(yīng)用膜分離可將乳化液濃縮，使油的濃度大大增加，從而實(shí)現(xiàn)油水分離。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及膜組件的選擇和系統(tǒng)的優(yōu)化配置提供了有力支撐，同時(shí)為深入的理論研究和實(shí)船試驗(yàn)研究提供了很好的試驗(yàn)平臺(tái)。26上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 船舶艙底含油污水處理技術(shù)仿真研究3. 超濾膜的防污染及其通量的仿真分析在膜分離過(guò)程中會(huì)發(fā)生膜污染現(xiàn)象，膜污染使膜的滲透通量及截留率等性能發(fā)生改變，膜的使用壽命縮短，這成為膜分離技術(shù)在船舶油污水分離裝置中應(yīng)用的一大瓶頸。本章在乳化液膜分離試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)膜通量模型進(jìn)行仿真計(jì)算。提出了濃差極化對(duì)膜通量模型影響應(yīng)體現(xiàn)在兩方面。在膜阻力分析中，針對(duì)反向擴(kuò)散對(duì)濾餅層的影響導(dǎo)出新的方程。導(dǎo)出關(guān)于膜通量模型的新的方程，代入乳化液膜分離得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)值分析求解模型最優(yōu)參數(shù)，利用 matlab 控制系統(tǒng)仿真模塊建立模型進(jìn)行仿真。并提出了預(yù)防膜污染的措施，大大延長(zhǎng)膜的使用壽命，降低了運(yùn)行、維護(hù)成本。 超濾的基本傳質(zhì)理論 濃差極化超濾特性一般可用透過(guò)通量（ JV ）和表觀截留率（ Ra ）兩個(gè)基本量來(lái)表示。膜的透過(guò)通量用單位時(shí)間內(nèi)、單位面積膜上透過(guò)的溶液量來(lái)表示JV =VAt(31)式中2V———濾液體積， m3 ；A———分離膜的有效面積， m2 ；t———獲得 V 體積濾液所需的時(shí)間，s。溶質(zhì)的截留率，可通過(guò)溶液的濃度變化測(cè)出，即由原液濃度和透過(guò)液濃度可求出表觀截留率 （ Ra ），定義如下。27JV ———透過(guò)通量， m3 / (m s) ；上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 船舶艙底含油污水處理技術(shù)仿真研究Ra = 1 ?c pcb（32）式中cb ———原液濃度， mg / L ；c p ———透過(guò)液濃度， mg / L 。超濾分離中，由于篩分作用，料液中的部分大分子溶質(zhì)被膜截留，溶劑及小分子溶質(zhì)能自由地透過(guò)膜，表現(xiàn)出超濾膜的選擇性，截留物在膜表面累積增多，膜表面料液濃度逐漸上升，在濃度梯度作用下，近膜表面的溶質(zhì)又以相反方向料液擴(kuò)散，平衡狀態(tài)時(shí)膜表面形成一定的溶質(zhì)濃度分布邊界層，對(duì)溶劑等小分子的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化對(duì)超濾膜性能有很大影響，當(dāng)膜面上截留溶質(zhì)的濃度增加到一定值時(shí)，在膜面上會(huì)形成一層凝膠層，該凝膠層對(duì)料液流動(dòng)產(chǎn)生很大阻力，因而使得膜透過(guò)通量急劇下降。由于濃差極化現(xiàn)象的存在，膜表面截留的溶質(zhì)濃度為ｃｍ，所以膜的真實(shí)截留率 R 應(yīng)為R = 1 ?c pcm（33）截留率 R 雖然能真實(shí)地表示超濾的特性，但由于膜表面濃度無(wú)法測(cè)定，所以可按濃差極化模型進(jìn)行計(jì)算。膜表面被截留的溶質(zhì)，會(huì)沿濃度梯度向料液方向擴(kuò)散，當(dāng)溶質(zhì)以對(duì)流方式向膜方向的傳遞量等于滲透通量與反向擴(kuò)散通量之和時(shí)，擴(kuò)散得到平衡。J c p + Ddcdx= J c(34)式中c———溶質(zhì)質(zhì)量濃度， mg / L ；2D———擴(kuò)散系數(shù)， m2 / s 。28J———膜透過(guò)通量， m3 / (m s) ；上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 船舶艙底含油污水處理技術(shù)仿真研究邊界條件為：x=0 時(shí) c= cm ；x＝δ ? c= cb 。將邊界條件代入式（34）積分，可得到下列濃差極化方程式。cm ? c pcb ? c p= expJ228。D(35)其中，擴(kuò)散系數(shù) D 與邊界層厚度 δ 之比為傳質(zhì)系數(shù)，即 K＝D/δ。引入傳質(zhì)系數(shù)K 和真實(shí)截留率，式(35)則為cmc p=JKR + (1 ? R) expJK(36)式中， cm / c p 稱為濃差極化模數(shù)，隨著通量 J 增大、截留率 R 增加以及傳質(zhì)系數(shù) K 減小，濃差極化模數(shù)增大，即膜表面的濃度 cm 增大。[11] [25]當(dāng)溶質(zhì)被膜完全截留時(shí)（即 R=1 和 c p ＝0），式（35）則為cmcb= expJ228。D(37) 傳質(zhì)系數(shù)濃差極化層內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù) K，受體系流體力學(xué)狀況影響較大，可以采用傳質(zhì)數(shù)并聯(lián)式計(jì)算，當(dāng)膜組件內(nèi)的流動(dòng)為層流時(shí)，可用萊維科式進(jìn)行計(jì)算。準(zhǔn)Sh = (L)（38）式中 Sh ———舍伍德數(shù)， Sh ＝ Kd h / D ；Re ———雷諾數(shù)， Re =Ud h / 227。 ；29expRe Sdh 13上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 船舶艙底含油污水處理技術(shù)仿真研究Sc ———施密特?cái)?shù)， Sc = 227。 / D ；d h ———當(dāng)量直徑，m；L ———膜的長(zhǎng)度，m。式（38）的適應(yīng)范圍為 1000 Re Sd h /L5000。由式（38）求得的傳質(zhì)系數(shù)是沿膜長(zhǎng)L 的平均值。湍流時(shí)可按照德斯來(lái)爾提出的方程進(jìn)行計(jì)算。(39)實(shí)際使用的膜組件，除了管式和中空纖維式外，一般在流道中要加入湍流促進(jìn)材料，以增加湍流程度，提高傳質(zhì)系數(shù) K。[25] 速率方程膜透過(guò)速率方程式，可以從不可逆過(guò)程熱力學(xué)現(xiàn)象論方程式推導(dǎo)如下：JV = Lp (?P ? 243。?240。 )J s = P(cm ? c p ) + (1 ? 243。 )cJV2P———溶質(zhì)滲透系數(shù)，m/s；σ———反射系數(shù)，通常為 0～1；c———膜兩側(cè)溶質(zhì)平均濃度, mg / L 。當(dāng)膜兩側(cè)濃度差較大時(shí)，可用式(312)代替式(311)。(310)(311)R =(1 ? F )243。1 ? 243。 F30(312)cSh = c S式中 Lp ———純水滲透系數(shù)， m3 / (m Pas) ；