（市政工程专业论文）超滤工艺处理微污染水源水研究.pdf

t h er e s e a r c ho ft h eu l t r a f i l t r a t i o nc o m b i n e dp r o c e s s e s i nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tw i t hm i c r o p o l l u t e d s o u r c e 彤l t e r b y w a n gz h a n j i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f j i ar u i b a o p r o f 砌物n z h e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a a p r i l1 9 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名驰，日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南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、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签主驻导师签名： 论文作者签名：徽2l 三导师签名： 济南大学硕l ：学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 1 1 我国水资源与水环境状况1 1 1 2 济南南部山区水质特征。2 1 1 3 饮用水水质标准的提高2 1 1 4 常规工艺的局限性3 1 2 饮用水超滤膜技术4 1 2 1 基本原理4 1 2 2 超滤膜的性能表征4 1 2 3 超滤过程中的浓差极化5 1 2 4 膜的清洗7 1 3 膜处理技术在饮用水处理方面的应用8 1 4 研究目的和意义9 第二章试验装置和试验方法1 1 2 1 试验装置1 1 2 2 试验装置运行：1 3 2 3 检测项目、测定方法及主要仪器l5 2 4 部分检测方法选用1 6 2 4 1 颗粒计数1 6 2 4 2u v 2 5 4 16 2 4 3 消毒副产物生成势。1 6 2 4 4 致嗅味物质1 7 第三章超滤膜直接过滤原水试验1 9 3 1 试验运行结果分析1 9 3 1 1 浊度和颗粒物的去除1 9 3 1 2 有机物去除效果2 1 i 超滤下艺处理微污染水源水研究 3 1 3 藻类污染物去除效果2 3 3 1 4 细菌去除效果一2 4 3 1 5 对嗅味物质及消毒副产物前提物变化规律2 5 3 2 不同水质膜通量和膜压差的变化2 7 3 3 本章小结2 9 第四章气浮超滤处理南部山区水库水：3 l 4 1 试验方法3 2 4 2 混凝剂投量的优化3 3 4 3 混凝超滤与气浮超滤处理效果3 4 4 - 3 1 浊度去除效果对比3 4 4 3 2 两种工艺对有机物去除效果3 5 4 3 3 对藻类污染物去除效果3 7 4 3 4 对嗅味物质和消毒副产物前体物等的去除效果一3 8 4 3 5 两种工艺对细菌去除效果4 l 4 3 6 两种工艺对部分国标污染物去除效果分析4 2 4 4 两种工艺膜通量和膜压差变化4 2 4 5 本章小结j 。4 4 第五章二氧化氯混凝超滤4 7 5 1 二氧化氯最佳投量的确定。4 7 5 1 1 两种工艺对c o d m n 去除效果4 7 5 1 2 两种工艺对叶绿素a 去除效果4 8 5 2 二氧化氯预氧化混凝超滤处理效果5 0 5 2 1 二氧化氯预氧化混凝超滤对浊度色度去除效果5 0 5 2 2 对藻类去除效果5 0 5 2 3 对腐殖质去除效果5 1 5 2 4 对嗅昧物质去除效果5 1 5 2 5 对细菌去除效果5 2 5 3 氯酸盐和亚氯酸盐问题5 3 5 4 本章小结5 4 第六章膜清洗试验5 5 l l 济南大学硕f ：学位论文 6 1 膜污染机理5 5 6 2 膜清洗机理5 5 6 3 物理清洗5 6 6 3 1 反洗运行方式5 6 6 3 2 物理反洗效果5 6 6 4 化学清洗5 7 6 4 1 化学清洗方案5 8 6 4 2 化学清洗效果5 9 6 5 停机后的维护6 0 6 6 本章小结6 l 第七章结论与建议6 3 7 1 结论6 3 7 2 建议6 4 参考文献6 5 致谢6 9 附录a ( 攻读学位其间发表论文目录) 。7 1 i i i 超滤t 艺处理微污染水源水研究 i v 济南大学硕l 学位论文 曼曼曼曼鼍曼皇曼曼皇曼i !i - 一i i i 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇皇曼曼曼皇曼蔓曼曼 摘要 本课题采用国产p v c 合金超滤膜对济南南部山区和济南黄河水厂微污染水源水 进行了直接超滤处理研究，系统地研究了直接超滤对水中污染物去除效果及其运行参 数影响因素，针对直接超滤存在的问题，对直接超滤工艺进行升级改造，增加直接超 滤前处理工艺气浮或二氧化氯混凝，以应对直接超滤运中存在的不足、提高或 改善其运行和去除污染物性能。研究结果如下： ( 1 ) 直接超滤工艺对水中浊度、藻类、细菌等污染物质有着较好的去除能力， 去除率达到了9 7 以上。通过超滤膜的截留作用，其出水浊度也仅为0 1n t u 左右， 且出水大肠菌群也未曾检出，可见超滤对于水中大分子污染物质有着较好的去除效 果。该工艺对于水中有机污染指标u v 2 5 4 以及c o d m l l ，单独依靠超滤工艺的过滤对其 的去除能力有限，去除能力分别不足1 5 和3 0 ，对t o c 的去除能力也仅为3 0 ， 超滤工艺并不能有效的改善水中有机污染的状况。直接超滤后总嗅味量和土臭素去除 率分别为3 8 和2 4 ，对三氯甲烷前质、四氯化碳前质去除率分别为4 2 、6 7 ， 和二氯一溴甲烷前质和一氯二溴甲烷前质几乎没有去除效果。试验发现原水水质对膜 通量和膜压差的影响较大，t o c 平均为2 0m g l 原水比t o c 平均为3 8m g l 原水膜 通量高近3 0 ，膜压差约低3 8 。因此直接超滤出水完全可以保证对水中浊度、藻类、 细菌、大肠菌群的去除。但对有机物消毒副产物去除效果有限，膜污染严重。 ( 2 ) 针对直接超滤存在的问题进行了超滤前气浮和二氧化氯混凝预处理，结论 为：通过试验研究确定气浮超滤组合工艺混凝剂最佳投量为8m g l ，二氧化氯混凝 超滤组合工艺二氧化氯最佳投量为0 1 m g l 。在最佳投加量下，与直接超滤相比，气 浮超滤和二氧化氯混凝一超滤两种工艺对c o d m i l 的去除率分别提高3 0 和1 0 1 ， 对u v 2 5 4 的去除率分别提高3 5 和4 2 9 。说明通过气浮和二氧化氯混凝预处理超滤 工艺对有机物去除率大幅提高；虽然直接超滤对叶绿素a 和藻类去除率均接近1 0 0 ， 但超滤滤池负担过重。气浮和二氧化氯强化混凝预处理对叶绿素a 去除率分别为6 0 和3 5 ，对藻类去除率分别为5 4 和7 0 ，因而两种预处理工艺可有效解决缓解了 膜污染问题，就对藻类去除效果而言，二氧化氯强化混凝优于气浮；直接超滤对总嗅 昧量物质土臭素去除率为2 4 ，气浮超滤工艺为5 0 ，c 1 0 2 p a f c 超滤组合工艺土 臭素去除率为5 8 ，两种预处理工艺对土臭素去除率比直接超滤分别提高2 6 和 3 2 ；气浮超滤对三氯甲烷、四氯化碳前质的去除率为6 1 和9 7 ，比直接超滤提 v 超滤t 艺处理微污染水源水研究 曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇舅iii, i 一一 i i 二-i 曼曼曼皇毫曼寡皇曼曼量量量曼! 鼍曼曼曼皇曼篡曼量鼍曼舅曼 高为1 9 和3 0 ，两种工艺对二氯一溴甲烷前质和一氯二溴甲烷前质几乎没有去除效 果，说明气浮对消毒副产物前质去除效果有一定提升，而c 1 0 2 p a f c - 超滤工艺氯酸 盐和亚氯酸盐均不会超标，即使投量为0 5 m g l 也能满足要求；气浮一超滤和二氧化 氯混凝超滤组合工艺分别比直接超滤膜压差下降2 5 和1 8 ，膜通量上升1 0 和 8 ，因此两种预处理工艺有效缓解膜污染问题。 关键词：超滤；微污染；气浮；消毒副产物前体物；膜清洗 v l 济南人学硕 学位论文 a b s t r a c t p v c a l l o yu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a su s e dt ou e a t em i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e ro f j i n a ns o u t h e r nm o u n t a i nr e g i o na n dy e l l o wr i v e r i tw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yt h e i n f u e n c i n gf a c t o r so fw a t e rp o l l u t a n tr e m o v a le f f e c ta n do p e r a t i o np a r a m e t e rb yd i r e c t u l t r a f i l t r a t i o n d i r e c tu l t r a f i l t r a t i o nw a si m p r o v e db a s i n go ne x i s t e dp r o b l e m s ，w h i c h p r e t r e a t m e n tp r o c e s s - f l o a t a t i o na n dc h l o r i n ed i o x i d e c o a g u l a t i o na d d i t i o nf o ri m p r o v i n g o p e r a t i o na n dr e m o v a lp o l l u t a n t sp e r f o r m a n c e r e s e a r c hr e s u l t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o nh a sb e t t e rr e m o v a la b i l i t yt op o l l u t e r ，s u c ha st u r b i d i t y , a l g a , b a c t e r i u mi nw a t e r , t h er e m o v i n gr a t e i sm o r et h a n9 7 h o l d i n gb a c k o f u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n em a k et h a te f f l u e n tw a t e r t u r b i d i t yi s l o w e rt h a no 1 n t u ， c o l i f o r mb a c t e r i aw a sn o td e t e c t e d i ti so b v i o u su l t r a f i l t r a t i o nh a sb e t t e rr e m o v a lr e s u l t so f t h em a c r o m o l e c u l ep o l l u t e ri nw a t e r i ti sl i m i t i e d f o rt h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o nr e m o v a l a b i l i t yo fw a t e ro r g a n i cp o l l u t i o ni n d e xu v 2 5 4a n dc o d m n ，r e m o v a lr a t ew a s15 a n d3 0 r e s p e c t i v e l y t o er e m o v a l r a t ei s o n l y3 0 o r g a n i cp o l l u t e sc a nn o ti si m p r o v e d e f f e c t i v e l yi ne f f l u e n tw a t e r t a s t ea n do d o ra n dg e o s m i nr e m o v a lr a t ew e r e3 8 a n d2 4 r e s p e c t i v e l y t h ec h l o r o f o r ma n dt e t r a c h l o r i d ei nd i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t sf r o mp r e c u r s o r s w e r e4 2 a n d6 7 ，c h b r c l 2a n dc h b r 2 c ih a sn o tb e e nr e m o v e dn e a r l yi nt h e p r o c e s s t h ee x p e r i m e n td i s c o v e r e dt h a tt h er a ww a t e rq u a l i t yi n f u e n c eg r e a t l ym e m b r a n e f l u xa n dt h em e m b r a n ep r e s s u r e m e m b r a n ef l u xi sh i g h e r3 0 w h i l er a ww a t e ro ft o e e q u a l l i n g2 0m g lc o m p a r e dt oa v e r a g et o e3 8m g l ，t h em e m b r a n ep r e s s u r e i s a p p r o x i m a t e l yl o w e r3 8 t h e r e f o r et h ed i r e c tu l t r a f i l t r a t i o nc o m p l e t e l yg u a r a n t e ei n r e m o v i n gt h et u r b i d i t y , a l g a e ，b a c t e r i u m ，c o l i f o r mb a c t e r i ai nw a t e r b u ti t i sl i m i t e df o rt h e o r g a n i cm a t t e ra n dd i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c te l i m i n a t i o nt om e m b r a n e s e r i o u sp o l l u t i o n ( 2 ) f l o a t i o na n dc 1 0 2 c o a g u l a t i o nb e f o r eu l t r a f i l t r a t i o ni sc o n d u c t e da c c o r d i n gt o e x i s t e dp r o b l e m so fd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h eb e s tc h l o r i n ed i o x i d e d o s a g e i s8 m g l w i t hf l o a t a t i o n u fc o m b i n e d p r o c e s s ，0 1m g l w i t h c 1 0 2 c o a g u l a t i o n u f r e m o v a lr a t eo fc o d m i li n c r e a s e3 0 a n d10 1 ，u v 2 5 4i n c r e a s e3 5 a n d4 2 9 f o rd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o nc o m p a r i n gt ot h eo t h e rt w op r o c e s s e su n d e rt h eb e s t d o s a g e t h ed a t as h o w st h a tp r e t r e a t m e n tu l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s e sg r e a t l yi m p r o v er e m o v a l v i l 超滤t 艺处理微污染水源水研究 r a t eo fo r g a n i cm a t t e r a l t h o u g hd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o ne l i m i n a t i o nr a t eo fc h l o r o p h y l laa n d t h ea l g a ea r ec l o s e d10 0 ，f i l t e rm e m b r a n eb u r d e ni so v e r w e i g h t t h ef l o a t i o na n dc h l o r i n e d i o x i d es t r e n g t h e n i n gc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n tp r o c e s s e sr e m o v ec h l o r o p h y l la6 0 a n d 3 5 r e s p e c t i v e l y , r e m o v a lr a t eo fa l g a ea l e5 4 a n d7 0 r e s p e c t i v e l y ，w h i c ht h et w o p r e t r e a t m e n tp r o c e s s e s a l l e v i a t e e f f e c t i v e l y m e m b r a n e f o u l i n g c h l o r i n e d i o x i d e s t r e n g t h e n i n gc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n tp r o c e s s e si ss u p e r i o rt of l o a t i o nf o ra l g a e g e o s m i n r e m o v a lr a t ei s2 4 w i t l ld i r e c tu l t r a f i l t r a t i o n ，5 0 谢t 1 1f l o a t a t i o n u f , 5 8 谢t l l c 1 0 2 p a f c u fc o m b i n e dp r o c e s s r e m o v a lr a t eo ft w op r e t r e a t m e n tp r o c e s s e st o g e o s m i ni sr a i s e r2 6 a n d3 2 r e s p e c t i v e l yt h a nd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o n t h ec h l o r o f o r ma n d t e t r a c h l o r i d ei nd i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t sf r o mp r e c u r s o r sa r e61 a n d9 7 i nt h ep r o c e s s ， i sr a i s e r19 a n d3 0 r e s p e c t i v e l yt h a nd i r e c tu l t r a f i l t r a t i o n t w op r o c e s sh a sn o tb e e n r e m o v e dn e a r l yw i t hc h b r c l 2a n dc h b r 2 c 1 s or e m o v a le f f i c i e n c yo fs o m eb y - p r o d u c t s f r o mp r e c u r s o r si sp r o m o t e di nf l o a t i o n u l t r a f i l t r a t i o n c 1 0 2 c h l o r a t ea n dc h l o r i t ei sn o t l i m i te x c e e d i n gi nc o a g u l a t i o n u l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s i tc a ns a t i s f yt h er e q u e s te v e ni ft h e c h l o r i n ed i o x i d ed o s a g ei s 0 5m e d l t h et w oc o m b i n ep r o c e s s e sc o m p a r e dt ot h ed i r e c t u l t r a f i l t r a t i o np r o c e s s e s ，u l t r af i l t e rm e m b r a n ep r e s s u r ed r o p2 5 a n d18 r e s p e c t i v e l y ， t h em e m b r a n ef l u xr i s e s10 a n d8 t h e r e f o r et w ok i n do fp r e t r e a t m e n tp r o c e s s e s e f f e c t i v e l ya l l e v i a t em e m b r a n ec o n t a m i n a t i o nc o n c e r n k e yw o r d s ：u l t r a f i l t r a t i o n ；m i c r o - p o l l u t i o n ；f l o a t a t i o n ；d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c tp r e c u r s o r ； 济南大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国水资源与水环境状况 从当前和2 1 世纪的发展看，水资源短缺问题将越来越成为制约我国农业和经济 和社会发展的重要因素。 目前水资源状况形势严峻，我国水资源总量2 8x1 0 4 亿立方米，居世界第6 位， 水资源人均占有量为2 3 0 0 方，约为世界平均水平的1 4 。在世界排名第8 8 位，属于 1 3 个贫水国家之一。我国水资源主要为降水，降水的时空分布很不均：全国范围内 主要集中于7 - 9 月，且旱季、雨季分明，南方的降水量多，北方降雨少。据统计，目 前，我国年缺水总量达3 0 4 0 亿m 3 。全国约有2 9 的人口的饮用水不符合国家饮用 水水质标准，约7 0 0 0 万人饮用的水中氟含量严重超标i l j 。从地域上看，西北、华北 和沿海地区受水资源匮乏影响严重。 城市缺水现象亦十分严重，全国6 6 0 多个城市中，3 3 3 座城市不同程度的缺水， 1 0 8 座城市严重缺水。我国城市供水不足现象始于2 0 世纪7 0 年代，以后逐年扩大， 并且愈来愈严重。日缺水量1 6 0 0 万立方米，年缺水量约6 0 亿立方米，平均每年因缺 水影响工业产值2 0 0 0 多亿元。当前全国农村还有3 0 0 0 多万人和数千万头牲畜吃水 困难。全国有1 4 的人口饮用不符合卫生标准的水，直接影响到人民的健康水平。在 水资源本已短缺的情况下，我国水环境也日益恶化，给水环境造成了极大的污染，水 源水质也因此急剧下降。 2 0 0 8 中国环境状况公报显示，我国污染减排工作取得突破性进展，部分环境质 量指标明显改善，但地表水污染依然严重，总体面临的环境形势仍很严峻。全国地表 水中高锰酸盐指数年平均浓度为5 7m g l ，第一次达到三类水质标准，比上一年下降 1 2 3 个百分点，比2 0 0 5 年下降2 0 8 个百分点。我国地表水污染依然严重，长江、黄 河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体水质与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，一类至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度 污染，海河为重度污染。在监测营养状态的2 6 个湖泊及水库中，呈富营养状态的占 4 6 2 。公报还指出，我国农村环境问题同益突出，生活污染加剧，面源污染加重， 超滤工艺处理微污染水源水研究 工矿污染凸显，饮水安全存在隐患，呈现出污染从城市向农村转移的态势。 1 1 2 济南南部山区水质特征 济南市南部山区卧虎山水库和锦绣川水库分别为南郊水厂和分水岭水厂提供原 水供应，为南部4 0 万居民提供生活饮用水。目前，水源水质不断恶化，相继爆发了 南郊水厂隐孢子虫污染和卧虎山水库死鱼等水质污染事件，且具有夏季高藻、高有机 物，冬季低温低浊的水质特征。主要表现在： 1 ) 浊度平均不高，但波动幅度较大：卧虎山水库水浊度平均值约为7 8n t u ， 7 、8 月份因为降雨升高，最高可超过1 0 0 n t u 。2 ) 嗅味较大，呈明显土臭味：全年 大部分时候都有明显土臭味，臭味3 级，滤后水为1 2 级，用户出水加热后臭味仍很 明显。3 ) 色度较高，成色物质为腐殖酸：平均值为2 0 度，最高达4 0 度。有研究表 明，卧虎山水库水经过滤后分子量大于3 0 0 0 的超滤膜上有一层淡黄色的胶粘物，这 说明形成色度的有机物主要是胶体有机物和尺寸更大的有机物，而一般大于1 0 0 0 的 有机物主要是腐殖质类( 腐殖酸和富里酸) 有机物，富里酸分子量一般小于2 0 0 0 ， 在水中呈真溶液，因此腐殖酸是主要的成色物质。4 ) 氨氮平均浓度较低：平均值为 0 2m g l 左右，且大多时候在0 2m g l 以下，其中8 月份浓度最高，但也不超过1 0 m g l 。5 ) 有机物偏高：耗氧量( c o d r , , t n ) 平均值2 6m g l 左右，最高值为5 6m g l ， u v 2 5 4 平均约为0 1 8c m 一，g c m s 检出物主要为乙苯，邻间二甲苯，萘，酞酸二丁 酯等有机物。6 ) 水体富营养化，存在藻类污染：卧虎山水库水中t n6m g l ，t po 0 2 m g l 。一般认为t p 浓度o 0 2m g l ，t n 浓度0 2 m g l ，是水体富营养化的发生浓度， 而卧虎山水库的t n 、t p 达到相当高的水平，为水生植物的生长提供了丰富的营养物 质。叶绿素a 达到了1 7 4 肛g l ，存在严重的藻类污染。 综上所述，南部山区水源水存在的主要问题为浊度有时候偏高、色度较高，嗅味 明显，其污染物以藻类和有机物为主。 1 1 3 饮用水水质标准的提高 人类评价饮用水质量的最早参数仅限于感官的；包括由视觉、嗅觉和味觉所感受 的浊度、颜色、肉眼可见异物、嗅和味几个参数。随着社会经济的发展和人民生活水 平的不断提高，人们的健康意识不断增强，对饮用水的水质要求也相应提高了，即使 过去长期认为与人体健康无关的浊度这一感官性参数，现已与健康联系起来，嗅味这 两个参数也不例外【2 1 。在这一背景下，国家于2 0 0 6 年颁布实施的生活饮用水卫生 标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 对城镇居民生活饮用水的水质提出了更高的要求。与国标生 2 济南大学硕t 学位论文 鼍i _ 一一 _ m i i 皇曼曼 活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 相比，生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的 检测项目由3 5 项增加到1 0 6 项，增加了7 l 项，修订了8 项。其中常规检测项目4 2 项，非常规检测项目6 4 项，对各指标的限值也更为严格，如浊度要求 1n t u ，以前 规定为 3n t u ；新标准对细菌总数要求小于8 0 个m l ，旧标准规定为 1 0 0 个m l 。 同时增加了毒理学指标和微生物指标中无机和有机化合物，如贾第鞭毛虫、隐孢子虫、 各种预氧化剂和消毒剂产生的消毒副产物等指标。 1 1 4 常规工艺的局限性 随着经济的发展，我国环境污染问题日益严重，水环境问题尤其突出，工业废水、 养殖废水、生活污水等的未达标排放，严重污染着水体环境，严重威胁人们的身体健 康，阻碍了经济的可持续发展，常规水处理工艺( “混凝沉淀过滤消毒) 工艺越来 越不能适应人们对水质的要求。通过查阅国内外相关文献，认为常规饮用水处理工艺 的局限性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 受污染水源水经常规混凝、沉淀剂过量工艺只能去除水中有机物的2 0 - - - 3 0 ，而且由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性而是常规应用水处理 工艺对原水浊度去除效果也明显下降。用增加混凝剂投量的方式改善处理效果，不仅 使水处理成本上升，而且可能使水中金属离子浓度增加，不利用人体健康。 ( 2 ) 氨氮在地面水中普遍存在，是目前水环境中的主要污染指标之一。氨氮以溶解 于水中的离子的形式存在，常规饮用水处理工艺中混凝沉淀对溶解状态的无机离子去 除效果十分有限，去除氨氮的效果通常只有1 0 左右。 ( 3 ) 常规饮用水处理工艺对水中微量有机污染物没有明显的去除效果，水中有机物 的数量，尤其是毒性污染物的数量，在处理前后变化不大。 ( 4 ) 用氯气对应用水进行消毒后，会在水中生成致癌物质，如氯仿、溴二氯甲烷以 及其它消毒副产物( d b p s ) 。更多研究表明：地面水特别是当水中腐殖酸和富里酸的 含量很高时，用氯气处理后三卤甲烷的含量会显著提高。最终的消毒剂及消毒副产物 条例( d b p r ) 规定，饮用水三卤甲烷总量的最大允许浓度( m c l ) 为0 0 8 0 m g l ， 并将此规定延伸至所有相似的水体。 ( 5 ) 高含藻原水进入净水厂后在光合作用下，水中p h 至升高，且由于藻类作用， 溶解氧增加，矾花密度降低，沉淀去除率下降，导致需要投加的混凝剂增多；藻类物 质在滤池中可大量繁殖，会使滤料层堵塞，时过滤周期缩短，减少产水量，增加冲洗 水量并影响出水水质；对水质影响更为严重的是有些藻类的降解产物中含有四氯乙 烷、二甲基二硫化物等毒性物质，能引起人、动物中毒。 3 超滤1 = 艺处理微污染水源水研冗 ( 6 ) 剑水蚤类浮游动物抗氧化性较强，常规处理的消毒工艺难以将其杀灭；剑水 蚤还具有游动性，很容易穿透滤池进入管网，在一些水厂的清水池乃至管网水中，都 曾发现过剑水蚤。 由上可见，在水源受污染情况下，由于常规应用水处理工艺的局限性，处理后的 生活饮用水安全性难以保证。饮用水水质标准的更加严格，传统工艺处理很难达到要 求，膜技术已受到人们日益广泛的研究及应用。 1 2 饮用水超滤膜技术 超滤是在压差推动力作用下进行的筛分过程，超滤的分离效果为分子级的，可滤 除粒径为1 0 1 0 0n i n ，它可截留溶液中大分子溶质。 1 2 1 基本原理 超滤是在静压差的推动作用下进行的液相分离过程，从原理上来说，为筛孔分离 过程，工作原理如图1 1 所示，当原料液中含有污染物a 和污染物b 的混合溶液通过 超滤膜时，水和小于膜孔的 低分子污染物b 通过超滤膜 成为超滤液，而大于膜孔的 高分子污染物a 则被截留成 浓缩液( 见图1 1 ) 。一般认 为筛分作用是超滤的分离机 理，由于污染物b 分子太大， 不能进入膜孔，从而被截流； 或者由于大分子污染物在膜 孔中的流动阻力大于溶剂和 a 嘉习z 丽 v l 压力 超滤膜 图1 1 超滤工作原理 f i g1 1u l t r a f i i t r a t i o nw o r k i n gm e c h a n i s m 小分子污染物，不能进入膜孔。膜表面的化学性质也是影响超滤分离的一个重要因素， 被截流的污染物与膜材料的相互作用。超滤膜对溶质的分离过程通常包括以下几个机 理：膜表面及微孔内吸附；孔中停留而被去除；膜表面的机械截留( 筛分) 。 膜面沉积( 滤饼层或凝胶层) 的截留作用。 1 2 2 超滤膜的性能表征 1 2 2 1 渗透速率 渗透速率是膜性能的重要指标，主要用来表征超滤膜过滤原水中杂质的速率。渗 透速率可由公式( 1 1 ) 计算得到，渗透速率分为纯水渗透速率和溶液渗透速率，纯水渗 4 济南大学硕i j 学位论文 透速率可用于膜的性能指标的标定。一般情况下，超滤纯水渗透速率约为 2 0 10 0 0 l ( m 2 h ) ， t j r ：导 式( 1 1 ) 么f 、 其中：j 表示渗透速率， q 表示渗透量， t 表示过滤时间， a 表示膜面积 实际上由于原水水质的不同，膜的溶液渗透速率约为1 1 0 0 l ( m 2 h ) 。影响渗透速 率的因素有：温度、进水流速、进水的物理化学性质和浓度、设计因素及清洗方法等。 1 2 2 2 截留相对分子量 截留相对分子量( m w c o ) 是用来表示超滤膜的孔径，而且可以表征膜的分离特 性。通常定义为膜对某表征物截留率为9 0 时，所对应的相对分子质量为该膜的截留 相对分子量，说明截留相对分子量并不是是膜孔径的绝对值，更不是膜孔径的最大值。 目前认为，截留分子量的定义并很不严格，测定方法也未统一。通常的作法是采 用一系列化合物( 相似化学性质的不同分子量) 进行截留试验，在所得的曲线上求得 截留率大于9 0 的分子量即为截留分子量。显然，截留分子量越小，截留率就越大， 膜截留能越佳。超滤膜的操作压力较小，一般为o 1 0 5 m p a 之间。 1 2 2 3 超滤工作模型 根据分离目的和膜结构的不同，超滤过滤过程一般可分为两种工作方式：一种是 错流过滤，即原水中一部分垂直透过膜，另一部分与膜平行而溢流；另一种是死端式 过滤，即原水中能透过膜的成分全部垂直流过膜。 死水端过滤具有设备简单、能耗低、截留率高的优点。对超滤处理较稀溶液，死 水端过滤有更大的实用性。错流过滤方式的优点是渗透通量能在较长时间保持在一个 稳定水平，虽然由于膜污染的存在，错流过滤也需要周期性地清洗及更换，但其周期 要比死水端过滤长，该种过滤方式的主要局限性是能耗较高，装置较复杂。两种超滤 方式各具特点，进行超滤地优化设计时，除了要选择适当地膜组件外，还应根据料液 的性质采用有效的操作方式【3 1 。 1 2 3 超滤过程中的浓差极化 在压力驱动过程中，由于膜的选择透过性，水和小分子可以透过膜，而大分子溶 质则被膜所阻拦并不断累积在膜表面，使溶质在膜面处的浓度c m 高于溶质在主体溶 超滤下艺处理微污染水源水研冗 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼i i i l l | i _ 一一曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅 液中的浓度c b 。在浓度梯度作用下，溶质由膜表面向主体溶液反相扩散，形成边界 层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致水的透过通量下降，这种现象成为浓差 极化。浓差极化导致膜的传质阻力增大，渗透通量减小，并改变膜的分离性能。由于 进行超滤的溶液主要含有大分子，其在水中的扩散系数极小，导致超滤浓差极化现象 较为严重。 边界层膜 边界层凝胶层膜 jw e 一 一 一。出 主体c b 溶漓3wc一 ， l gl 一一d 坐 d x，7 溶蝻 ( a ) ( b ) 图1 2 膜表面的溶质浓度分布及凝胶层 f i g1 2 d i s t r i b u t i o na n dc a k el a y e ro fm e m b r a n es u r f a c es o l u t ec o n c e n t r a t i o n ( a ) 膜面附近的溶质浓度分布；( b ) 浓差极化所形成的凝胶层 ( a )