（市政工程专业论文）接触过滤颗粒活性炭吸附超滤工艺处理微污染水源水研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 饮用水水源微污染问题的加剧，饮用水标准的提高以及人民对饮用水要求的 严格，使得以去除水中悬浮及胶体物质为主，以出水的浊度、色度和细菌总数为 工艺控制主要目标的传统水处理工艺越来越难以确保饮用水的安全。此外，由于 经济条件的限制，城市的安全饮用水技术在小城镇不适用等因素，使我国小城镇 的饮用水处理水质问题尤为突出，严重制约着小城镇经济和社会的全面发展。因 此，研究开发适合小城镇的饮用水处理工艺势在必行。 针对我国小城镇的特点，设计开发了接触过滤颗粒活性炭吸附一超滤联合 的水处理装置来处理微污染原水。详细阐述和分析了该装置的特点以及设计参数， 并使用此装置对长江微污染原水进行处理，分析了装置各部分的出水水质；研究 了陶粒滤料滤柱、颗粒活性炭滤柱和超滤膜的清洗情况；对装置进行经济性分析 和适用性分析。 通过对不同混凝剂的比较论证，改变混凝剂投加量和改变滤池的滤速，确定 在本试验条件下装置的处理水量为1 0 0 0i , h ，混凝剂投加量为6 m g l 为宜，混凝 剂选择聚合氯化铝。在此运行工况和试验条件下，装置出水平均浊度为0 0 8n t u ， 去除率为9 9 9 ；出水平均氨氮o 1 0 m g l ，去除率为5 0 5 ；出水平均色度5 度， 去除率为7 3 9 ；出水平均t o c0 2 6 m g l ，去除率为8 9 2 ；出水平均c o d 0 7 7 m 班，去除率为6 4 9 ；出水细菌数为0c u f m l ，去除率为1 0 0 ；出水大肠杆菌 数为0 个l ，去除率为1 0 0 。装置所检测的出水水质均达国家饮用水水质标准的 要求，对保障小城镇的饮用水安全有着重要的现实意义。 陶粒滤料滤柱反冲洗周期为1 0 1 2 h ，采用气水反冲洗。颗粒活性炭滤柱反冲 洗周期为7 1 0 天，采用水力反冲洗。超滤膜采用死端过滤方式，物理清洗方式 采用水力反冲洗，试验第一个月每2 h 反洗一次，以后每l h 反洗一次。在试验进 行到1 个月和3 个月时对超滤膜进行了化学清洗，两次清洗的化学试剂不同，但 清洗效果均非常显著。 试验装置的投资费用为4 2 9 5 7y r , ( m 3 d ) ，运行费用为1 2 3 ：v r _ , m 3 ，占地面积 1 2 m 2 ，方便拆装，在我国小城镇中具有较强的适用性。 关键词：接触过滤，颗粒活性炭，超滤膜，小城镇，微污染原水 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h em i c r o - p o l l u t e dp r o b l e mo ft h ed r i n k i n gw a t e rl 龃o u r o ei n t e n s i f y i n g , t h e i m p r o v e m e n to fd r i 她w a t e rs t a n d a r d sa n dp e o p l e sr e q u i r e m e n t sf o rt h ed r i n k i n g w a t e r , t h ec o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a l m e n tp r o c e s s , w h i c ha i m sm a i n l ya tc o n t r o l l i n g t m b i d i t y , c h r o m aa n dt o t a lb a c t e r i a , i si n c r e a s i n g l yd i f f i c u l tt oe n s u r et h es a f e t yo f d r i n k i n gw a t e r f t t r t h e r m o r e , t h ef a c t o r ss u c ha se c o n o m i cc o n d i t i o n s ，t h es a f ed r i n k i n g w a t l 舅t e c h n o l o g yo fc i t yd o e sn o ta p p l yt os m a l lt o w n sa n ds oo n , a r eh a m p e r i n g s e r i o u s l yt h ee c o n o m yo fs m a l lt o w n sa n ds o c i a lc o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n lt h e p r o b l e mo fd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n ti nc h i n e s es m a l lc i t i e s 缸dt o w n si sp a r t i c u l a r l y p r o m i n e n t t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dd e v e l o pt h ed r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s sw h i c hi ss u i t a b l et os m a l lt o w n s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lt o w n s ，t h et h e s i sd e s i g na n dd e v e l o pt h e c o n t a c tf i l t r a t i o n - g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o n - u l t m f i l t r a t i o nw a t e rt r e a t m e n t a p p a r a t u st ot r e a tm i c r o - p o u u t e dr a ww a t e r t h et h e s i sd e s c r i b e si n d e t a i l e da n d a n a l y s e st h ea p p a r a t u sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g np a r a m e t e r s ，t h eu s eo f t h i sa l 即a r a m si n t h ey a n g t z er i v e rm i c r o - p o t l u t e dw a t t t r e a t m e n ta n dt h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t yo ft h e a p p a r a t u sp a r t s t h es i t u a t i o no fo 渤i cf i l t e r , g r a n u l a xa c t i v a t e dc a r b o na n d u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e s c l e a n s i n g , t h e nm a l ( 鼯e c o n o n f i ca n da p p l i c a t i o na n a l y s i so f t h ea p p a r a t u s b yt h ec o m p a r i s o na n da l g u e so nd i f f e r e n tc o a g u l a n t s ，a n dc h a n g i n gc o a g u l a n t d o s a g ea n dt h ef i l t r a t i o nv e l o c i t yr a t e ) t h eh a n d l i n gc a p a c i t yo f t h ed e v i c ew a si d e n t i f i e d a s1 0 0 0 “ht h ec o a g u l a n td o s a g ew a s6 m g la p p r o p r i a t e l ya n dt h ec o a g u l a n tp a c u n d e rt e s tc o n d i t i o n s i nt h i s o p e r a t i n ga n dt e s tc o n d i t i o n s , t h ea v e r a g et u r b i d i t yo f e f f l u e n tw a so 0 8n t u , t h ep r o p o r t i o no f r e m o v a lw 越9 9 9 ：t h ea v e r a g ea m m o n i a t e n i t r o g e nw a s0 1 0 m g l , t h ep l d p o r t i o no fr e m o v a lw a t t5 0 5 ：t h ea v e r a g en i t r a t e n i t r o g e nw a s o 9 5m g g l , t h ep r o p o r t i o l lo f r e m o v a lw a s2 9 3 ：t h ea v e r a g ec o l o rw a s5 d e g r e e s ，t h ep r o p o r t i o no fr e m o v a lw & q7 3 9 ；t h ea v e r a g et o cw b b0 2 6 r a g l , t h e p r o p o r t i o no f r e m o v a lw 嬲8 9 2 ：t h ea v e r a g ec o d m nw a so 7 7m g , t h ep r o p o r t i o no f r e m o v a lw a s6 4 9 ；t h eb a c t e r i aw a s0c u f m l ，t h ep r o p o r t i o no fr e m o v a lw a s1 0 0 ； t h ee c o l ir e m o v a l + w a so l , t h ep r o p o r t i o no fr e m o v a lw a s1 0 0 t h ee f f l u e n tw a t e r e x a m i n e db yt h ea p p a r a t u sr e a c h o dt h en a t i o n a l d r i n k i n gw a t e rs t a n d a r d s rh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et op r o t e c tt h es a f e t yo f s m a l lt o w n s d r i n k i n gw a t e r 重庆大学硕士学位论文英文摘要 c e r a m i cf i l t e r sa n t i c l e a n s i n gc y c l ew a s1 0 1 2 ha n du s e dg a s - w a t e ra n t i - c l e a n s i n g g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n sa n t i - c l e a u s i n gc y c l ew a s7 1 0d a y sa n du s e dh y d r a n l i c a n t i c l e a n s i n g u l 仃a f i l t r a t i o nm e m b r a n e su s e dd e a d - e n df i l w a f i o n , p h y s i c a lc l e a n i n g m e t h o du s e dw a t e ra n t i c l e a n s i n g i nt e s t , u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e s p h y s i c a lc l e a n i n g c y c l ew a s2h o u r s i nf i r s tm o n t h , t h e no n c ee v e r yh o u r a tf i r s tm o n t ha n dt h i r dm o n t h , u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e sw e l - ec l e a n e dw i t hc h e m i c a l ，a n du s e dt w od i f f e r e n tc h e m i c a l r e a g e n t s ，b u tt h ee f f e c t sv e r ys i g n i f i c a n t t h ei n v e s t m e n tc o s to f a p p a r a t u sw a s4 2 9 5 7y u a n ( m ，d ) ，a n dt h eo p e r a t i n gc o s t w a s1 2 3y i 1 锄m 3 t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u so c c u p i e d1 2 m z ，w a se a s i l yf a c i l i t a t e d i s a s s e m b l e d , h a ds t r o n ga p p l i c a b i l i t yi no u rs m a l lt o w n s k e y w o r d s ：c o n t a c tf i l t r a t i o n , g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n , u f , s m a ut o w n s ， m i c r o - p o l l u t e dw a t e r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：岔1 长叛签字日期：如刁年月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：曼、1 长叛 导师签名： 私缎 签字日期：卅年争月如日签字日期：砷年争月乃日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 我国水资源与水环境污染状况 我国水资源总量为2 8 x 1 0 4 亿m 3 ，居世界第六位，但人均占有量只有2 2 5 0 m 3 年，约为世界人均水量的i 4 ，在世界排第1 2 1 位，已经被联合国列为1 3 个贫水 国家之一u l 。我国水资源分布极不均匀。全国水资源有8 0 4 , 0 9 布在长江流域及其 以南地区，而该地区的人口占全国的5 3 5 ，耕地占3 5 2 。人均水资源量3 4 8 0 m 3 ； 长江流域以北广大地区，人口占全国的4 4 4 ，耕地占全国的5 9 2 ，水资源仅占 全国的1 4 7 ，人均水资源量7 4 7 m 3 ；西北内陆地区，人口占全国的2 1 ，耕地 占5 6 ，水资源占全国的4 8 ，人均水资源量4 8 7 0 r a 3 1 2 j 。城市缺水现象十分严重， 全国6 6 9 座城市中，有4 0 0 多座城市缺水，其中1 1 0 多座城市严重缺水，缺水量 达1 6 0 0 万m 3 d ，6 0 亿m 3 ：年t 3 j 。预计到2 1 世纪中叶，我国总用水需求量将从5 0 0 0 多亿m 增加到8 0 0 0 亿m 3 左右，占我国可利用水资源总量的2 8 以上。国际上经 验认为，当一个国家用水量超过其可利用水资源总量的2 0 ，就很可能发生水危 机【4 】。 我国水资源强境污染姆题也十分严重。工业的发展，城市化进程的加快，致 使大量的生活和工业污水排入水体。在我国，8 0 以上的污水未经有效处理就直接 排入水体，造成我国1 3 以上的河段受到污染，9 0 以上的城市水域严重污染，近 5 0 0 , 6 的重点城镇水源不符合饮用水取水标准，尤以经济发达地区为甚 5 1 。2 0 0 5 年中 国环境状况公报指出，全国七大水系主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高 锰酸盐指数和石油类。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江 水质较差，海河污染严重。七大水系的1 0 0 个国控省界断面中，i 类、 v 类衣劣v 类水质的断面比铡分别为3 6 ，4 嘞2 4 。海河和淮河水系的省界 断面污染较重 6 1 。 湖泊的情况也不容乐观，在2 0 世纪7 0 年代调查的3 4 个湖泊中，呈现富营养 化的湖泊占所评价面积的5 ；而1 9 8 6 1 9 8 9 年调查结果显示富营养化湖泊面 积增加至3 5 7 6 ；到9 0 年代我国东部的湖泊几乎都处于富营养化状态；2 0 0 5 年， 2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；i i i 类水质的 湖( 库) 6 个，占2 1 ：i v 类水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质的潮( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太湖、滇池和巢湖 水质均为劣v 类，主要污染指标为总氮和总磷【6 】。可见湖泊水污染现象在近三十 重庆大学硕士学位论文i 绪论 年来呈迅速增长趋势。 2 0 0 3 年全国地下水资源评价结果表明，全国地下淡水天然资源多年平均为 8 8 0 0 多亿立方米，约占全国水资源总量的1 3 。2 0 0 5 年全国主要城市和平原区的 地下水水质状况相对稳定，局部地区有继续恶化的趋势【6 】 由上可知，我国水资源不但紧缺而且污染也极其严重，并有逐年恶化趋势。 水源污染给人类健康构成了巨大的威胁。大量未经处理的工业废水和生活污水直 接排入水体，致使水体的富营养化程度加剧，藻类大量繁殖。阻碍了自来水厂的 正常运行，使供水安全性下降。水源水中微量可溶性有机污染物，在氯氧化或其 消毒过程中产生具有毒副作用副产物，这其中有许多为致癌、致畸、致基因突变 的“三致物质；还有许多常规处理无法有效去除的微量有机污染物本身就具有三 致”性，同时还具有神经毒性和内分泌干扰特性等。因此，水源污染的复杂化对饮 用水的安全保障提出了新的要求。 1 1 2 微污染水体中主要污染物质 有机污染物质 进人水体的污染物有许多种，但最普遍、危害最大的要数有机物。水源中有 机污染物主要分为以下两类：一类是天然有机物( n o m ) 。主要是指动物、植物， 微生物的排泄物或分泌物和它们的尸体在腐烂降解过程中所产生的物质，以及其 它来源于这三者的物质【”。包括腐殖物质、丹宁、木质素及一些嗅味物质。另一类 是人工合成有机物( s o c s ) ，主要来自于有机化工、制药、石油化工、农药和杀虫 剂等行业的废水注入。 天然水中的主要有机物为天然有机物，其中腐殖质是地表水源中含量最高的 有机物，占有机物总量的6 0 9 0 ，是产生色度的主要成分。通常根据腐殖质在 酸和碱溶液中的溶解度将其分为三个组分：( 1 ) 腐殖酸( h u m i ca c i d ) ，溶于碱溶 液但酸化后可沉淀；( 2 ) 富里酸( f u l v i c a c i d ) ，既溶于酸溶液也溶于碱溶液； ( 3 ) 胡敏素( h u m i m ) ，既不溶于酸溶液也不溶于碱溶液。三个组分结构相似，但在分 子量和官能团上有较大差别。相对于腐殖酸和胡敏素而言，富里酸的分子量较小， 且含有更多的一0 h 和- - c o o h 等亲水官能团【s 】。 含腐殖质量多的水体呈黄褐色【9 埘，其中大多数对人体并没有毒害作用。但腐 殖质在天然水体中带负电荷，扩散能力强，分布范围广，是饮用水加氯消毒过程 中形成消毒副产物( d b p s ) 的主要前体物质【n 】，这些物质容易与氯反应生成二卤 甲烷( t h m s ) 、卤乙酸( h a a s ) 等卤代消毒副产物，环境化学和环境医学的近期 研究证实大部分消毒副产物都具有致癌作用【1 2 ”】。 水体中其它的天然有机物包括一些具有较强亲水性和较低芳香度的蛋白质、 脂肪、氦基酸、碳水化合物及亲水酸等，它们构成了水体中可生物降解有机物 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( b i o d e g r a d a b l e o r g a n i c m a t t e r s ，b o m ) 的主要部分；另外，富营养化水体中的藻 类及其分泌物也是天然有机物中不容忽视的一部分，它们有的可以引起饮水的异 味，有的是致突变前体物，而一些藻毒素更是具有极强的促进肿瘤形成的作用【1 4 】 等 人工合成有机物许多是有毒有机污染物。它们内含一些具有危害性的官能团， 会抑制或破坏生命组织的功能；现代医学的发展证明，即使在低浓度下，这类有 机物也可能对人体健康和环境造成严重、甚至是不可逆的影响。这类有机物在天 然水体中往往难于降解，并具有生物累积性的三致作用或慢性中毒，而且分布面 极广。有的有毒有机污染物通过迁移、转化、富集，其浓度水平可提高数倍甚至 上百倍，对生态环境和人体健康是一种潜在的威胁。人工合成有机物有6 0 0 0 0 种 以上的类型，包括挥发性有机化学品( v o c ) 、非挥发性有机化学品( n v o c ) 、 消毒副产物( d b p ) 和多环芳烃( p a l l ) 等。其中v o c 最为危险，因为v o c 可 以由人体皮肤吸收，因此，当淋浴水中含有v o c 时，洗澡就可被皮肤吸收，对身 体危害很大。1 9 7 7 年，美国e p a 筛选出6 5 类1 2 9 种优先控制的污染物，其中有 机化合物1 1 4 种，占总数的8 8 【1 5 1 。1 9 8 9 年4 月，我国环保局提出符合我国国情 的水中优先控制污染物黑名单6 8 种，其中有毒有机污染物占5 8 种1 1 q ( 见表1 1 ) 。 这此有机物都具有毒性，其中许多为持久性有机污染物( p e r s i s t e n to r g a n i c p o l l u t a n t s ，p o p s ) ，常规水处理工艺难以去除。 表1 1 中国水体中优先控制污染物中的有机物 化合物类别挥发性卤代烃苯系物氯代苯多氯联苯酚硝基苯 数量1 064 1 6 6 化合物类别苯胺多环芳烃酞酸酯 农药 丙烯腈 亚硝胺 数量 4 83 71 2 内分泌干扰物 内分泌干扰物为人工合成有机物的一部分。目前发现的可疑和确定的内分泌 干扰物己达数百种，包括合成类固醇类、杀虫剂和除草剂、邻苯二甲酸酯类、烷 基酚类、双酚化合物类、二氧芑类以及多氯联苯类等1 7 1 8 】。一般认为这些物质进 入人体后，通过干扰激素与受体的结合进而影响内分泌系统对人体机能的调节， 使被干扰个体产生生殖障碍、出生缺陷、发育异常、代谢紊乱以及一些癌症等临 床症状。 病原微生物 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 水质标准中微生物指标非常关键，这是衡量水质是否安全的首要指标。微生 物种类繁多，总称为病原微生物，包括细菌、病毒和原生动物等。 w h o 认为控制微生物污染是极其重要的，因为致病微生物危害极大，它能够 在同一时间使大量的饮用者染病。水系传染疾病的病原微生物主要有伤寒沙门氏 茵、志贺氏菌、霍乱弧菌等病菌，甲型肝炎、脊髓灰白质炎等病毒，以及隐孢子 虫( c r y p t o s p o r i d i u m ) 和贾第虫( g i a r d i a ) 等致病微生物。与化学污染不同，致病 微生物造成的发病频度，与其感染能力、毒性和人的个体免疫力密切相关；感染 一旦发生。致病微生物就可以借助宿主迅速繁殖。因此饮用水中不应该有任何致 病微生物【1 9 1 。部分致病微生物对人体健康造成的影响见表1 2 。 对健康危害较大的水传性致病细菌，为主要引起消化道传染病的肠道类致病 菌常规氯消毒可有效杀灭此类细菌，因此加强饮用水的消毒，可有效防止消化道 传染病消化道致病性病毒也是对人类健康危害较大的水传染性致病微生物，由于 对病毒研究手段和检测技术的局限性，很多肠道病毒在水中的存活力及对氯消毒 的耐受力尚不清楚。 表1 2 部分致病微生物对人体健康造成的影响 t a b l e1 2 i m p a r to f p a r t i a lp a t h o g e n i cm i c r o o r g a n i s mo nh u m a nb e i n g sh e a l t h 对氯的受耐 致病微生物所致疾病 相对感染剂量来源 性 沙门氏菌肠胃炎、伤寒低高 人类和动物粪便 细 志贺氏菌肠胃疾病( 痢疾)低中等人类和动物粪便 霍乱弧菌肠胃疾病低高人类粪便 水中常见，在温 菌 军团菌军团菌病、肺炎中等高 度高时繁殖快 病甲型肝炎病毒肝炎中等低人类粪便 毒 小圆形病毒儿童、婴儿死亡低 人类粪便 肠胃疾疾( 如痢 原隐孢子虫 疾、呕吐、腹部绞高低人类和动物粪便 生痛等) 动 肠胃疾疾( 如痢 物贾第虫 疾、呕吐、腹部绞 高 低人类和动物粪便 痛等) 近年来，欧美、日本等发达国家爆发了多起由贾第虫、隐孢子虫等致病原生 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 动物引起的较大规模的水系传染病，这两种致病原生动物，特别是隐孢子虫己经 构成对饮用水微生物安全的主要威胁。隐孢子虫是一种原生寄生虫，主要寄生于 人或动物的肠道内。隐孢子虫的种类不少，但能导致传染病的只有c r y p t o s p o r i d i u m p a r v u m 这一种。在自然环境中，它的细胞隐藏在一层胞壳内，一旦进入消化器官 便引肠道感染 2 0 】。水中致病性原生动物对氯消毒的耐受力强，常规氯消毒方法很 难将其杀灭，加之引起发病所需感染剂量很低，因此水源受污染时，容易造成疾 病流行【2 1 1 。由隐孢子虫引起的疾病主要是肠胃疾病，健康和免疫力强的患者3 0 天 左右可康复，而免疫力差的患者可能会死亡，迄今为止还没有特效药可以治疗。 全世界至少己爆发过1 8 次隐孢子虫病，有4 0 余万人受到影响贾第虫主要是通 过它的孢囊来传播疾病，病情和胃肠炎类似，美国在过去2 5 年内就有9 5 次，感 染的人数在2 5 0 0 0 人以上。 1 1 ，3 我国饮用水水质标准的发展 我国供水水质指标归纳起来一般可分为以下几类：微生物指标、毒理指标、 感官性状和一般化学指标、放射性指标。我国于1 9 7 6 制定了第一个国家饮用水水 质标准，共2 3 项指标，定名为生活饮用水卫生标准( t j 2 0 - 7 6 ) 。我国现行的水 质卫生标准( g b 5 4 7 9 - 8 5 ) 为1 9 8 5 年颁布的，检测项目为3 5 项。其中感官性指标 4 项，理化指标1 4 项，毒理指标1 2 项，细菌学指标3 项，放射性指标2 项。随着 社会经济的发展，人民生活水平的提高，特别是近年来未经处理的废水大量排入 水体如戥了水质的恶化，导致冒前的水度卫生标准( g b 5 4 7 9 - 8 5 ) 已不适合我国国 情，因此卫生部于2 0 0 1 年颁布了生活饮用水卫生规范，共9 6 个检测项目，其 中常规检测项目3 4 项，非常规检测项目6 2 项。新规范中的常规检测项目在原3 5 项水质项目基础上增加了铝、粪大肠菌群的指标和有机物综合性指标一耗氧量， 值是3 m g l ，而银、d d t ，6 6 6 、苯并( a ) 芘在一般情况下都不超标，故放入非 常规检测项目。对项目的限值也有更高的要求，如镉由o 0 1m g l 变为0 0 0 5m g a _ ， 铅由0 。0 5m g ，l 变为o 0 0 1m g l ，四氯化碳由0 0 0 3m g l 变为0 0 0 2m g l ，浊度由 原来的3 n t u 改为1n t u 。非常规测项目，除1 0 项无机物外，其余皆为有毒有害 有机物，如消毒副产物、藻毒素、农药等。2 0 0 6 年1 2 月2 9 日国家标准委和卫生 部联合发布新的 生活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，并将于2 0 0 7 年7 月 正式执行。新标准中共有1 0 6 项指标，包括微生物指标6 项，毒理指标7 4 项( 其 中，无机化合物指标2 l 项，有机化合物指标5 3 项) ，感官性状和一般化学指标2 0 项，消毒剂指标4 项，放射性指标2 项。新增检测项目主要是微生物指标和毒理 指标，既符合我国当前国情，又与国际接轨。 1 1 4 常规水处理工艺的局限惶 常规水处理是我国净水厂最常采用的净水工艺，它通常包括有两层含义：其 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一是指被处理原水在水温、浊度( 含沙量) 以及污染物含量方面均在常见的范围 内；另一层含义是指所采用的处理工艺仅限于混凝、沉淀、过滤和消毒。因此， 常规水处理工艺系指对一般浊度的原水采用混凝、沉淀、过滤、消毒的净水过程， 以去除浊度、色度和细菌、病毒为主的处理工艺。随着我国工业的高速发展和城 市化进程的加速，饮用水水源的污染程度加大，用常规水处理方法难以生产出符 合饮用水水质标准的水，供水出现异味、异臭、口感不适等现象，其不足之处主 要有以下几个方面： 常规水处理工艺很难杀灭贾第虫、隐孢子虫等抗氯性强的病原微生物，而 这些尚未杀死的病原微生物对人体健康是个很大的危害；常规工艺消毒过程即便 灭活了藻、细菌和病毒，但杀灭后的热源物质( 微生物的尸体) 依然残留在水体 中圈； 由于水中溶解性有机物的存在，不乖j 于破坏胶体的稳定性两使常规处理工 艺对浊度的去除效率也明显下降( 仅为5 0 6 0 ) ，要保证出水水质，就要投加 过量的混凝剂，这不仅会增加制水成本，而且会使除水中含有大量金属离子，对 人体健康有害； 现有的常规净水系统对有机物的去除率一般为2 0 5 0 ，出水中有机物 含量仍然很高，并且其中某些有机物具有致癌性；对氨氮的去除率为1 5 左右， 氨是自氧菌繁殖的电子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮浓度0 2 5 m g l 就足以 使硝化菌生长，成为硝化菌和部分异养菌的营养基质，从而降低出厂水生物稳定 性，使用户的水质变差； 常规水处理工艺以氯消毒为主，水中的天然有机物的主要成分腐殖质会与 氯反应生成氯仿和氯乙酸及其它氯化消毒副产物。如果水体中有合适剂量的溴离 子，氯可以将其氧化成次溴酸，后者再与腐殖质反应生成溴仿和溴乙酸及其它溴 化消毒副产物。两种作用的结合还会生成同时含有氯溴的其它三卤甲烷 ( t r i a l o m e t h a n e s ，t h m s ) 、卤乙酸( h a l o a e e t i c a c i d s ，h a a s ) 等消毒副产物田】。 此外，卤代腈、卤代醛【2 0 】私3 一氯一4 一( - - 氯甲基) 一5 一羟基一2 ( 5 h ) 一吠喃 ( m x ) 及其衍生物m 培也在饮用水中发现过。它们多被证明是三致域可疑的三 致 物质【2 “。t i - i m s 和h a a s 由于其高致病风险和在饮水中的普遍存在，因此是消 毒副产物研究的重点，其中后者的致癌风险又远远高于前者，而且不像前者那样 可以在煮沸过程中部分被去除，所以自2 0 世纪8 0 年代中期以来逐渐成为水质标 准中重点控制的毒理学指标。 常规处理工艺对痕量有机物( 如农药) 没有明显去除效果；而这些痕量有 机物对人体的毒性增加了饮用水安全性风险田l 。 由上可见，在水源水受污染程度日益严重的今天，常规饮用水处理工艺不但 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 无法充分、有效的去除水中污染物质，氯化过程本身还导致了对人体健康危害更 大的有机卤化物的形成。因此，常规饮用水处理工艺已不能与现有的水源和水质 标准相适应，必须开发新的水处理技术，膜技术就是近年来备受关注的一门新的 水处理技术。 1 2 饮用水的膜分离技术 1 2 1 膜技术发展概况及分类 膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区。这个区间的三维量度中的一 度和其余两度相比要小得多。膜一般很薄，厚度从几微米至几百微米之间，而长 度和宽度要以米来计量【2 6 】。膜技术在水处理中应用的基本原理是利用水溶液( 原 水) 中的水分子具有透过分离膜的能力，而溶质或其他杂质不能透过分离膜，在 一定压力的作用下，对水溶液( 原水) 进行分离，获得纯洁的水，经此达到提高 水质的目的。 近几年，膜法处理水技术在欧美等国受到了高度的重视，特别是在受污染的 水源水处理、消毒副产物的控制等方面，被美国环保局推荐为最佳的水处理技术 之一，被称为2 1 世纪的水处理技术阳。 表征膜分离特性主要有三个参数【2 即：膜的通量、截留率和截留分子量。 膜的通量指一定压力和温度下单位膜面积在单位时间内透过的渗透物的 量。 截留率被膜截留的溶质量占溶液中该溶质总量的百分比。 截留分子量( m w c o s ) 指在常温和规定的压力差下，膜对某一已知分子 量物质的截留率不少于9 0 时，把该物质的分子量值作为该膜的截留分子量，单 位是道尔顿d a l t o n s ( 1 d a l t o n s = 1 6 5 x l f f 2 4 9 ) ，是反映膜孔径大小的替代参数。截 留分子量可用来评价膜的分离性能，具有较小截留分子量的膜可去除水中较小分 子量的污染物。因为分子的形状和极性会影响膜的截留，所以截留分子量仅仅是 一种衡量膜截留杂质能力的大致标准1 2 7 1 。 根据膜孔径的不同，可将膜分为反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 、纳滤 ( n a n o f i l t r a t i o n ，n o ) 、超滤( u l u a f i l t r a t i o n ，u f ) 和微滤( m i c r o f i l w a t i o n ，m f ) 。 目前，在水处理中应用最多的也是这四种膜，它们的分离过程示意图如图1 1 所示 1 2 9 1 。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 e = = = = = 二= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 二= = 二= = = ： r - - - i 2 3 泵的能耗增加 图1 t 膜分离过程 f i 9 1 1m e m b r a n ep r o c e s s 反渗透是6 0 年代发展起来的一门膜分离技术，其过程是渗透过程的逆过程， 即溶剂从浓溶液通过膜向稀溶液中流动。如图1 2 所示，正常的渗透过程按照溶剂 的浓度梯度，溶剂从稀溶液流向浓溶液。若在浓溶液侧加上压力，当膜两侧的压 力差p 达到两溶液的渗透压差q 时，溶剂流动就停止。当p = a q 时，溶剂就从 浓溶液流向稀溶液即成反渗透。反渗透运行压力高，一般在为l 1 0 m p a 之间，能 耗大，其截留分子量可小至1 0 0d a l t o n s ，能截留水中大多数的溶解性离子，出水 为纯水或超纯水。 然而反渗透在去除有机物的和杂质的同时，也会将一些对人体健康有益的无 机离子和矿物质去除，且预处理要求高，通常不适合作为饮用水水厂处理工艺。 反渗透的应用领域已从最早的海水、苦咸水脱盐淡化发展到化工、食品、制药造 纸工业中某些有机物及无机物的分离。 纳滤膜分离技术( 咂) 出现于9 0 年代，在前期的研究中，有人将其称为疏松 的反渗透膜，后来由于这类膜的孔径是在纳米范围内的，所以称之为纳滤膜f 2 4 】。 纳滤截留分子量介于反渗透和超滤之间，为1 0 0 n 1 0 0 0d a l t o n s ，操作压力一般不 超过lm p a ，对低浓度的盐类有很高的去除效果。纳滤膜能有效去除水中致突变物 质，使a u l e $ 试验阳性水变为阴性，t o c 去除率可高达9 0 ，对a o c 也有一定的 去除能力，去除率达8 0 3 0 3 。纳滤膜还可有效地去除硬度 3 2 1 ，完全去除色度 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 3 1 1 3 4 1 ，对t h m f p 、h a a f p 和c h f p ( 水合氯醛前体物) 的平均去除率分别为9 7 、 9 4 和8 6 嘣3 5 1 。纳滤膜对细菌有很好的去除效果，作为物理消毒以取代常规化学 消毒是可行的。但由于纳滤对进水的要求较高，一般要求进水的s d i s 3 ，故通常仅 适用于地下水处理。如用于地表水处理，必须要有混凝、沉淀、砂滤甚至u f 和 i v i f 作为预处理。此技术目前被广泛应用于制药工业、食品工业和水软化等领域 2 6 1 。 渗透 渗透平衡反渗透 稀溶液浓溶液半透膜 图1 2 渗透和反渗透现象示意图 超滤是介于纳滤和微滤之间的压力驱动型膜分离技术。超滤膜一般为非对称 膜，其截流分子量在5 0 0 5 0 0 0 0 0d a l t o n s ，相应孔径大小的近似值约为 2 0 x 1 0 - 1 0 m 1 0 0 0 x l f f l o m ，在小孔径范围与纳滤相重叠，在大孔径范围内与微滤 相重叠。超滤膜能截留水中大分子物质、胶体、蛋白质、微粒、细菌、病原微生 物、贾第虫、隐孢子虫和病原病毒，对有机物也有一定的去除率，但它几乎不能 截留无机离子，保留了大量对人体健康有益的离子。超滤膜的操作的跨膜压差范 围约为0 3 1 0 m p a ，运行压力低、产水量大，便于操作，且不会改变原水的化学 性质，在饮用水处理方面有着很大的发展前途。 微滤膜是世界上开发应用最早的膜过滤技术，微滤膜和超滤膜的质量传递和 渗透过程的机理相同，它们之间的最主要区别在于孔径大小不同，微滤膜的孔径 一般为0 1 1 0 t t m 。微滤膜运行压力低，约为o 1 0 3m p a 。在水处理方面有着广 泛的应用。 微滤和超滤截留去除效果相当于以去除浊度为目的的传统工艺的总和，4 0 以上的膜分离净水厂所处理的原水浊度大于1 0 n t u ，但出水浊度几乎均小于 0 1 n t u ，且大肠杆菌全部为零【2 7 】。由于超滤和微滤使用能耗低、产水量大且便于 操作，应用范围十分广泛，发展速度很快。目前水处理趋势是采用超滤膜而不是 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 微滤膜，因为超滤膜去除病毒更有效，且比微滤膜更不易受细颗粒污染，并且细 超滤膜能去除水中部分色度【3 6 1 。 1 2 2 膜技术的费用调查 各国水质标准要求的提高，膜制造技术的成熟，膜价格的下调，使膜技术越 来越被广泛应用于水处理方面。 如图1 3 所示，在2 0 世纪后1 0 年间，微孔过滤( m f ) 和( u f ) 技术的增长 尤为显著，中空纤维m f 膜的应用数据表明，膜的成本随着安装的膜装置容量的 增加而呈指数下降，如图1 4 所示。 a 1 0 0 0 基 删 蓄1 0 0 文 叮 曦 1 0 十肝 + 【l f + n f r o_ 一总计 。二二乡 。多；筝7 矿 夕夕 f = 二日“ 1 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 9 年份 图1 3 膜销售总额与处理水量的关系嗍 f i g1 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e m b r a n et o t a ls a l e sa n dh e a t e dw a l e rq u a n t i t y 超滤膜价格的逐年降低( 见图1 6 ) ，1 9 9 9 年超滤膜价格几乎是1 9 8 9 年的一半， 超滤膜的价格降低主要是由于膜技术中膜表面积在增长( 每个膜组件膜表面积由 5 0 m 2 增至6 4 m 2 ) ，以及膜组件的大规模生产1 3 7 1 。在世界u f 膜生产厂家中，日本 占近一半，由于日本实施喇用膜技术的新净水系统的开发研究计划”，i i f 膜销售 量有望飞速增加。 面对膜技术费用的持续降低( 如图1 4 、1 5 所示) 、膜费用的下降以及膜工艺 日趋成熟，膜技术必将成为未来饮用水处理中最重要、最有效的处理技术，并可 完全代替常规过滤工艺0 7 1 。 l o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 铸 旺 积 臻1 0 0 锅 娶 旧 鹫 趔 番1 0 1 9 8 5 1 9 i 吣q 1 9 9 、 。 1 9 9 5 1 森9 1 9 9 9 1 0 0 f i 9 1 4 1 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0