（市政工程专业论文）铁路洗涤污水循环利用处理工艺的试验研究.pdf

北京交通人学硕士学位论文 v7 4 1 0 6 3 摘要 本研究对国内洗衣房洗涤污水现状及近年国外洗涤污水处理研 究成果进行资料收集，提出了铁路洗涤污水循环利用的三种方案，并 通过对洗涤污水进行混凝和过滤两种处理工艺的小试试验，考察了混 凝和过滤处理工艺对洗涤污水浊度、t s s 等的处理效果，对其进行经 济技术比较确定出超滤膜过滤工艺较优。针对超滤膜过滤处理工艺， 进行现场中试试验确定其较优参数。试验研究所得主要结论如下： 1 根据小试混凝与过滤工艺试验结果的经济技术比较，超滤膜过滤 工艺具有出水水质稳定、占地小、一次性投资低、投资运行费用 低、投资回收快的优点。 2 ，j 三种不同膜材质聚丙烯腈( p a n ) 、聚丙烯( p p ) 、聚砜( p s ) 的性 能试验表明：p a n 为最优膜材质，膜通量最高，出水水质较优。 3 p a n 超滤膜的最佳水力反冲洗条件为半小时反冲2 5 分钟，其各项 指标的平均去除率最高，流量衰减最缓慢，净产水量最高，膜污 染最轻。 4 ，p a n 超滤膜的长期试验效果、流量恢复性能都较好。其中化学清洗 采用碱液清洗法，即用2 n a o h 溶液将p h 值调至1 l 1 3 循环清沈 1 小时。 5 针对洗涤污水，l a s 、c o d 、u v 。指标的相关性分析表明：l a s 含 量很大定程度上决定了c 0 1 ) 及u v ：；。指标的高低。 6 中试试验洗涤污水的细菌总数无法计数( 稀释至1 0 1 ) ，大肠杆菌 为1 2 0 0m p n i o o m l ：经p a n 超滤膜过滤后细菌总数减为2 1 0 5 c f u m l ，大肠杆菌减为6 4 0m p n i o o m l ；紫外线消毒后，细菌总数 为8 9 c f u m l ，大肠杆菌 = 3m p n 1 0 0 m l ，达到了饮用水标准。 关键词：洗涤污水、混凝、超滤、膜污染、消毒 摘要 a b s t r a c t t l l i s s t u d yi n v e s t i g a t e d t h ea c t u a h t yo fd o m e s t i c l a u n d r yw a s t e w a t e r a n dt h er e s e a r c h f u la c h i e v e m e n to fo v e r s e a sl a u n d r yw a s t e w a t e r sr e u s e t h r e em e a n so f w a s h i n g w a s t e w a t e rr e u s ew e r ep r o p o s e d t h er e m o v a lo f t u r b i d i t y ，t s sa n d s oo ni nc o a g u l a t i o na n df i l t f a f i o ni ss t u d i e d d u r i n g t h e l a b s c a l ee x p e r i m e n t i ti sc o n c l u d e dt h a tu fm e m b r a n ei st h eb e s tp r o c e s s i ne c o n o m ya n dt e c h n i c as e r i e so ff h l l s c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d f o rd e c i d i n gt h eb e t t e ro p e r a t i o n a lp a r m e t e r s 7 r h em a i nc o n c l u s i o n so ft h e s t u d ya r e a sb e l o w ： 1 c o m p a r i n gc o a g u l a t i o nw i t hf i l g a d o i li nt h ea s p e c to fe c o n o m ya n d t e c h n i c t h eq u a l i t yo f u l t r a f i l t e r i n g e f f l u e n ti s s t e a d y n l ec o s to f u l t r a f i l t e r i n g i n v e s t m e n ta n d o p e r a t i n i sl o w 1 1 1 eh o l d e da r e a b y u l t r a f i l t r a t i o ni ss m a l l t h et i m e o f r e c l a i m i n g i n v e s t m e n ti ss h o r t 2 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ep a n p pa n dp su fm e m b r a n e j n d i c a t et h a t 洲u fm e m b r a n ei st h eb e s tf i l t r a t e dm a t e r i a l n 硷f l u x o fi ti sh i g h e s ta n dt h eq u a l i t yo fe m u e n ti sp r e f e r a b l y 3 t t l es t u d yo ft h r e ew a s hc o n d i t i o n si nr e v e r s ep r o v e st h a tc o u n t e r w a s h i n g 2 5m i n u t e sa f t e rh a l fa nh o u r u l t r a f i l t r a t i n gi st h eb e s tm e a n s 1 1 圮r e m o v a lo fe v e r yi n d e xi st h eb e s t , t h ed e c l i n eo ff l u xi ss l o w n e s s t h en e t p r o d u c t o fw a t e ri s h i g h a n dt h em e m b r a n e f o u l i n g i s e f f e c t i v e l ye r a s e di nt h i sc o n d i t i o n 4 糊u fm e m b r a n eh a dag o o dr e s u l td u r i n g l o n g t i m ee x p e r i m e n ta n d t h ef l u xr e c o v e r e dc o m p l e t e l ya f t e rt h ec h e m i c a lc l e a n i n g p ho ft h e c h e m i c a lc l e a n i n gl i q u i dw a sa a j u s t e dt o l l 一1 3u s i n g2 n a o h 5 n 地c o n t e n to fl a sd e c i d e dt h ei n d e xo fc o d a n du v 2 5 4i nac e r t m n e x t e n tf r o ma n a l y z i n gt h e r e l a t i v i t y o fl a s ，c o da n du v 2 hi n l a u n d r yw a s t e w a t e r 6 t h et o t a lb a c t e r i ao fw a s h i n gw a s t e w a t e ri nf u l l - s c a l ee x p e r i m e n ti s i n c a l c u l a b i l i t ye v e ni fi ti sd i l u t e dt o 1 0 1 t h ec o l i f o r mo fi ti s1 2 0 0 m p n i o o m l a f t e rp f nu fm e m b r a n et h et o t a lb a c t e r i ai sr e d u c e dt o2 北京交通火学硕十掌俯论文 1 0 6c f u m la n dt h ec o l i f o r mi sr e d u c e dt o6 4 0m p n i o o m l b y d i s i n f e c tt of i l t r a t i o ne f f l u e n tw i t hu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，t h et o t a l b a c t e r i ai s8 9c f u m la n dt h ec o l i f o r mo fe f f l u e n ti sl o wo re q u a lt o3 m p n 1 0 0 m 1 t h i se f f l u e n tr e a c h e st h es t a n d a r do fd r i n k i n gw a t e r k e y w o r d ：w a s h i n gw a s t e w a t e r , c o a g u l a t i o n 。u l 廿a n l 廿a t i o n ，m e m b r a n e f o u l i n g ，d i s i n f e c t i o n m 托京交通大学硕眚j 学位论文 第1 章国内外研究现状 目前铁路水污染治理的重点是客运洗涤污水治理，这主要是因为 沈涤污水中表面活性剂( l a $ ) 的去除有一定的难度，近几年建成的 一些处理设施运行状况和处理效果都不理想。困扰表面活性剂( l a s ) 处理的主要因素是设施建设的一次性投资大和污水处理运行费用高 “3 。比较可靠的处理工艺应采用沉淀气浮一生物氧化或过滤吸附。 而目前己建成的洗涤污水处理设施，多数只有沉淀一气浮二级，这样 建设投资和运行费用都可以接受，但处理效果不稳定，排放污水不能 保证稳定达标。 铁路客运列车上所使用的备品( 备品包括车厢的卧具、台布等) 的洗涤产生了大量的洗涤污水，这类沈涤污水属于灰水( g r e y w a t e r ) ， 其污染物主要成分是油脂( f a t s ，o i l sa n dg r e a s e s ，简称f o g ) 、悬 浮固体( t o t a ls u s p e n d e ds o l i d s ，简称t s s ) 和表面活性剂( l a s ) 。1 。洗涤作业程序一般为预洗一洗涤一三次漂洗，不同洗涤程序排放 污水水质差别较大，其中预洗和洗涤阶段污染较为严重“3 。如果不分 水质全部处理对气浮去除l a s 产生不利的影响。如果将洗涤污水加以 循环利用，一方面可以提高高浓度的 a s 在气浮设备中的去除率，另 一方面也可以大幅度减少污水排放总量，有利于污水的深化处理“1 ， 这将降低污水处理设施建设一次性投资和运行费用，因此研究如何对 洗涤污水进行循环利用、减少污水处理量、降低污水处理成本，对于 搞好铁路的环境保护工作具有重要意义。 本课题为铁道部项目“铁路洗涤污水循环利用的研究” ( 2 0 0 3 2 0 0 5 ) 中处理工艺部分的研究。 1 1 国内洗衣房现状 随着经济的快速发展，水资源相对贫乏和水污染同益严重对我国 经济发展的制约作用越来越突出。水的经济价值逐年提高。为实现经 济的可持续发展，国家一方面倡导节水，一方面用价格杠杆调控水资 源的利用。水价不断提高，水排污费征收力度逐年加大，企业生产成本 第1 章国肉外研究现状 中水费和水排污费的数量在逐年增大，而目盼国内对工业洗衣房的洗 涤污水只考虑了中水回用，如宾馆里将洗涤污水处理后用于绿地灌 溉、人工湖补充水等，几乎还没有考虑对洗涤污水进行循环利用。 铁路上各站洗衣房的洗衣量和用水量都较高，其中部分洗衣房的 情况如表卜1 所示： 表1 - 1 路内部分洗衣房概况 日洗衣 编 路局地点 数量 日i 【 = l 水 洗农粉j = ；|酮用水污水处理 号( k g 干 量 衣物d ) ( m 3 d ) 量( k g d ) 情况下艺 哈尔牡丹生物过滤+ l9 0 0 01 4 05 0同蹦 滨 江高效净水机 齐齐 26 0 0 03 0 07 5 哈尔 海拉 32 0 01 0 0 尔 佳术 46 3 0 01 0 06 0 斯 哈尔3 0 0 ( 洗衣 51 2 0 0 04 0 0 滨膏) 1 0 0 ( 洗衣 6绥化l 1 0 0 6 0 膏) 加格 75 2 01 0 53 5 达奇 呼和呼和 8 6 9 0 01 1 52 5 浩特浩特 9包头6 8 0 03 2 21 4 6 ；6 0 0 套气浮+ 过滤+ 1 0 柳州柳州 2 1 79 8 d吸附 2 0 6 0 0 气浮+ 生物 l l南。r4 5 02 0 0回用接触氧化+ 套d 过滤+ 吸附 岛鲁库尔 1 7 4 8 0 1 2 1 4 06 0 木齐勒件d 乌鲁 2 3 0 0 0 1 32 5 0 术齐f ：d 成都 1 4成都2 7 0 02 2 52 5 0 局 北京交通大学硕士学位论文 上海 调+ 玑犍+ 1 5 上海1 5 0 0 03 0 02 0 0生物接触氧 局 化 沈h j 5 0 0 0 0 生物接触氧 1 6 沈阳9 0 02 0 7同用化+ 气浮+ 过 岗张：d 滤 南吕1 0 0 0 0 1 7 鹰潭 5 0 蝎件d 5 3 0 0 仆调柑沉淀+ 1 8 九江 3 0 d生化反席 4 - 5 万沉淀+ 气浮+ 1 9南吕2 5 0 件d过滤 1 0 0 9 0 5 0 k g 洗衣 2 0 昆明昆明粉+ 9 0 条 件d 春城皂 沉淀隔油十 2 1济南济南7 0 0 01 2 01 2 0 气浮+ 过滤 2 27 3 - 1 2 k g 洗衣 格栅+ 气浮+ 2 2兰州两宁1 1 6粉+ 4 0 k 洗同用 怿d过滤 农膏 注：1 缺郑州局、_ r 州局、北京局资料； 2 表中所列的洗农房为不完全统计，如兰州局就有4 个洗衣房而表中仅 列一个。 3 洗农粉晶种未列入表中。 表中可见： 1 各洗衣房洗衣物数量差距较大，较多的上海洗衣房洗衣数量为 1 5 0 0 0 k g d ，较少的加格达奇仅5 2 0 k g d ；日用水量差距也较大，沈阳 用水9 0 0 m 3 d ，绥化仅6 0m 3 d ；洗农粉用量也不一样，品种繁杂。 另外，各洗衣房在沈衣时都加了消毒剂( 表中未列出) ，一般采用的 消毒剂有8 4 消毒液，也有采用双氧水等氧化剂的。 2 洗衣房虽然数量众多，但有污水处理设施的较少，表中所列出 的2 2 个工点中有污水处理场韵仅有9 处；污水处理工艺流程各不相 同，采用以气浮为主的物化方法处理的有四处，占表中所列的工点总 数韵4 4 4 ；采用以生物接触氧化为主的生物方法处理的有2 处，占 表中所列的2 2 2 ；其余采用物化和生化结合的方法，一般多为气浮+ ，羔物接触氧化工艺。这些处理场都是将所有洗涤污水进行处理，未考 第1 章国内外研究现状 虑对洗涤污水进行分质处理。 3 在统计的2 2 个污水工点中，仪有4 个工点考虑了回用水，占 全部工点数的1 8 2 ，并且它们也只考虑将洗涤污水回用于铁路客车 外皮的洗刷、铁路办公楼和单身宿舍的厕所冲洗、绿化等，而不是将 洗涤污水循环利用回洗涤作业程序。 综上所述，目前客运段洗涤污水有的车站回用下车辆段的车辆洗 刷，采用的处理工艺相对简单“3 ，但因为要去除水中的阴离子表而活 性剂( l a s ) ，所以一般采用以气浮工艺为主的处理后进行回用。铁路 上的各车站几乎没有将客运洗涤污水进行循环利用，如果能够对客运 洗涤污水进行分质循环，只将漂洗水进行循环利用，则回用水中的l a s 含量将较低，因此处理工艺会相对简单，并且循环利用率较高，因此， 进行洗涤污水循环利用的试验研究具有很大的环境保护意义。 1 2 国内外研究进展 近年来国外对工业洗衣房洗涤污水的循环利用研究较为普遍，己 经有了专利和循环利用系统的产品。其中典型的洗涤污水循环利用方 案如图卜1 所示“1 ： 图1 - 1 典型洗衣房的洗涤污水循环利用流程图 该系统将洗涤所有工序产生的污水都收集在灰水贮存池中，经过 处理后循环回循环利用水贮存池，然后与新鲜水按一定比例混合进入 下一次洗涤程序。这种系统的循环利用率较高，大大减少了洗衣房新 鲜水的消耗量。对于一个年处理水量为2 0 0 0 万镑( 9 0 8 0 m 3 ) ，每天运行 1 4 个小时，洗衣设备一般需要l o o g p m ( 3 7 8 5 l m i n ) 水的洗衣厂， 它的水量分配情况如图卜2 所示”1 ： 4 第l 章国内外研究现状 处理后鹱水l o - 2 0 9 0 p m 图卜2 洗涤污水循环利用的水量分配图 图卜2 表示该洗衣厂的整个水量平衡，对全部洗涤污水收集经灰 水处理系统后循环利用，自来水的需求量从1 3 0 9 p m 降到3 0 9 p m ，循环 利用率为7 0 8 0 9 6 。下面以实例说明该类灰水处理系统的具体工艺。 美国华盛顿西雅图医院服务中心的大型洗衣房在1 9 9 8 年7 月安 装了v s e p ( v i b r a t o r ys h e a re n h a n c e dp r o c e s s i n g ，震动剪切强化 系统) 洗涤污水处理系统，v s e p 系统采用超滤膜模块，与仅仅通过高 的切向流速束减少污染相比，它是通过震动产生讵弦曲线的剪切波经 过膜表面，增加膜表面的剪切力来减少污染，消除了边界层，增加了 过滤通量。因此，v s e p 系统能够截留多种污染物而减少传统膜系统的 污染问题。v s e p 系统首先将洗涤污水从洗衣房流到污水坑，然后用水 泵抽到洗衣房的二层，经过震动筛去除绷带等杂物，流入贮水池。然 后通过水泵加压进入超滤系统，超滤膜后出水到循环利用水贮存池。 通过v s e p 系统处理后油脂和总悬浮物从3 3 p p m 和ll o p p m 降到了几乎 监测不到的水平。该系统不仅能滤掉悬浮物，还可以大大降低出水的 b o d 、c o d 和色度，并且有效缓解了传统膜系统的自身污染问题”1 。 加拿大的h y d r o x y ls y s t e m s 公司研究的c l e a n s e a ol a u n d r y w a t e rr e - u s e 系统对轮船上洗涤废水回用进行处理，大大节省了轮船 上淡水的储存量，其洗衣房洗涤污水循环利用系统的处理方法如图 卜3 所示。1 ： l 蕊卜匝卜图至睁臀l 广1l 循环利i 图1 - 3 轮船上洗衣房洗涤污水处理工艺流程图 第1 章国内外研究现状 该流程是将洗涤灰水收集到灰水贮存池后，首先经过气浮，利用 溶气罐将压缩空气输入原水中，压力释放后产生大量气泡，这些气泡 粘附油脂、l a s 等后浮到水面将其刮除；然后进行混凝沉淀去除悬浮 物：最后进行氧化和消毒，氧化采用高级氧化光催化氧化技术， 进一步降解水中有机物；消毒采用电解装置产生的臭氧和中压紫外灯 产生的紫外光来实现。氧化消毒后将水收集到洗涤循环利用水贮存 池，同样与新鲜水混合后作为洗涤系统的水源。 德国达姆旌塔特市的k l i n g e l m e y e r 公司开发的l i w a t e c 项目， 研究了对洗衣房洗涤废水的处理回用，其洗涤污水循环利用系统的处 理方法如图卜4 所示”： 图1 - 4 普通洗衣房洗涤污水处理工艺流程图 该方法是将洗涤灰水收集到灰水贮存池后，首先通过震动筛，将 水中大于1 0 0 微米的固体颗粒去除，如小细绳、一般的洗衣碎片等， 并且当筛予旋转时这些碎片类杂质被脱水收集起来进行下一步的污 泥处理 经过震动筛的洗涤灰永通过重力作用流到平衡池，然后通过 带自动清洗装鬣的管式超滤膜系统，截留水中细小杂质；最后利用臭 氧进行消毒。 在国外洗涤灰水的处理中，循环系统多是考虑将全部的洗涤灰水 都收集起来进行处理，并不影响现有洗衣机的内部洗涤程序，洗衣机 的排水口不需要改变，循环利用率较高，可达7 0 一8 0 9 6 左右，大大节 约了城市用水，但是从以上几种循环利用系统的洗涤灰水处理方法可 以看出，其处理程序较为复杂，有的利用专乖j 产品( v s e p 系统) ，有 的利用先进技术( 光催化氧化) ，一次性投资及运行费用较高，如果 能够找到既节约用水，又可以简化处理程序的循环利用方案就可以相 对缓解工艺成本与循环利用率之间的矛盾。针对目前我国的国情，为 了较好地协调处理工艺成本与循环利用率之间的矛盾，有必要进行简 化处理工艺的不同循环利用方案的深入研究。 6 北京交通大学硕士学位论文 本试验针对国内洗衣房洗涤污水现状，结合近年国外洗衣房洗涤 污水的循环利用研究成果，提出了三种铁路洗涤污水的循环利用方 案，通过小试试验研究混凝和过滤两种处理方法对洗涤污水循环利用 的处理效果，从中选择较优处理工艺，再进行中试试验，进一步确定 处理工艺的较优工作参数及工程实践的可行性。 第2 章研究调研结果 第2 章研究调研结果 在试验初期，对混凝工艺、过滤工艺和消毒工艺进行市场调研 根据调研结果选择试验的混凝剂、过滤材质及消毒方法。 2 1 混凝处理工艺 2 1 1 混凝机理 混凝就是向水体投加混凝剂，破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的 稳定分散系，使其聚集为具有明显示沉降性能的絮凝体，然后用重力 沉降法使之分离。这个过程包括凝聚和絮凝两个步骤，其中凝聚是指 使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，丽絮凝则指微絮粒通过吸附、卷 带和桥连而成长为更大的过程。不同混凝剂使胶体以不同的方式脱 稳，可归结为以下四种： 1 压缩双电层：在水处理中使胶体凝聚的主要方法是向水中投加 电解质，当投入电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子 浓度增加了。这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附 层，使胶粒事电荷数减少，降低电位，并使扩散层厚度缩小，这种 作用称为压缩双电层。 2 吸附电中和作用：吸附电中和作用是指胶粒表面对导异号离 子、异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由 二f 这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，减少了静电斥力，因而 容易与其它颗粒接近而互相吸附。 3 吸附架桥作用：如果投加的化学药剂是具有熊吸附胶粒的链状 高分子聚合物，或者两个同号胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间 就能连结、团聚成絮凝体而被除去，这就是吸附架桥作用。 4 网捕作用：向水中投加含金属离子的化学药剂后，由于会属离 子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物：或者在 这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下 8 托京交通大学硕士学位论文 来，这称为网捕作用。 2 1 2 影响混凝效果的因素 影响混凝剂作用效果的因素有以下四点“： 1 原水悬浮物含量、粒径组成、胶体颗粒性质、溶解物成分及含 量等都直接影响混凝效果 2 原水p h 值和碱度直接影响到混凝剂的水解和缩聚反应，其反 应机理和凝聚机理也不相同 3 水温对混凝效果的影响亦很明显 4 搅拌时间、搅拌速度及混凝剂本身的性质、结构特点、分子量 大小和用量大小对混凝效果也有影响 2 1 3 混凝剂的调研结果 针对市场销售混凝剂进行调研表明，目前硫酸铝( a 1 。( s o 。) 。) 、三 氯化铁( f e c l ，) 和碱式氯化铝( p a c ) 三种仍为主要产品，但由于生 产工艺改进，其性能均有较大提高，其中p a c 已进入第三代纳米级的 研究，但市售产品以二代为主。它们的特点如下所示： 2 1 3 1 精制硫酸铝：h l 。( s o ；) ；1 8 h z o 1 制造工艺复杂，水解作用缓慢。 2 含无水硫酸铝5 0 5 2 。 3 当p h = 4 7 时，主要去除水中有机物 当p t t = 5 7 7 8 时，主要去除水中悬浮物 当p h = 6 4 7 8 时，处理浊度高，色度低( 小于3 0 度) 的水 2 1 3 2 三氯化铁：f e e l 。6 h 力 1 盒属( 尤其对铁器) 腐蚀性大，对湿凝土亦腐蚀，对塑料管也 会因发热而引起变形。 2 不受温度影响，矾花结得大，沉淀速度快，效果较好。 3 易溶解，易结合，渣滓少。 4 原水p t t = 6 o 8 4 之间为宜，当原水碱度不足时，应加一定量 的石灰。 9 第2 章研究调研结果 5 处理高浊度水时，三氯化铁用量般比明矾少。 6 处理低浊度水时，效果不显著。 2 1 3 3 碱式氯化铝： a l 。( 0 h ) - c l 。 ( 通式) ，简写p a c 1 净化效率高，耗药量少，出水浊度低，色度小，过滤性能好， 原水高浊度时尤为显著 2 温度适应性高；p h 适用范围宽( p h = 5 9 的范围内) ，因而不 投加加碱剂。 3 使用时操作方便，腐蚀性小，劳动条件好。 4 设备简单，操作方便，成本较三氯化铁低。 2 。2 过滤处理工艺 过滤是利用过滤材料分离废水中杂质的一种技术，根据过滤精度 的不同，可以分为糨滤、精密过滤和超滤。本试验主要是考虑将洗涤 污水进行循环利用，因此主要采用精密过滤和低压膜超滤的作用机 理。 2 2 1 精密过滤理论 精密过滤常用滤芯为熔喷滤芯和线绕滤芯，截流孔径为1hm 1 0 0 i j 1 1 1 ，作用机理主要是阻力截留，阻力截留是指当原水流过过滤介 质时，粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层过滤介质的空隙中，从 而使此层过滤介质的空隙越来越小，并随之向深层过渡，过滤阻力逐 渐增大1 。 2 2 2 超滤理论 超滤又称为超过滤，用于去除废水中大分子物质和微粒，超滤之 所以能够截留大分子物质和微粒，其机理是：胰表面孔径机械筛分作 用，膜孔阻塞、阻滞作用和膜表面及膜孔对杂质的吸附作用“。而一 般认为主要是筛分作用。其过滤过程可认为是通过多层阻力的传质现 象，这摄所说的阻力包括膜阻力、凝胶层阻力、浓度极化层阻力，从 j # 京交通大学硕 学位论文 流体动力学观点来看，膜过滤是由一种或多种阻力制约着的传质过 程。由于它的分离机理主要是借机械筛分作用，膜的化学性质对膜的 分离特性影响不大，因此可用微孔模型表示超滤的传质过程“”i 。 2 2 2 1 超滤的操作方式 超滤过程一般是横向流过滤( c r o s s f l o w ) ，即进料流体部分垂 直流过膜，成为渗透液，另一部分与膜平行而溢流，称为浓缩液。这 种方式起到了控制膜上覆盖层生成的作用。由于有了溢流，在膜的表 面就会产生剪切力和浮力，并可以使己沉积的微粒由覆盖层返回到体 相流体，这种作用的强弱程度取决于物料体系的状况。当原水的平均 浊度小于2 n t u 和总有机炭( t o c ) 低于2 m g h 时，也可以采用死端式 过滤( d e a d f l o w ) “”。在本试验中，因为原水是铁路洗涤污水，平 均浊度大于2 n t u ，故采用横向流过滤。 2 2 2 2 超滤的分离机理 超滤的分离机理通常可以描述为与膜孔径大小相关的筛分过程 “”，以膜两侧的压力为驱动力，以超滤膜为过滤截止，在一定压力作 用下，当水流过膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜， 而阻止水中的悬浮物、胶体和微生物等大分子物质通过。这种筛分作 用通常造成污染物在膜表面的截留和膜孔中的堵塞，岁过滤对蚓增 加，逐渐形成超滤动态膜。而形成的超滤动态膜也能对水中污染物进 行筛分。 虽然物理筛分是超滤的重要分离机理，但其它作用也不能忽略。 水中污染物的特性和聚合物膜的化学性质也对膜分离产生很大的影 响“7 。1 “。水中污染物对膜表面和膜孔的吸附是超滤分离的另一机理。 c o m b e 等人“”对c a 膜去除腐植酸的研究表明，腐檀酸在膜孔饿膜表面 均有吸附作用，从而造成比膜孔小的分子也有可能被膜分离。 m a r s h a l l 等人也强调了蛋白质对超滤和微滤膜的吸附性。 2 2 2 3 超滤的阻截机理 超滤过程由于浓度极化的原因，在静压差的作用下，原料中溶剂 从高压侧透过膜到低压侧，而大粒子被膜所阻拦，使它们在滤剩液中 浓度增大。 当考虑筛分作用时，f e r r y 。“作了5 点假设，并把某瞬间透过液 中溶质浓度c a 和此时原液中浓度c 。之比定为筛分常数巾，得出了一个 第2 章研究谪研结果 中与溶质粒径和孔径之比o 。的近似关系式中= c 。c ；- - 2 ( 卜a 。) 乙( 卜a 。) 1 。 除了筛分作用，溶质的分散惶、膜孔径分布和范德华力等也会对 超滤膜截流产生不同影响”。 2 2 2 4 影响超滤过程的因素 超滤在操作压力为0 1 o 6 m p a ，温度为6 0 以下时，其透过通 量理论上应在1 0 0 5 0 0 l ( m 2 h ) 的范围内，但实际超滤过程中透 过通量一般仅为1 i o o l ( m 2 h ) 。影响超滤通量的因素主要有料液 流速、操作压力、回收率、温度、操作时间、进料浓度、料液的预处 理。 2 2 2 5 超滤膜的污染 在膜过滤过程中，膜污染和浓差极化是影响渗透通量的两个因素。 膜污染是指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗透流 率下降的现象。包括膜的孔道被大分予溶质堵塞引起膜过滤阻力增 加；溶质在孔内壁吸附；膜面形成凝胶层增加传质阻力”。“。浓差极 化则是由于膜表蕊和膜孑l 内的选择透过性造成的膜面浓度高于处理 液浓度的现象。这两者概念不同，但密切相关，常常同时发生，许多 场合下正是浓差极化导致了膜污染。通常认为浓差极化是可逆的，两 膜污染是不可逆的1 。 从污染物的总类来分，膜污染可分为沉淀污染、吸附污染和生物 污染3 ： 1 沉淀污染，是指原水中氢氧化物和碳酸盐等盐分浓度超过了其 溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。对于超滤来说，因其对金属离 子没有截留作用，所以沉淀污染很少发生。 2 吸附污染，有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因 素。随着时问的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少 和膜阻增大，这是难以恢复的。腐植酸和其他天然有机物( n o l o ) 即 使在较低浓度下，对渗透率的影响也大大超过了粘土或其它有机胶 粒。 3 生物污染，是指微生物在膜一水界面上累积，从而影响系统性 能的现象汹1 。膜的生物污染分为两个阶段：粘附和生长。在溶液中没 有投入杀虫剂或投量不足时，粘附细胞会在进水营养物质的供养下生 托京交通大学硕十学位论文 长繁殖，形成生物膜。 2 2 2 6 超滤膜的清洗 在超滤过程中必须对膜进行定期清洗，以保持一定的膜透过量， 延长膜的使用寿命。常用的清洗方法分为物理清洗和化学清洗两类。 1 物理清洗：即水力清洗。内压式中空纤维膜可用图2 1 所示的 两种方式进行清洗。 _ jl 一 ，一i ，一i 册t 一 正常过滤正向( 等压) 冲洗反向( 压差) 冲洗 图2 - 1内压式中空纤维超滤膜的运行清洗示意图 ( 1 ) 正向( 等压) 清洗：关闭渗透液出口，料液在中空纤维内高 速流动，冲洗膜面沉积的污物。 ( 2 ) 反向( 压差) 冲洗：关闭料液进口，清洗液( 一般是滤后水) 反向从渗透液一侧进水，从浓缩液一侧出水。利用压差将膜孔或膜内 壁的污物冲洗掉。反冲洗的压力应在膜允许范围内，不宜过高，以免 引起膜破裂。 对于中空纤维膜组件还可以使用负压清洗法，即用抽吸的方法使 膜的功能面处于负压状态，从而去除污染物，使膜的性能得以恢复。 其优点为膜内外侧的压力差最大为一个大气压，膜不易损坏”1 。其次， 还可以气一液脉冲，向膜装置通入空气或氮气，气体脉冲使膜上的孔 道膨胀，从而使污染物能被液体冲走。此外，还有电场过滤、脉冲电 解冲洗等方法。 2 化学方法：当膜污染比较严重，采用物理方法不能使通量恢复 时，必须使用化学清洗剂清洗。超滤器化学清洗所采用的清洗剂种类， 第2 章研究调研结采 一般与反渗透器所用相同。但是，在具体选择的时候，应根据污染的 类型和程度、膜的物理和化学性能来选择和确定清洗剂。许多化学试 剂对去除污垢和其它沉积物是有效的。化学清洗实质上涉及到所使用 的化学药剂和沉积物、污垢、腐蚀产物及影响通量速率和产水水质的 其它污染物的反应。这些化学试剂有：酸、碱和螫合剂等。在具体选 择的时候，应根据膜的性质和处理料液的性质来定。下面是几种常用 的清洗剂”： ( 1 ) 酸碱液：酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和 金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化 物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。为了能去除湿润油、润 滑脂、污秽物和生物物质，通常加入表面活性剂增加碱清洗剂的脱垢 性。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时，交替使用碱清洗 剂和酸清洗剂。 ( 2 ) 螯合剂：除了强酸和碱外，螫合剂也用于去除污染膜的沉积 物。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸( e d t a ) 、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和 柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螫合铁离子( f e ”) 通常是有 效的。e d t a 常用于溶解碱土金属硫酸赫。 ( 3 ) 氧化剂；当n a o h 或表蔼活性剂不起作用时，可以用氯进行 清洗，最适p h 为1 0 1 1 。 ( 4 ) 酶：由醋酸纤维等材料制成的膜，出于不耐高温，在膜通量 难以恢复时，须采用能水解蛋自质的含酶滴洗剂清洗。但使用酶清洗 帮不当会造成新的污染，采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用 含载体液进行清洗，效果很好。 ( 5 ) 化学清洗液：常用的化学清洗液有以下几种。1 加酶洗涤 剂水溶液；3 0 h 2 0 ，0 5 l + 去离子水1 2 l ；柠檬酸2 + t r i t o n x 一1 0 0 0 1 + r o 水9 7 9 ，氨水调节p h 至3 ：柠檬酸2 + 3 9 e d t a 铺2 + r 0 水9 6 ，氨水调节p h 至4 ：三聚磷酸钠2 + t r i t o n t 一1 0 0 0 1 + 3 9 e d t a 钠2 + r 0 水9 5 9 ，硫酸调节p h 至7 5 ；盐酸或柠檬酸调节r 0 水 至p h = 4 高浓度盐水；含酶清洗剂；次氯酸钠溶液5 l o m g l ， 用硫酸调节p h 至5 6 ( 芳香聚酰胺膜则用1 甲醛液) ；1 2 h 2 0 。 溶液。其中清洗液、用于去除有机物污染，、用于 去除无机物污染，、用于去除浓厚胶体，、用于去除细菌、 1 4 北京交通人学硕士学位论文 微生物。 2 2 3 过滤调研结果 针对市场销售过滤产品进行调研表明：主要产品有滤芯，如熔喷 滤芯、线绕滤芯，以及中空纤维膜，如聚丙烯中空纤维膜、聚丙烯腈 中空纤维膜、聚砜中空纤维膜。其中熔喷滤芯和绕线滤芯的价格最为 低廉，以中空纤维膜的处理水质效果最好、寿命最长。 2 2 3 1 熔喷滤芯( m e l ts p i n n i n gc a r t r i d g e ) 材质和结构：聚丙烯材料经熔融、喷丝、缠绕而成。 过滤精度：0 5 1 0 0 um ( 公称精度) 。 特征：1 低成本： 2 深层过滤，通量大； 3 耐弱酸、弱碱以及大多数有机溶剂和无机溶剂，耐霉烂。 使用条件： 工作温度： 8 0 ； 工作压差：2 5 ，最佳工作压差0 2 2 m p a ； 最大压差：0 2 6 m p a ( 温度升高，则耐最大压差相对降低) 。 2 2 3 2 蜂房( 线绕) 式滤芯( w i r ew o u n dc a r t r i d g e ) 材质及结构：纺织纤维纱缠绕而成，多孔骨架。 过滤精度：0 5 1 0 0 m ( 公称精度) 。 特征：1 低成本； 2 深层过滤，通量大； 3 可根据过滤介质的不同选择不同材质的滤层材料。 使用条件 工作温度：6 0 ； 工作压差：o 2 m p a ，耐压型0 5 m p a 。 2 2 3 3 聚丙烯中空纤维膜( p p ) 1 膜材料为聚丙烯，抗冲击及耐磨性能好。 2 采用中空纤维型膜结构，单位体积膜产品的有效膜面积大，过 滤分离效率高。 3 膜分离孔径为0 1 0 3 微米，孔隙率5 0 5 5 ，截留分子量9 第2 章研究调研结聚 万，可实现精密无菌过滤。 4 外形尺寸为中9 0 1 1 7 0 ，截留分子量为5 0 0 0 0 d a 的膜的表面积 一般约为1 0 平方米。 2 2 3 4 聚丙烯腈中空纤维膜( p a n ) 技术特点： 具有优良的耐光性、耐气候性和耐霉性、耐污染性、耐溶剂、耐 油脂性，以及良好的化学稳定性和热稳定性，同时也具有一定的耐强 酸、强碱性。外形尺寸为中9 0 x1 1 7 0 。截留分子量为5 0 0 0 0 d a 的膜的 表面积一般约为5 平方米。 应用： 因其表面光滑性好，除了一般超滤膜的应用范围外，尤其适用于 医药工业废水、生活污水及其它环保领域的应用。 2 2 3 5 聚砜中空纤维膜( p s ) 它是一种先进的分离过滤膜，具有使用方便、能耗低、效率高、 无楣变、无二次污染等优点，能有效地去除水和溶液中的微粒、细菌、 胶体、微生物、高分子物质和热源等，同时具有良好的耐温、耐酸碱 和耐氧化性能。过滤精度可达0 0 0 1 o 1um ，外形尺寸为中9 0 1 1 7 0 ，截馨分子量为5 0 0 0 0 0 a 的膜豹表面积一般约为5 平方米。 2 3 消毒处理工艺 2 3 1 消毒机理 污水消毒的主要方法是向污水投加消毒剂，通常消毒方法可分为 物理法和化学法。物理法包括加热、紫外线、y 或x 射线照射、分子 筛等：化学法主要采用强氧化剂如氯气、二氧化氯、臭氧、高锰酸钾、 氯胺、次氯酸等化学药剂。 2 3 2 消毒调研结果 针对市场调查发现，目前用于污水消毒的消毒剂主要有液氯、臭 北京交通大学硕士学位论文 氧、次氯酸钠、二氧化氯、紫外线五种，其各自的优缺点及比较如下 所示。 2 3 2 1 液氯 优点： 具有余氯的持续消毒作用，效果可靠，投配设备简单，投量准确， 价格便宜。 缺点： 原水有机物高时会产生有机氯化物( t h i n s ) ，具致癌、致畸毒害作 用：处理水有氯或氯酚味；氯气有毒，腐蚀性强；运行、管理有。定 的危险性。 消毒效果： 能有效杀菌。但杀灭病毒的效果相当差。 2 3 2 2 臭氧 优点： 有强氧化能力，接触时间短；能除酚，无氯酚味；不产生有毒氯 化物；消毒效率高并能有效地降鼹污水中残篷有机物、色、味等，污 水p h 值与温度对消毒效果影响很小，不产生难处理的或生物积累性 残余物。 缺点： 臭氧具毒性，不稳定，在水中易分解；易泄漏：操作要求高，设 备复杂；制取臭氧的产率低；电能消耗大；基建投资较大；运行成本 高。 消毒效果： 杀菌和杀灭病毒的效果均很好。 2 3 2 3 次氯酸钠 优点： 用海水或浓盐水作为原料，产生次氯酸钠，可以在污水厂现场产 生并直接投配，使用方便，投量容易控制。 缺点： 需要有次氯酸钠发生器与投配设备。 消毒效果： 较c l 。杀菌效果好。 1 7 第2 章研究调研结果 2 3 2 4 二氧化氯 优点： 二氧化氯c i o 。具有强烈的氧化作用，不会生成有机氯化物( t h m s ) ； 除臭、氧化、漂白和脱色；投放简单、方便；副产物较少；= t i ：受p h 影响。 缺点： c i o ：是不稳定的化合物，对温度、压力和光较敏感，遇火花和有 机物，易爆炸：不利于大批量制取和运输，只能就地生产，就地使用； 制取设备复杂；操作管理要求高。 消毒效果： 较c l 。杀菌效果好。 2 3 2 5 紫外线 优点： 紫外线不需投加任何化学药品：在水中不生成有害的残余物质； 无臭昧；操作安全、简单，易实现自动化：运行、管理、劳务和维修 费用低。 缺点： 电耗大；紫外灯管与石英套管需定期更换；对处理水的水质要求 较高；无后续杀菌作用。 消毒效果： 消毒效果好；快速简便。 在以上消毒方法中，用二氧化氯、臭氧或氯之类的化学杀菌法， 都有化学残留物，甚至还会产生副作用，危害人体健康，如三卤甲烷 ( t t f m s ) 。而使用紫外线进行消毒，不会有消毒药物的残存和产生有机 氯化物等衍生物而引起对水生环境的破坏，实现了安全、卫生程度较 高的、更贴近大自然的消毒方式；其操作管理电更安全方便。 2 3 3 紫外线与液氯消毒方法的比较 2 3 3 1 投资 投资紫外线设施的一次投资主要有紫外线消毒渠紫外线灯架、紫 外线灯管、清洗装置、配电装置和控制设备。而液氯消毒系统包括加 1 8 北京交通人学硕士学位论文 氯问、加氯接触滟氯库，设备有自动加氯机、氯瓶、电予磅秤、自动 切换装置、真空调节器、漏氯检测报警仪、液氯蒸发器、中和装置、 通风设备、配电装置和控制设备等。液氯消毒系统的土建和设备均多 于紫外线消毒设施。图2 2 是根据国外统计数据得出的采用液氯消毒 和紫外线消毒的投资费用比较。 1 0 ( 3 0 9 0 0 8 0 0 ，、7 0 0 r 州6 0 0 k 。5 0 0 娃( 魁4 0 0 h3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 1uz0 5lzb1 02 0 5 01 0 0 2 0 0 高峰流量( 刀- m 3 d ) 图2 2 液氯消毒和紫外线消毒的投资费用比较 从图2 2 可知，当处理水量在l o 万m3 d 以下时，紫外线消毒设