（市政工程专业论文）超滤技术处理水库水的试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展和生活水平的提高，人们对饮用水要求越来越严格。现行常规给水 处理工艺主要是以去除原水中的浊度为耳的进行设计、施工和运行的。表现为浊度的胶 体本身不仅是污染物，而且是水中细菌，病毒等微生物的重要附着载体，美国国家环保 局已将浊度列为微生物学指标。然而，当前地表水源污染却十分严重，常规自来水处理 方法己经不能满足要求，必须开发新的水处理技术。随着膜分离技术的进步，人们发现 包括微滤( m f ) 和超滤( u f ) 在内的低压操作的膜分离过程在去除浊度、细菌等颗粒物效果 很好，其中，又以超滤出水水质佳而得到更多的关注。 本课题主要是超滤处理地表水生产饮用水研究。研究主要包括两方面内容：首先应 用超滤技术直接生产自来水；在此基础上做了常规工艺、超滤直接过滤工艺、微絮凝一超 滤工艺处理水库水的平行对比试验处理水库水的试验研究。 对于超滤直接过滤工艺，研究结果表明，超滤膜过滤阻力和膜过滤累积水量有着较 好的线性关系，随着膜过滤累积水量的增加膜阻力相应增加。对于卧虎山水库水，原水 水质条件较好，水源水直接超滤就可以生产饮用水。温度对膜通量影响较大，温度降低 时，水的粘度增加，水分子扩散能力降低，膜的渗透通量降低，水温降低1 时，渗透通 量减少约2 。实验中发现，在超滤膜直接过滤工艺中，停止投加次氯酸钠，超滤产水中 的亚硝酸盐含量迅速由o 0 0 1 m g l 迅速上升至0 0 8 1m g ，l 以上；随着运行时间的延长，过 滤初期膜面吸附截留的天然的有机质逐渐透过膜，导致水中c o d 浓度逐渐呈缓慢上升 趋势。由于超滤对三卤甲烷( t h m s ) 前体物去除率较c o d 高，使得超滤直接过滤对u v 2 5 4 的平均去除率为3 8 1 9 ，明显高于c o d m , 3 a 6 5 的平均去除率。 微絮凝一超滤工艺，超滤直接过滤、常规工艺的运行对比试验证明：微絮凝超滤效果 要好，常规工艺最差，微絮凝超滤工艺对浊度的平均去除率达9 7 2 8 ，直接过滤工艺 的平均去除率达9 6 0 3 ，常规工艺的平均去除率仅有8 2 1 3 。在微絮凝一超滤工艺中混 凝剂的投药量高于2 0 m g l ，导致c o d m 。的去除率由于过高药剂的投加而降低，从而使微 絮凝一超滤工艺在c o d m n 去除方面优于水厂工艺而比直接超滤工艺差的去除效果。另一 方面由于高剂量混凝剂的投加，提高了微絮凝超滤工艺对u v 2 5 。的去除效果，使微絮凝 銎滤工艺对u v 2 5 4 的平均去除率达到4 3 9 0 ，使微絮凝超滤工艺对u v 2 5 4 的平均去除率 比超滤直接过滤工艺提高了5 7 1 。水质全分析结果表明原水无论是否经过混凝，超滤 山东建筑大学硕士学位论文 出水都完全能达到国家饮用水标准。 研究结果显示对中空纤维膜的反冲洗能恢复膜通量，并且在连续操作过程中能保证 一个高的、稳定的膜通量。在微絮凝一超滤工艺中确定6 0 ( u ( m 2 h ) ) 膜通量为稳定运 行通量，在超滤直接过滤工艺中确定6 5 ( u ( m 2 h ) ) 膜通量为稳定运行通量。超滤超 滤运行工艺显示，一定时间问隔的反冲洗能很好的恢复膜通量。在微絮凝一超滤工艺试 验中，确定4 0 m i n 为稳定通量6 0 ( u ( m 2 h ) ) 的运行时间，在超滤直接过滤工艺试验中， 确定3 0 m i n 为稳定通量6 5 ( u ( m 2 h ) ) 的运行时间。由于水反冲洗主要去除了膜表面双 层污染层中的松散层，因此建议在稳定运行过程中，根据不同时刻的跨膜压差的变化调 整反冲洗时间以最大程度的减少能耗，增加反冲洗水量。另外，反冲洗时能结合气水表 面冲洗，则取得的冲洗效果会更好。试验结果显示，对于水卧虎山库水0 2 n a c i o + 0 i n a 0 h 溶液是较好的化学清洗剂。 关键词：水库水，饮用水处理，超滤，通量 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a t i o n & s t u d yo n t h eu l t r a f l l t r a i o no fr e s e r v o i rw a t e r o u a nx i nf e n g ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gk e f e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dl i v i n gs t a n d a r di m p r o v e d , p e o p l ea r es t r i c tw i t h d r i n k i n gw a t e rq u a l i t y t h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f c o n v e n t i o n a ld r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n tp l a n ta r eb a s e do nt u r b i d i t yr e m o v a l t h ec o l l o i de x h i b i t e da st u r b i d i t yi sn o to n l y t h ec o n t a m i n a n t ，b u ta l s ot h em a t t e rw h i c ht h eb a c t e r i aa n dv i r u sa d h e r e dw i t h t h eu s e p a h a sl o o k e do nt h et u r b i d i t ya st h em i c r o b i o l o g i c a lp a r a m e t e r n o wt h ep o l l u t i o no fw a t e r r e s o u r c ei ss e r i o u s a n dt h ec o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tc a n tm e e tt h en e w r e q u i r e m e n t i ti s n e c e s s a r yt of i n da na d v a n c e dw a t e rt r e a t m e n t i nr e c e n ty e a r s ，l o wp r e s s u r em e m b r a n e ss u c h a sm i c r o f i l t r a t i o n ( m f ) a n dn i t r a f i l t r a t i o n ( u f ) i nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n th a v eb e c o m ea m o r ea t t r a c t i v et e c h n o l o g ya sap o s s i b l ea l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a lc l a r i f i c a t i o n ，a l o n gw i t h t h ei m p r o v e m e n to fm e m b r a n et e c h n o l o g y t h eu l t r a f i l t r a t i o ni sg a i n e dm o r ea t t e n t i o nf o ri t s b e t e rp e r m e a t ew a t e rq u a l i t y i nt h i sp a p e rw er e p o r tt h es t i i d yo fd r i n k i n gw a t e rp r o d u c t i o nw i t hu l t r a f i l t r a t i o no f s u r f a c ew a t e r t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et w oa s p e c t s 。a tf i r s tw es e l e c tar e s e r v o i rw a t e rr i v e r w i t hg o o dw a t e rq u a l i t ya n dt r yt op r o d u c ed r i n k i n gw a t e rb yu l t r a f i l t r a t i o no ft h i sr e s o u r c e w a t e r t h er e s e r v o i ri sw u h u s h a nr e s e r v o i rl o c a t e di nj i n a n ，s e c o n d ，e x p e r i m e n t sa r e c o n d u c t e dw i t hc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n t t h e nt h ep a r a l l e le x p e r i m e n tw a sm a d ew i mt h e c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o g r e s sa n dd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s sa n dm i c r o f l o c i l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s s f o rt h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s s , r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nm e m b r a n er e s i s t a n c e sa n da c c u m u l a t e dp e r m e a t ew a t e r t h em e m b r a n er e s i s t a n c e i n c r e a s e da l o n gw i t hp e r m e a t e dw a t e ra c c u m u l a t e d a sf o rw u h u s h a nr e s e r v o i rw a t e r ，f o rt h e q u a l i t yo fr e s o u r c ew a t e r i sg o o d ，d r i n k i n gw a t e rc a nb ep r o d u c e db yd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o n t h e t e m p e r a t u r eh a sm u c he f f e c to nm e m b r a n ep e r f o r m a n c e w h e nt h et e m p e r a t u r ec o m e sd o w n ， i l l 山东建筑大学硕士学位论文 t h ev i s c o s i t yo fw a t e ri n c r e a s ea n dt h ea b i l i t yo fw a t e rm o l e c u l ed i f f u s ed e c l i n e ，w h i c hr e s u l t s m e m b r a n ep e r m e a t ef l u xd e c r e a s e t h ep e r m e a t i o nf l u xd e c r e a s e da b o u t2 w h e nt h e t e m p e r a t u r e f a l li c w h e ns t o pa d d i n gn a c l 0 3i nt h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s ，t h e c o n t e n to fn i t r i t ei nt h ep r o d u c tw a t e rr o s er a p i d l yf r o m0 0 0 1 m g lt o0 0 8 1m e l ；a l o n gw i t h t h ep r o l o n go fn m t i m e ，b e c a u s et h en a t u r a lo r g a n i cm a t t e rw h i c ha d s o r b e db yt h ef i l t r a t i o n m e m b r a n es u r f a c ea tt h eb e g i n n i n go fn m t i m eg r a d u a l l yp e n e t r a t e dt h r o u g ht h ef i l m ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc o d i nt h ep r o d u c e dw a t e rg r a d u a l l yr o s e d a st h eu l t r a f i l t r a t i o no f t r i h a l o m e t h a n e s ( t h m s ) p r e c u r s o rr e m o v a l t h a nc 0 d m n ，u l t r a f i l t r a t i o nm a k ed i r e c tf i l t r a t i o n f o ru v 2 5 4t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f3 8 1 9 t h a ts i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h ea v e r a g e r e m o v a lr a t e i nt h ed i r e c tp r o g r e s st h er e m o v i n ge f f i c i e n c yo ft h m sh i g h e rt h a nt h e r e m o v i n ge f f i c i e n c yo fc o d n h t h ea v e r a g er e m o v i n ge f f i c i e n c yo fu v 2 5 4 i s3 8 1 9 a n dt h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d m ni s3 1 6 5 w h i c hl o w e rt h a nt h ea v e r a g er e m o v i n ge f f i c i e n c y o f u v 2 5 4 t h ep a r a l l e le x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h em i c r o f l o e c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si st h e b e s tf o rt h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n dt h ew o r s tp r o g r e s si sp r o g r e s s t h ea v e r a g er e m o v i n g e f f i c i e n c yo ft u r b i d i t yi s9 7 2 8 i nt h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s s t h ea v e r a g e r e m o v i n ge f f i c i e n c yo ft u r b i d i t yi s9 6 0 3 i nt h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s s t h ea v e r a g e r e m o v i n ge f f i c i e n c yo ft u r b i d i t y i s8 2 1 3 i nt h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o g r e s s t h e c o a g u l a n td o s a g ei n t h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si sm o r et h a n2 0 m g l b e c a u s et h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d r e d u c e dw h e na d d i n gt o om u c hc o a g u l a n td o s a g e ， t h ea v e r a g er e m o v i n ge f f i c i e n c yo fc o d m ni nt h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si s b e u e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o g r e s sb u tw o r s et h a nt h ed i r e c tp r o g r e s s t h ea v e r a g e r e m o v a lr a t eo fu v e s 4e n h a n c e db e c a u s et h ec o a g u l a n td o s a g ea d d e d t h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo fu v 2 5 4i nt h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si s4 3 9 0 w h i c hm a k et h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo fu v 2 5 4i nt h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si n c r e a s e d5 7 1 t h a nt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fd i r e c tp r o g r e s s w a t e rq u a l i t ya n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a td r i n k i n gw a t e rs t a n d a r dw a sf u l l yc o m p l i e d w i t hf o rb o t t id i r e c tu l t r a f i l t r a t i o na n dc o a g u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a t b a c k - w a s h i n gc a nr e c o v e ru l t r a f i l t r a t i o nf l u xa n d i tc a nm a k eah i g ha n ds t e a d yp e r m e a t ef l u x i nt h em i c r o f l o e c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s st h es t a b l eo p e r a t i o no f f l u xi s 6 0 ( i j ( m 2 h ) ) i v 山东建筑大学硕士学位论文 i nt h eu l t r a f i l t r a t i o np m g r e s st h es t a b l eo p e r a t i o no ff l u xi s 6 5 ( l ( m 2 h ) ) t h em n n i n gt i m e i nt h em i c r o f l o c c u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si s4 0 r a i n , t h em n n i n gt i m ei nt h ed i r e c t u l t r a f i l t r a t i o np r o g r e s si s3 0 r a i n a sw a t e rb a c k w a s h i n gm a i n l yw i p eo f ft h er e l a xl a y e ro f d o u b l e c o n t a m i n a t e ds u r f a c ei nt h em e m b r a n es u r f a c e , a d j u s t i n gb a c k w a s h i n gt m ea c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tt i m ec h a n g e si nt r a n s m e m b r a n ep r e s s u r et or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n m o s t l yi sn e e d e d a d d i t i o n a l l y ，w h e nu l t r a f i l t r a t i o ni sb a c k w a s h e dw i t ha i rs p a r g i n g , i tc a ng e t t h eb e s tf l u xr e c o v e r y r e s u l t ss h o w e d0 2 n a c i o + 0 1 n a o hs o l u t i o ni sag o o d c h e m i c a la g e n tf o rw u h u s h a nr e s e r v o i rw a t e r k e y w o r d s ：r e s e r v o i rw a t e r ，d r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t , u l t r a f i l t r a t i o n ，f l u x v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名 蟒日期皿 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期塑丑：厶 e l 期鎏竺2 ：! ! ：， 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 我国淡水资源现状 1 1 1 淡水资源缺乏 第一章绪论 我国是一个淡水资源缺乏的国家。虽然河流多年的平均径流量相当于全球年径流量 的5 6 ，位居世界第六，但人均淡水占有量仅为世界平均值的四分之一，是联合国确定 的世界上十三个贫水国之一【1 1 。除了水资源短缺外，我国的水资源在地区与季节分布上 极不均衡。我国水资源南多北少、东多西少，与人口、资源的分布极不相称。我国的华 北、西北地区耕地占全国的一半，总水量仅占全国的1 0 左右，但以上地区又是我国的 麦、棉主产区，也是煤、油、钢铁的主要生产基地。而“三江流域”国土面积占全国的1 0 0 k ， 水资源却占全国的2 1 ，大部分的水资源没有得到有效的利用。在季节分布上，大部分 降水集中在春夏两季。在夏季降水量大而集中易造成洪涝灾害。在秋冬季又会因为降水 稀少形成干旱。水资源的这种时空分布不均的现象给我国的上农业生产、人民生活带来 了极为不利的影响。 1 1 2 淡水资源污染 我国的淡水资源污染状况同样相当严重。大量工业废水和生活污水未经处理或只经 简单处理便向天然水体持续排放，以及广大农村地区不合理地使用化肥、农药等农用化 学物质对地表水造成的非点源污染，均导致我国水环境污染的不断加剧，水源水质不断 下降【2 1 。 据统计，我国主要水系长江、黄河、松花江、珠江、辽河、海河、淮河有6 3 1 的 河段水质为r v , v 或劣v 类。河水中主要的污染物为有机物、氨氮和挥发酚，其次为重金 属，特别是累积在沉积物中的重金属。另外还发现了具有“三致牲的合成有机物。湖泊、 水库以及一些半封闭性的河流等缓流水体因其水面面积大，纳污范围广，更易遭受污染。 缓流水体的流动性较小，蒸发量较大，污染物易沉积，底部淤泥中有机物、n ，p 含量偏高， 易导致水体的富营养化1 3 1 。 太湖流域1 0 1 个监测点位中，8 0 的点位高锰酸盐指数达到规划要求。湖体2 2 个点 山东建筑大学硕士学位论文 位中，总氮、总磷等超标突出，属富营养化状态。环湖主要河流及环湖交界水体污染严 重。 滇池流域：湖体1 3 个监测点位均为劣v 类水质，内海污染突出，外海高锰酸盐指数基 本可达n l 类水质要求，总氮、总磷污染仍很严重，处于富营养化状态。 巢湖：湖体1 2 个监测点位中，5 4 的点位为v 类水质，4 6 的点位属劣v 类水质，总 氮、总磷超标严重，属中富营养状态。 其它大型淡水湖泊：洱海、兴凯湖和博斯腾湖水质良好，湖体水质均达到i i i 类水质标 准；洞庭湖、镜泊湖和洪泽湖水质达w 类水质标准；白洋淀、达莱湖和南四湖污染严重， 均为劣v 类水质。 大型水库：北京密云、抚顺大伙房、吉林松花湖、天津于桥、湖北丹江口、合肥董铺、 青岛峙山、烟台门楼、汉口石门和杭州千岛等1 0 座大型水库中，千岛湖为i 类水质，于桥 水库和松花湖为i 类水质，其余7 座水库为类水质，大型水库水质总体良好。丹江口水 库、千岛湖和石门水库处于贫营养状态。其他7 座水库处于中营养状态。 严重的水污染加剧了水资源的危机，成为经济和社会发展的严重障碍。我国大部分 的自来水厂以江河湖水为水源。据报道，在供水系统中己检出的有机物种类超过两千种， 饮用水中检出的也有七百多种，包括二十多种致癌物，二十三种可疑致癌物，十八种促 癌物1 4 l 。水源污染对水厂的正常运行造成了不良影响，增加了建设和运行费用，同时降 低了饮用水的安全性，危害人们的身体健康。 在我国现阶段，环境管理还比较薄弱，环境执法力度不够，排污收费等经济政策未 能起到对治污的刺激作用，资金投入严重不足等等因素都将导致我国水资源状况的进一 步恶化，水资源形势将更为严峻。 1 2 传统的给水处理技术面临的挑战 1 2 1 水资源短缺与水体污染 严重的水资源污染使得我国的供水行业面临巨大的挑战。由于地下水资源紧缺，地 面水资源的开发与利用己成为国内解决用水困难的主要途径，但我国7 0 左右的饮用水 源不符合国家标准，水质型缺水问题严重。 目前，我国绝大部分水厂仍然采用传统的“原水一混凝沉淀一过滤一消毒一出水”处理 上艺，它主要适用于处理未受严重污染的水，主要功能是去除悬浮物，胶体物质和细菌， 2 山东建筑大学硕士学位论文 对水中以溶解状态存在的微量有机物去除效果有限，致使一些溶解物质特别是致癌、致 畸、致突变的微量有机物残留在饮用水中，对居民的身体健康构成极大的威胁【5 】o 1 2 2 水质标准的提高 随着人们生活水平的不断提高，人们对饮用水安全性的要求也越来越高。近年来， 得益于科技的进步，各种检测手段日益完善，大型的检测设备逐步普及为饮用水水质标 准的提高提供了技术保障。 1 9 8 5 年生活饮用水卫生标准中共有3 5 项水质指标，2 0 0 1 年生活饮用水卫生 规范中共有9 6 项指标；2 0 0 5 年，建设部发布实施城市供水水质标准共有1 0 1 项 指标。新的标准对水质的检测项目大大增加，要求也更加严格了。特别是，新标准对当 前工业废水和农药污染加重的趋势，增加了对有机污染物和农药的检测项目，敌敌畏等 农药都作为毒理学指标进入检验部门的检测范围。对常规项目的限值也做了修订，要求 更为严格，如出厂水浊度的限值降到1 n t u 。检测项目的增加以及指标限值的降低给传 统的给水处理上艺提出了更高的要求。 1 2 3 氯的消毒副产物 氯消毒因其经济高效、方便投加、能在管网中产生一定的余量防止细菌繁殖的特点， 受到了广泛的青睐。但近几十年来人们发现在氯消毒时氯与水中某些有机成分反应生成 一系列的卤代有机副产物，其中大部分对人体健康构成潜在威胁。尤其是在预氯化上艺 中高浓度的氯与原水中大量的有机污染物自接接触反应生成的氯化副产物浓度会更高。 挥发性三卤甲烷0 曙i m s ) 和难挥发性卤乙酸( h a a s ) 被认为是两大类主要的氯化消毒 副产物。我国饮用水标准规定对三卤甲烷总量应控制在0 1 m g l 以内，而近年来人们发 现澳代三卤甲烷对人体的潜在危害更大。难挥发性的卤乙酸t ，h a a s ) 对人体的潜在危害远 大于氯仿。此外，人们还陆续从自来水中检测出多种其它氯化消毒副产物，诸如卤代酚、 卤乙睛、卤代酮、卤乙醛、卤代硝基甲烷等。这些次生的卤代有机物对人体的潜在危害 甚至超过原水中的有机污染物。因此消除与控制氯化消毒副产物应当引起人们极大的重 视。 3 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 4 微生物指标 现行常规净水上艺，虽然能有效地灭活细菌，但难以灭活病毒。据研究，只有当水 的浊度被降至0 5 n t u 以下，常规氯消毒才能有效地灭活病毒，但我国绝大部分城市自 来水的水质达不到上述要求。此外，一些致病微生物对人体健康构成较大威胁，如贾第 虫和隐抱子虫等难于灭活。 1 3 膜分离技术概论 膜分离技术是指用天然或人工合成的膜为分离体，以外界能量或化学位差为驱动 力，对单一或多组分溶质进行分离、分级、提纯和富集的方法的统称。 1 3 1 膜处理技术的分类及特点 膜的分类可以按膜的材料、膜的结构、膜的用途及膜的作用机理等方法分类。按膜 的结构分类可将膜分为对称膜、非对称膜和液膜。对称膜包括微滤膜、超滤膜、渗析膜、 气体分离膜、渗透汽化膜等p 非对称膜包括微滤膜、超滤膜、气体分离膜、渗透汽化膜、 反渗透膜及纳滤膜等；液膜包括无固相支撑型( 乳化液膜) 及有固相支撑型( 固定化液膜或 支撑液膜) f 6 】。 膜分离技术按照物质的分离范围和应用的推动力来分类，其典型的分离过程分类和 特点见表1 1 所示。 表1 1 典型膜分离技术的特点 分离技术膜类氆可透过组分截留组分 传递机理推动力 微滤j 燃 麟j 然 纳滤j 燃 反渗透j 然 渗析毫鬻 屯渗析离子交换膜 溶液、气体0 0 2 - 1 0 u m 小分子溶液0 , 0 0 1 - o o 却m 溶剂、低价小 分子溶质 水溶剂 低相对分子 量物质 离子 气体分离复合膜气体或蒸汽 l n m 以上溶质 0 , 1 一l n m 小分 子溶质 溶剂、大分子 m w 1 咖 非电解质及大 分子物质 难渗气体或蒸 4 颗粒大小、形状 筛分 分子特性、大小 筛分 分子特性 扩散传递 扩散渗透 扩散 离子选择 扩散渗透 压力差 1 0 0 k p a 压力差 1 0 0 一1 0 0 0 k p a 压力差 5 0 0 一1 5 0 0 p a 压力差 1 旷1 0 乍, p a 浓度差 电位差 压力差 山东建筑大学硕士学位论文 非对称膜汽 1 0 3 1 0 4 l 。p a 复合膜膜内易溶解不易溶解组分 渗透汽化a 蠹繁嚣萎嚣穿或訾挥溶解甜散簇茎均相膜易挥发组分发组分 一一 液鬈 液膜电解质离子非电解质溶剂 反辫扩化鬻浓 1 3 2 膜处理技术在水处理中的应用删 膜分离技术作为饮用水处理的一个独立工艺，是水处理领域近十几年重要的技术突 破。所采用的主要形式有反渗透、微滤、超滤和纳滤。反渗透、纳滤、超滤、微滤都是 以压力为驱动力的膜分离过程。一般来说，反渗透几乎能将水中无机离子全部去除，因 此反渗透在海水淡化，超纯水制备方面具有明显的优势。纳滤、超滤、微滤都属于低压 膜分离过程，其中纳滤对水中的钙、镁的去除率很高，因此可用于水的软化。超滤、微 滤在水的除浊和灭菌方面都具有良好的效果，因而可用于饮用水和污水的深度处理。相 对而言，由于超滤膜在小孔径范围与反渗透相重叠，在大孔径范围与微滤膜相重叠，超 滤分离物质的范围更广，同时它使用的压力低、产水量大，因此更便于操作，在饮水处 理领域中应用具有较强的优势。表1 2 显示了水处理中膜分离特性，表1 3 列出了国外推 荐使用去除水中污染物的膜工艺，表1 4 以美国水质标准为例给出了饮用水处理中膜过 程的适宜范围。 表1 2 水处理中膜分离特性 注：致病菌中c = 贾滴虫卵囊；b = 细菌；v = 病毒 有机物中d b p s = 消毒副产物前体；s o c s = 合成有机物 5 山东建筑大学硕士学位论文 表1 3 国外推荐使用的膜处理工艺 表1 4 膜过程应用于饮用水范围一览表 注：s w t r ：地表水处理标准e s w r r ：强化地表水处理标准 c r ：大肠细菌执行标准l c r - 铅和铜执行标准 i o c ：无机物执行标准( 条款i ，i i 、i i a 、v ) s o c ：合成有机化学物质 d b p r ：消毒副产物执行标准g 、d r ：地下水消毒标准 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 4 课题背景与研究内容 1 a 1 课题背景 全国7 大水系中，不宜作饮用水源的河段为4 0 左右【1 0 1 ，据统计【1 1 】，我国有8 2 的 江、河、湖泊受到污染，9 2 的城市面临水污染的威胁，而且污染源由过去的生物污染( 致 病微生物) 为主发展到以化学污染特别是有机化合物污染为主。 济南市水资源具有总量不足、年际变化大、年内分配不一和地域分布不均等特点。 济南市为资源性缺水地区，是全国重点缺水城市之一。济南素以“泉城”著称，以泉水闻 名。在城市范围内，分布有四大泉群七十二泉，数量之多，流量之大，实数罕见。然而， 由于地下水盲目、过度开采，致使泉水自1 9 7 5 年春季开始出现断流，几乎年年有断流现 象，尤其自1 9 9 9 年以来，济南泉群连续停喷。 为了合理利用水资源，抵御特大干旱，保障城市供水和引水保泉，济南市修建了鹊 山和玉清湖两大引黄平原水库，并在南部山区修建了卧虎山水库用以储备水源。 近年来，随着卧虎山水库周边住户的增加，特别是历城一中招生规模不断扩大，师 生数量持续增加，产生了大量的生活污水，未经处理的污水直接排入卧虎山水库，给水 库水质造成了较大的危害，一度出现水库水变混，水面漂浮物增多等现象。另外，卧虎 山水库由于水体处于封闭或半封闭性状态，水流迟缓，水体交换能力差，水质更新周期 长，悬浮物沉积作用强等原因，出现了富营养化的趋势，并引起藻类繁殖。主要污染问 题为氮磷营养物质和有机物污染。从近两年来的测定结果来看，总氮平均在3 m g l 以上， 氮、磷含量及比例均超过相关富营养化水体的临界值，水体上呈现富营养化状态，表现 在藻类疯长( 总量超过1 0 6 c e l l l ) ，叶绿素a 平均1 0 2 0 , u g l ，严重时接近3 0 u g l ，溶解 氧减少，浊度降低，微囊藻毒素超过l j c , g l ：有机物化学需氧量( c o d b ) 平均2 0 , - , 3 0 m g l ， 耗氧量( c o d m ) 接近6 m g l ，总有机碳( t o c ) 变化范围大，在1 0 3 0 m g l 。 另，随着社会的发展和进步，人民生活水平的提高，人们对水质的要求有了新观念， 要求饮水水质第一无害，第二有益1 1 2 1 。人们对水与健康的关系有了更高、更深的科学认 识，对水质的要求也越来越高。2 0 0 1 年卫生部公布了生活饮用水卫生规范，规定了 9 6 项指标。2 0 0 5 年建设部公布了城镇供水生活饮用水卫生标准，规定了1 0 1 项指标， 其中常规检测4 2 项，非常规检测项目5 9 项。新标准对当前工业废水和农药污染加重的 趋势，增加了对有机污染物和农药的检测项目，敌敌畏等农药都作为毒理学指标进入检 7 山东建筑大学硕士学位论文 验部门的检测范围。另外，新标准汲取了国外的教训，增加了对原虫类病毒体的检测， 将粪型链球菌群、蓝氏贾第鞭毛虫、隐孢子虫等指标列入了检测项目。而目前传统的常 规水处理工艺对这部分检测指标的去除效果不很理想。 我国一方面水源污染日益严重，而另一方面人们对应用水的水质提出了更高的要 求，使得我国饮用水处理存在的主要矛盾表现在：水源水质污染的日趋严重及现有水厂 相对有限的处理能力与饮用水水质要求日益提高的矛盾。而超滤技术一方面能有效去除 颗粒状物质，包括微生物，隐孢子虫、贾第鞭毛虫、细菌和病毒，确保饮用水的微生物 安全性，另一方面还可一定程度减少水中的有机微污染物质，这使得超滤技术在我国饮 用水处理中显现出巨大的潜力。 1 4 2 研究目的 在饮用水的深度处理中，国内用得比较多的是反渗透膜。但是反渗透是海水淡化和 超纯水制各的工艺，除操作压力高，能量消耗大以外，由于处理水“纯度”过高，使水中 的矿物质和对人体有益的离子也不能保留。与反渗透相比，超滤和微滤方法由于操作压 力低，能量消耗小，近年来在国外作为常规处理的替代方法或深度处理方法用得越来越 多，其中超滤的应用研究更受到关注，但目前还很少用于饮用水的直接处理。从超滤技 术在给水处理领域推广运用的角度出发，有必要对其处理特性进行系统性研究，针对浊 度、有机物这些天然水体中的常见污染物，考察超滤及其组合工艺的处理功效。 在膜处理技术的应用中，膜污染的防止和控制是最重要的因素，但是人们对膜污染 机理的认识还远远不够，膜污染控制理论还很不成熟。因此有必要结合超滤除浊，去除 水中天然有机物的工艺实验进行系统的膜污染研究。 为了达到上述两个目的，本课题济南南郊水厂原水为对象，进行了长期连续的动态 试验，从工艺操作和控制方法、膜处理功效、膜污染状态、和微混凝对膜过滤的影响， 反冲洗频度对膜过滤的影响等方面进行了系统的试验研究，在此基础上对膜污染机理及 动力学模型进行了考察和分析，同时结合试验数据对超滤系统进行了技术经济分析，研 究结果对超滤膜在给水处理方面的应用提供了理论依据。 1 4 3 研究内容 在本课题中，为了提高膜工艺的试验研究水平，通过超滤系统自动控制软件，实现 8 山东建筑大学硕士学位论文 长期连续试验过程中，计算机按照设定的不同操作条件对超滤装置的自动控制和实验数 据的自动采集。本文的研究工作主要包括超滤处理功效和膜污染机理的研究。 在超滤处理功效的研究中长期监测了超滤膜对不同原水( 南郊水厂进厂源水以及水 厂混凝出水) 的除浊、除有机物以及非金属无机物去除作用效果。 对膜污染机理的研究包括： 超滤膜污染机理，以及超滤膜连续运行情况下膜过滤性能的变化。 周期反冲洗超滤膜污染过程分析：对水厂进厂源水进行长期的不同频度和周期反 冲洗试验，考察反冲洗频度对超滤膜污染的影响。通过反冲洗试验，比较膜污染程度， 产水量和能耗，得出较优的操作参数和工艺条件。 1 5 课题来源 本课题来源于2 0 0 6 年度建设部科技攻关项目，项目编号为：0 6 k 4 1 1 。 9 山东建筑大学硕士学位论文 第二章超滤分离技术 2 1 超滤膜性能的基本表征及工作原理 截留率和渗透通量是超滤过程中的最重要的性能参数，它们与膜结构密切相关。现 有的超滤膜结构上大多是不对称的。一般可简单分为两层，一层是超薄致密皮层，另一 层为支撑层。截留率主要受制于膜结构的致密皮层；通量除主要受制干致密皮层外还受 提供膜强度和渗透液通道的疏松支撑层结构的影响。 2 1 1 超滤膜的性能表征 2 1 1 1 渗透速率 渗透速率是膜性能的重要指标，用来表征超滤膜过滤料