（市政工程专业论文）浸没式膜组合工艺在饮用水处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本课题采用混凝一生物活性炭( b a c ) - - 超滤组合工艺对微污染原水进行处 理效果及影响因素的研究。通过实验探讨组合工艺的运行条件、处理效果、超 滤膜污染和控制以及系统中生物作用情况。 通过分析该组合工艺对u v 2 5 4 和氨氮的去除效果，确定系统周期换炭量为 0 6 9 。 通过试验比较在有、无生物作用情况下系统对原水的处理效果。试验表明 有生物作用时出水浊度较低；生物作用对u v 2 5 4 的去除效果影响不大；生物作用 对氨氮去除效果改善明显，生物膜成熟时系统对氨氮去除率稳定在6 0 以上， 出水氨氮值小于0 5 m g l 。结论说明生物作用存在的必要性。 通过连续试验探讨组合工艺在周期内对微污染水源水处理效果。试验表明， 当原水迸水水质为：浊度7 2 6 8n t u ，u v 2 5 4 0 1 0 8 0 2 0 9c m ，氨氮0 4 1 4 45 m g l 时，系统出水浊度低于0 2 n t u ，出水u v 2 5 4 低于0 1c m 一，b a c 培养成功 后出水氨氮低于0 5 m g l ，去除率可达8 5 ，系统对进水具有一定的抗冲击负荷 能力。 愫诗组合工艺中三氮的转化过程，分析系统中生物种群生长变化。试验表 明氨氮去除率经历快速上升阶段和平稳上升阶段，亚硝酸盐去除率先下降并呈 负值再上升稳定，硝酸盐去除率缓慢下降。 通过改变组合工艺中运行参数，探讨各参数对系统处理效果的影响，分析 超滤膜过滤特性变化。得出结论：温度变化对氨氮去除效果影响较大，2 9 3 1 1 温度段更适合于前期挂膜；随着曝气量增大，组合工艺对浊度、c o d m n 的去除率稍有减小，u v 2 5 4 去除率稍有增大，氨氮去除率经历短时间内减少后恢 复并缓慢增加的过程；混凝剂量改变对浊度和氨氮的去除效果影响不大，但在 混凝剂量减为o 时，出水u v 2 5 4 值稍有上升，出水c o d m 。明显增大，且会造成 膜表面不可清洗的污染。在挂膜成功后增大系统曝气量能减缓膜污染速度；采 用气水反冲洗对膜过滤性能恢复作用明显，效果稳定。 探讨组合工艺中超滤膜性能变化，分析膜污染，试验表明系统运行6 ，j 期膜 污染程度较轻，生物作用产生的阻力并未随着p a c 上生物膜的生长而增大；运 摘要 运行后期生物作用产生的阻力的增大成为加剧膜污染的主要原因。 通过对膜表面电镜扫描和能谱分析测定了膜清洗效果和表面污染物性质。 试验结果表明气水反冲洗可去除膜表面大部分的松散污染物；表面不可被气水 反冲洗去除的致密层主要由混凝剂絮体构成。组合工艺中生物作用非常明显。 关键词生物活性炭，周期换炭量，氨氮，超滤膜污染，膜过滤性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r e a t m e n te f f e c ta n di n f l u e n c ef a c t o r st om i c r op o l l u t e dr a ww a t e rw e r e r e s e a r c h e db yc o m b i n i n gc o a g u l a t i o n - b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ( b a c ) u l t r af i l t e r c r a f t t h em o v e m e n tc o n d i t i o n so fc o m b i n e dc r a f t ，t r e a t m e n te f f e c t ，t h ep o l l u t i o na n d c o n t r o lo fu l t r af i l t e r , a n dt h ea c t i o no fb i o l o g yi n t h i ss y s t e mw e r ei n s p e c t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s t h r o u g ha n a l y z i n gc o m b i n e dc r a f tr e m o v a le f f e c tt o u v 2 5 4a n da m m o n i a n i t r o g e n ，t h eq u a n t i t yo fc y c l ee x c h a n g i n gb a c 0 6 9i nt h i ss y s t e mw a sd e t e r m i n e d u n d e rb o t hs i t u a t i o n so fw i t ha n dw i t h o u tb i o l o g y , t h et r e a t m e n te f f e c tt or a w w a t e rw a sc o m p a r e d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e d ：t h ew a t e ro u t f l o wt u r b i d i t yw a s l o w e rw i t hb i o l o g i c a la c t i o n ；t h e r ew a sl i t t l er e m o v a le f f e c tt ou v 2 5 4w i t hb i o l o g i c a l a c t i o n ；t h e r ew a so b v i o u si m p r o v e m e n tt oa m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f e c tw i t h b i o l o g i c a la c t i o n ，a n da f t e rg r o w i n gw e l lo fb i o l o g i c a lm e m b r a n e ，t h er e m o v a lr a t e w a sa b o v e6 0 ，t h ea m m o n i an i t r o g e ni nw a t e ro u t f l o ww a sl e s st h a n0 5 m g l t h e e x i s t i n gn e c e s s i t yo fb i o l o g i c a la c t i o nw a ss h o w ni nt h ec o n c l u s i o n s t h r o u g hs e r i e se x p e r i m e n t s ，t h et r e a t m e n te f f e c tt om i c r op o l l u t e dr a ww a r e ri n c y c l ep e r i o dw a si n s p e c t e db yc o m b i n e dc r a f t t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e d ：w h e nt h e q u a l i t yo fr a ww a t e rw a st u r b i d i t y7 2 - 6 8n r u ，u v 2 5 40 1 0 8 - 0 2 0 9c m ，锄m o n i a n i t r o g e n0 4 1 4 4 5m g 几t h eq u a l i t yo fw a t e ro u t f l o wi ns y s t e mw a st u r b i d i t yl e s s t h a n0 2 n t u ，u v 2 5 4l e s st h a n0 1 t i n 一，a m m o n i an i t r o g e nl e s st h a n0 5 m g la f t e r s u c c e s s f u l l yc u l t i v a t i n gb a c ，r e m o v a lr a t e8 5 t h es y s t e mt ow a t e ri n f l o wh a d c e r t a i na n t i i m p a c tl o a da b i l i t y t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h r e en i t r o g e nc o n v e r s i o np r o c e s s e si nc o m b i n e dc r a f t ，t h e c h a n g i n gg r o w t hs i t u a t i o no fb i o l o g i c a lg r o u pw a sb e i n ga n a l y z e di nt h i ss y s t e m t h e e x p e r i m e n t si n d i c a t e d ：t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e ne x p e r i e n c e df a s tr i s i n g s t a g ea n ds t e a d yr i s i n gs t a g e ，t h er e m o v a lr a t eo fn i t r i t ef i r s td r o p p e dt on e g a t i v e v a l u ea n dt h e nr i s ea g a i n ，t h er e m o v a lr a t eo fn i t r a t ed r o p p e d s l o w l y t h r o u g hc h a n g i n gm o v e m e n tp a r a m e t e r si nc o m b i n e dc r a f t ，t h e i ri n f l u e n c e st o i i i a b s t r a c t s y s t e mt r e a t m e n te f f e c tw e r ei n s p e c t e da n dt h ef i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r af i l t e r w e r e a n a l y z e d t h ef i n a lc o n c l u s i o n s ：t h e r ew a sb i gi n f l u e n c eo f c h a n g i n g t e m p e r a t u r et or e m o v a le f f e c to fa m m o n i an i t r o g e n ，2 9 。c - 31 1o cw a sm o r ep r o p e rt o h a n g i n gm e m b r a n ei ne a r l yp e r i o d ；w i t hi n c r e a s i n ga e r a t i o nv o l u m e ，t h er e m o v a lr a t e o ft u r b i d i t ya n dt h er e m o v a lr a t eo fc o d m n d e c r e a s e dal i t t l e ，u v 2 5 4i n c r e a s e dal i t t l e ， t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e n e x p e r i e n c e dd e c r e a s i n gi ns h o r tp e r i o d ， r e s t o r i n g ，a n dt h e nr i s i n gs l o w l y ；t h ec h a n g i n gq u a n t i t yo fc o a g u l a t i o nh a dl i t t l ee f f e c t o n r e m o v i n gt u r b i d i t ya n da m m o n i an i t r o g e n ，h o w e v e r , w h e nt h eq u a n t i t yo f c o a g u l a t i o nw a sz e r o ，t h e r ew a sal i t t l ei n c r e a s eo fo u t f l o wu v 2 5 4 ，m u c hi n c r e a s eo f c o d m n ，a n dt h e nc a u s e dm e m b r a n es u r f a c ep o l l u t i o nw h i c hc a n n o tb ec l e a n e d a f t e r h a n g i n gm e m b r a n es u c c e s s f u l l y , t h ep o l l u t i n gr a t eo fm e m b r a n ec a nb es l o w e dd o w n b yi n c r e a s i n ga e r a t i o nv o l u m e ；t h ea p p l i c a t i o no fw a t e r - g a sc o u n t e r - w a s ho b v i o u s l y r e s t o r e df i l t r a t i o nf u n c t i o na n dh a ds t a b l ee f f e c t t h eu l t r am e m b r a n ec h a n g i n gf u n c t i o na n d p o l l u t i o ns i t u a t i o nw e r ei n s p e c t e d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e d ：t h em e m b r a n ep o l l u t i o nw a s l i g h t e ri np r e l i m i n a r ys t a g e ， t h er e s i s t a n c ec a u s e db yb i o l o g i c a la c t i o nd i dn o ti n c r e a s ea l o n gw i t hm e m b r a n e g r o w t ho np a c ；i nl a t e rp e r i o d ，t h er e s i s t a n c ec a u s e db yb i o l o g i c a la c t i o nw a st h e m a i nr e a s o nf o ri n t e n s i f y i n gm e m b r a n ep o l l u t i o n t h em e m b r a n ec l e a n i n ge f f e c ta n ds u p e r f i c i a lp o l l u t a n tn a t u r ew e r ed e t e r m i n e d b ys e ma n dp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i st om e m b r a n es u r f a c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ew a t e r - g a sc o u n t e r - w a s hc a nr e m o v em o s tl o o s ep o l l u t a n t so nm e m b r a n es u r f a c e ； t h ec o m p a c tl e v e lw h i c hc a nn o tb ew a s h e dm a i n l yc o n s i s t e do f c o a g u l a t i o nf l o e t h e b i o l o g i c a la c t i o ni nc o m b i n e dc r a f tw a ss oo b v i o u s k e yw o r d s ：b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n ；q u a n t i t yo fc y c l e e x c h a n g i n gc a r b o n ； a m m o n i an i t r o g e n ；u l t r am e m b r a n ep o l l u t i o n ；m e m b r a n e f i l t r a t i o n f u n c t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：倒，砖7 兰 - 一一一一- - - 一一- - - 一一- l _ - - 一一- - _ - - i 一一一- - 一一一_ 一_ - _ 一- 一- 一一一一一一一一一一 如j 年专玛t 净 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 特挪繇孑p 鞫学位敝麝躲到i 脱 1 年罗日 沙穹年月，日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：刭移兰 母岁月7 7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 水是一种不可替代的自然资源，也是构成人类生活和生产活动的重要物质 基础之一。随着人口的增长和社会经济的发展，我国水资源短缺的局面日趋严 重。1 9 9 8 年被联合国列为最贫水的1 3 个国家之一1 1 。 地下水和地表水一直是我国人民生活与生产用水的主要来源，其中地表水 分布较为广泛，来源丰富且利用方便，而地下水则以优质纯净、取用不需特别 处理等特点而深受欢迎，但是近年来的过量开采，不但使得地下水水位急剧下 降，而且造成了地面下沉。因而各种地表水源( 如江河、湖泊、水库等) 己成 为人们用水的主要来源。 据统计，我国2 0 0 3 年七大水系和内陆河流的1 2 8 个重要河段符合“地面水 环境质量标准”i ，i i 类的占1 6 ，i i i 类的占2 0 ，属于，v 类的占5 4 i 引， 较大一部分水源水已成为微污染水。微污染水的水质特征主要表现为：氨氮、 亚硝酸盐、生化需氧量( b o d 5 ) 、耗氧量( c o o m n ) 等项目超标；溶解性有机污染 物、有机卤化物等有害物质综合反映为a i i l e s 试验呈阳性；水体中存在病原微生 物包括细菌、病毒、原生动物、肠虫和变异的微生物因子以及由特定的源污染 物质引起的色、嗅、味等【3 j 。 5 0 年代初至9 0 年代中，我国新建与扩建了近千座净水厂，除少数水厂有深 度处理以外，都是混凝、沉淀、过滤、消毒的常规处理，其目标主要是去除悬 浮杂质、胶体物质和细菌，对有机物的去除较低，对氨氮、亚硝酸盐以及水体 中存在的病原微生物几乎没有去除效果，因此有必要改善和发展传统的给水处 理工艺。 1 1 膜技术的发展与应用【4 】【5 】【6 】【7 】 膜分离技术被誉为2 1 世纪的技术。在水处理领域，膜分离以其高度的固液 分离性节省占地、运行管理简单等优点，对引导与改进水处理工艺改良的进程 具有深刻的意义。膜工艺与其他分离技术相比较，应用于给水领域有以下几个 优点：( 1 ) 出水水质稳定，受进水水质波动的影响小。( 2 ) 出水生物稳定性 好。由于膜可以完全地截留微生物，起到消毒作用，既保证了出水的卫生安全 第1 章绪论 性，同时又减小了管网的二次污染。( 3 ) 能够减少混凝剂和消毒剂投加量，减 少消毒副产物的产生。 由于膜技术本身所具有的优点，加之由于材料科学的发展带来的膜成本的 降低，使得膜技术在食品、医药、化学工业及环境领域中的应用得到了越来越 广泛的重视。在给水处理领域，膜技术被认为是能够达到高质量和高可靠性的 传统给水工艺的替代工艺之一。 目前应用于水处理的膜技术主要有反渗透( r o ) 、纳滤( n f ) 、超滤( u f ) 、 微滤( m f ) 。其中，m f 和u f 处理工艺膜通量大，操作压力低，预处理要求低， 成本低，而且微滤膜和超滤膜去除细菌、寄生虫和颗粒物质非常有效，所以得 到了更广泛的应用。但它们对有机物的去除不够，因此人们开始研究将微滤膜 和超滤膜与其他物理、化学、生物等水处理技术相结合的膜工艺，以针对不同 污染类型的原水水质，有选择地去除水中的特定污染物质。这种组合工艺在给 水处理中得到了越来越多的重视，国外这方面已有了一定的发展和应用，国内 相关的工作才刚刚起步，所以需要研究的地方还很多。 1 1 1 超滤膜技术及其组合工艺的研究及应用发展 超过滤技术在膜分离技术发展初期就已经出现。1 8 6 1 年，s c h m i d t 首先提出 超过滤的概念。他指出，当溶液用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐玢膜过滤时， 如果对接触膜的溶液施加压力并使膜两侧产生压力差，那么它可以过滤分离溶 液中如细菌、蛋白质、胶体那样的微小粒子，这种过滤精度要比通常的滤纸过 滤高得多，因此称这种膜过滤法为超过滤1 8 j 。 虽然膜分离技术应用于饮用水处理已有多年的历史，但是最初的膜水厂多 是应用的电渗析和反渗透技术，采用超滤或微滤的寥寥无几。直到1 9 9 3 - - - , 1 9 9 6 年间超滤和微滤在饮用水厂的应用才有了迅速的发展。据世界范围内问卷调查， 1 9 8 9 - 1 9 9 0 年，世界u f 和m f 的水厂只有4 座和8 座，而1 9 9 5 - 1 9 9 6 年，世 界u f 和m f 的水厂已达3 4 家和4 0 家，总生产能力已超过1 8 6 万m 3 d 。 早年日本的藤田贤二认为，用膜过滤取代传统的混凝、沉淀和过滤，从而 简化制水工艺，是一种很有前景的自来水生产方法，并进行了试验。试验结果 表明制得的自来水比常规制得的自来水水质好的多，而且电费和药剂费比传统 方法省6 0 。使用上述工艺生产自来水的优点是无需加混凝剂，不必担心残留 2 第1 章绪论 铝对人体的影响；占地少，可无人值班，操作上极易自动化。当时有待解决的 问题是提高膜的寿命，使年换膜率降到5 左右，另外需要寻找高效的清洗膜的 方法。 德国r o e t g e n 水厂计划将处理能力扩展到6 0 0 0 m 3 1 1 ，对微滤和超滤技术进行 考察，1 9 9 6 年底，处理能力为6 - - 1 0m a h 三个小型水厂( 一个超滤水厂，两个 微滤水厂) 开始运行。运行结果表明，除了m e m t e c 微滤膜无法完全去除病毒之 外，小型水厂的出水水质完全合乎理想。出水浊度始终在饮用水水质检测极限 之下；不需要砂滤阶段，絮凝、沉淀池出水直接进入膜过滤装置，可以取得优 于常规饮用水处理工艺的水质；而且发现超滤技术能够取代除锰工艺，采用氧 化剂( n a o c i 或h 2 0 2 ) 进行适当的反冲洗，可以轻松去除沉积于膜面的锰层， 保证超滤高通量运行。 目前在美国已有4 0 多家水厂采用膜技术，总处理规模约为7 5 0 0 0 0 m 3 d 。其 中位于美国加州s a nj o s e 的s a r a t o g a 水厂，处理能力1 9 万m 3 d ，使用0 2l am 孔径的中空纤维膜。水厂运行结果表明，虽然原水中的浊度变化很大，最低时 小于1 n t u ，最大时大于2 5 0 n t u ，但出水浊度一直保持在0 0 5 n t u 以下。五大 湖边上的m a n q u e t t e 市水厂采用微滤技术处理水质优良的五大湖水，水厂处理能 力为2 6 0 0 0 m 3 d 。微滤膜孔径为0 2um ，对贾第虫胞囊和隐孢子虫卵囊的对数去 除率为3 。该水厂自1 9 9 7 年9 月以来的运行结果表明了微滤膜过滤水厂在经济 和技术上均是可行的。水厂年运行和维护费用为3 9 万美元，包括人工费1 5 万， 电费1 4 2 万，膜更换费8 万，化学药剂费1 3 万和维护费0 6 万美元。美国好莱 坞水库需要增设水处理工艺对其储存的水进行深度处理，考察了微滤技术，认 为是可行的。其出水浊度平均小于0 0 4 n t u ，对贾第虫的对数去除率大于3 ，对 隐孢子虫的对数去除率大于2 。 日本厚生省领导下进行的“m a c 2 1 项目，目的是验证使用微滤膜和超滤 膜对污染河水实施净化的可能性。1 8 家参加研究开发的公司将自行设计、制造 的膜过滤试验装置( 处理能力大约3 0 m 3 d ) 设置在北千叶广域水道企业团北千 叶取水场内的试验设施上，每家公司各进行两次试验，每次试验为期6 个月。 试验结果表明，采用有机中空纤维膜可有效地去除浊度、铁、大肠杆菌等与悬 浊物质有关的物质，微滤膜和超滤膜对各项目的去除率没有明显差异；在原水 中添加絮凝剂后，使用陶瓷膜，采用静态死端过滤方式进行试验，结果表明， 在长时间的运行中，运行稳定，不需对膜组件进行药液洗涤，而且，可以完全 第1 章绪论 去除铁、细菌、铝等浊质成分，从而得到结论，认为采用单一的膜过滤法操作 取代以前的快速过滤方式即絮凝、沉淀、砂滤的固液分离操作是可行的，而且 采用膜过滤进行净水处理的可信赖性很高。这一计划成果显著，已有超过2 3 5 个中、小水厂已经或正在计划引入膜过滤净水设施。日本在1 9 9 7 年又开始了 “a c t 2 1 计划”，其中膜技术在新领域中的适用技术开发研究是其中一个十分 重要的部分。除此之外，日本还采用m f 、u f 工艺改造旧的自来水净化工艺， 可使混凝剂用量降至原用量的1 3 以下，且出水有机物浓度有明显降低。 我国是发展中国家，经济尚不发达，因此目前还不可能将原有自来水企业 进行大规模技术改造，在自来水制造中集中采用膜技术，但作为发展方向和国 际自来水行业的趋势，我国对自来水膜技术工艺应予研究，并在新建的小型自 来水厂进行实验。所以近几年，我国在膜工艺组合方面做的研究也较多，尤其 是超滤和微滤膜在饮用水处理中的应用研究发展较快【9 】o 哈尔滨工业大学的张捍民和王宝贞【1 0 】对淹没式中空纤维膜过滤装置去除水 中污染物的试验研究表明：出水浊度不随原水的浊度变化，出水稳定，始终保 持在0 2 5 n t u 以下，而试验后期检不出浊度。除n h 3 n 的效率高，铁的去除率 可达9 8 以上，且效果稳定。但对有机物的去除效果不理想，不能保证出水有 机物浓度，出水浓度随进水有机物浓度的升高而升高。 清华大学的王锦【1 1 】等人对混凝超滤工艺也进行了类似的研究，结果表明与 原水直接超滤相比，混凝一超滤组合工艺对溶解性天然有机物的去除率较高， d o c 去除率从2 8 提高到5 3 、u v 2 s 4 去除率从4 0 提高到7 8 。而且絮凝预 处理使小分子有机物结合成微絮体，基本消除了污染物在膜孔中吸附引起的污 染，大大降低了膜表面滤饼层污染阻力，从而使超滤保持高渗透通量。 为了使超滤膜可以可靠地去除天然有机物及合成的有机化合物，必须有预 处理。预处理可以以某种方式使低分子量物质形成颗粒状态，然后利用具有高 效去除颗粒状物质能力的超滤膜来去除。通常用粉末活性炭( p a c ) 或颗粒活性 炭( g a c ) 来去除天然水中的溶解性有机物，特别是引起气味和味道的低分子 量化合物。作为超滤预处理的p a c 可以使溶解性有机物转变成可过滤的颗粒状 物质，典型的p a c 颗粒的直径在1 0 - - - , 5 0um ，比典型的超滤膜孔径大几个数量 级。 张捍民和王宝贞1 1 2 】等人对粉末活性炭一淹没式中空纤维膜工艺进行了研究 发现此工艺对高锰酸盐指数去除率为5 5 6 8 8 1 3 2 ，而单独使用淹没式中空 4 第1 章绪论 纤维膜对高锰酸盐指数的去除率在1 8 1 8 4 4 。4 4 之间。加入p a c 后n h 3 n 的去除率增长的较快，效果也好于单用淹没式中空纤维膜过滤装置，表明p a c 的投加可导致更高的硝化效率。而且投加p a c 可以减轻膜污染，对维持高比流 量具有重要作用。 董秉直【1 3 】【1 4 】等人还对混凝一活性炭- - u f 工艺进行了研究，试验表明混凝、 粉末活性炭可大大降低膜的滤饼层阻力，当混凝剂投加量为4 m g l 时膜的滤饼 层阻力最小。 马军【1 5 】等人的研究发现臭氧活性炭联用对有机物的去除速率是单独臭氧化 的6 倍。活性炭作为一种催化剂可以加速臭氧分解生成如o h 等自由基，有利 于去除有机污染物。 孙天华【1 6 】等研究表明，向活性污泥中定量投加铁盐对改善污泥的结构特征 有重要的作用。氢氧化铁絮体的混凝吸附作用使得混合液中的小胶体颗粒絮凝 成较大的颗粒，这使得生物铁的污泥粒径要大于普通污泥粒径。通过扫描电镜 观察得知，投加氢氧化铁后所形成的污泥在很大程度上减轻了对膜孔的堵塞， 减小了膜污染。 李伟光，安东【1 7 】等针对水体中含有多种可生物降解的有机物，对生物增强 的方法提高它们的去除效率做了详尽的分析。采用人工方法构建高效微生物菌 群，增强微生物活性，固定化到活性炭表面对于多种有机物质的去除有明显的 改善。对菌种的筛选、驯化、固定等进行了详细的介绍，试验数据表明，采用 生物增强的方式，对t o c 去除效果可以达到3 9 5 5 ，对氯化副产物前体物 质t h m f p 的去除率最大达到2 5 ，h a a f p 最大去除率为6 0 ，臭氧化副产物 甲醛的去除率可以提高到4 3 9 - - 6 6 9 。 1 1 2 超滤膜污染的防治和清洗 由于单独使用超滤膜过滤原水极易使膜受到污染，使膜的渗透通量及截留 率等性能发生改变，膜的使用寿命缩短，极大地影响了超滤技术的实际应用。 淹没式中空纤维膜过滤装置对有机物的去除效果也不理想，不能可靠地保证出 水有机物浓度，出水有机物浓度随进水有机物浓度的升高而升高。因此，分析 膜污染的原因以及采取相应的清洗措施和防治对策使膜性能得到部分或完全恢 复十分必要。事实上，膜污染清洗的研究已成为膜分离技术研究中的一个热点 第1 章绪论 问题。由于膜污染的问题还没有得到很好的解决，膜价格还较高，加之我国的 膜工艺在给水处理中的应用还刚刚起步等原因，所以将膜技术用于大型水厂的 深度处理上还存在一定的困难。然而很多研究表面，处理能力低于2 0 0 0 0 m 3 d 的小型净水厂膜工艺的制水成本与常规饮用水工艺相当或更低，并且出水水质 要好于常规水处理工艺，所以将膜技术用于小区或小城镇的给水处理工艺中具 有重要的现实意义。而且小型膜水厂的成功运行将对后面大中城市建设大型膜 水厂在技术上具有很好的指导意义。 为了解决膜污染问题，一方面可以通过改善超滤膜的操作模式，改进超滤 膜清洗方式控制膜污染，另一方面则可加强对超滤膜的组合工艺的研究，以达 到使超滤膜充分发挥固液分离作用，并且减少膜污染的目的。 y a m a m o t o l l 8 】等研究了操作模式对膜生物反应器膜污染的影响，并且发现间 歇抽吸出水相对于连续抽吸出水可以极大地减少膜的污染。 c h i e m c h a i s s r i 【1 9 】等研究了在中空纤维膜下部加装射流曝气装置以减轻膜污 染、增大膜通量的新型反应器。u e d a 等考查了曝气量对泥饼层的影响，并且得 出曝气量是膜过滤条件的重要影响因素的结论。 k e i 冽等研究了在s m b r 中投加铝盐和沸石粉末对膜过滤特性的影响，发现 投加铝盐后，由于铝盐的絮凝作用将水中小的胶体颗粒变大，而使膜污染显著 减少；投加沸石粉末，沸石粉末表面吸附和生长了大量的微生物从而增加了膜 通量。 投加混凝剂后，混凝剂与水中的悬浮固体形成矾花，过滤混凝液时，结构 松散的矾花沉积在膜表面，而小分子，亲水性的有机物会沉积在矾花上，不会 直接沉积在膜表面通过反冲洗和正洗，滤饼层被冲洗干净，从而避免了膜污 染。 j a e w e o nc h o l 2 1 】等人的研究也表明：亲水性的有机物是造成膜污染的主要因 素。尽管混凝无法去除造成膜污染的中性的亲水性有机物，但如果能在膜表面 形成不污染膜的滤饼层，仍能有效地防止膜污染。另外，研究表明，相对分子 质量大于1 0 0 0 的有机物是造成膜污染的主要因素，相对分子质量小于1 0 0 0 的 有机物对膜污染的影响较小。混凝能有效地去除相对分子质量较大的有机物， 因而可以防止膜污染，但混凝是否有效地防止膜污染与混凝后残留在水中相对 分子质量大于1 0 0 0 的有机物含量有关，当这类有机物含量低于原水的5 0 时， 则膜污染能被有效防止，这就要求其他工艺的配合。 6 第1 章绪论 粉末活性炭可有效地吸附溶解有机物如腐植酸，从而减轻膜污染和浓差极 化。混凝处理主要去除大分子量的有机物，粉末活性炭主要去除低分子量的有 机物，混凝、粉末活性炭还能有效地去除三卤甲烷生成潜能( t h m f p ) ，对于低 分子量的t h m f p 混凝去除效果很差，而粉末活性炭去除很好。 淹没式中空纤维膜过滤装置对污染物的去除，不仅是超滤膜的截留筛分在 起作用，曝气作用及超滤膜对污染物质的吸附也起到不可忽视的作用。超滤膜 无法截留酚，但加入了曝气设备的膜过滤装置具有一定的除酚能力，曝气强度 与酚去除率基本呈线性关系。粉末活性炭的投入，增强了淹没式中空纤维膜过 滤装置的除酚能力。粉末活性炭可将所要去除的污染物质特别是溶解性的有机 物转化成固相，使膜反应器中有机物浓度明显低于进水，在减轻淹没式中空纤 维膜过滤装置负荷的同时，增强了粉末活性炭一膜过滤装置系统的除污染能力。 酚分子直径约为6 a ，粉末活性炭可以在微孔区实现对酚的有效吸附；同时，在 连续处理含酚水的条件下，粉末活性炭及超滤膜表面的生物膜中可繁殖出大量 的破酚菌种，这时，除了物理吸附作用外，生物吸附和生物氧化作用更迸一步 促进了酚的去除；此外，反应器中溶解氧充足，v i d i c 等人认为，分子氧可以使 苯酚在活性炭表面发生聚合，引起吸附增量。三种机理协同作用，使酚的去除 率相当高。膜反应器中的曝气作用可以促进酚的挥发和氧化以及超滤膜膜表面 及孔壁对酚的吸附也对除酚起到了一定的作用。 美国的j o s e p h 2 2 】等人对p a c 与u f 膜联用技术组合系统进行了研究。研究 表明，p a c 作为u f 膜的预处理可以提高t h m s 和h a a s 前致物的去除率。p a c 的投加并没有破坏u f 膜的渗透性，在某种情况下延缓了膜污染，d b p 的去除率 随p a c 投加量的增加而增加。法国的一些研究者将粉末活性炭和超滤结合研制 的c i r s t a l 工艺已应用于1 1 家大型水厂，总处理量超过2 1 0 s m 3 d ，其中规 模最大的一家处理水量为5 5 1 0 41 1 1 3 d 。 对超滤膜进行清洗是保证膜性能、提高透液通量的有效方法。膜的清洗方 法根据膜的性质和处理料液的性质来确定，分为物理清洗和化学清洗。物理清 洗包括净水冲洗、反洗、混入空气反洗、超声波清洗和海绵球清洗等。化学清 洗包括酸洗、碱洗、表面活性剂、螫合剂、氧化还原法以及酶洗涤剂等复配方 法。对于污染层中最外边的松散污染层，水力清洗非常有效；对于污染层中的 静电吸附层和与静电吸附层牢固吸附的表面层，在不破坏膜结构的基础上，单 一化学清洗剂中十二烷基磺酸钠( s d s ) 的清洗效率最高，而且s d s 对膜本身没有 7 第1 章绪论 破坏作用。不同组合方式的联合清洗效果明显优于单一化学清洗剂。可先用 n a o h 溶液清洗，再用s d s 溶液清洗，最后采用去离子水进行反冲洗。也可采 用自来水清洗，n a c i o 溶液浸泡，h 2 s 0 4 的顺序对超滤膜进行化学清洗，膜通量 基本恢复【2 3 儿2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 去离子水对于没有吸附在膜上的物质有一定的去除能力，因而在采用化学 清洗法之前先用去离子水清洗，可以减少化学清洗剂的用量。 超滤膜的再生就是设法消除膜表面形成的凝胶层。而破坏凝胶层首先要破 坏蓄积在膜表面及膜孔内的物质的相互结合；其次是对阻塞在膜孔内的大分子 物质进行进一步降解，最后以大量的水冲洗，以达到消除阻塞物，再生超滤膜 的目的。超滤膜再生的常用方法主要有：热去离子水再生法、酶再生法、洗涤 剂清洗再生法、稀酸再生法、稀碱再生法、过氧化氢再生法以及酸性臭氧溶液 再生法等。 1 2 生物活性炭技术的原理及应用【2 7 1 生物活性炭( b a c ) 这一技术术语首先是由米勒和里根等人提出的，指在 水处理过程中有意识地助长粒状活性炭吸附的好氧生物活性的水处理工艺。 生物活性炭属于微生物功能载体的一种。微生物和活性炭有多种结合方式， 这取决于炭粒大小、微生物种属以及水中基质的条件等。对颗粒炭而言，微生 物群落可以分散在炭粒表面，也可以成膜覆盖在整个炭粒外表面；而对于粉末 活性炭，微生物絮体和细菌个体则可与之吸附凝聚在一起。 生物活性炭能够提高出水水质，增加水中溶解性有机物的去除效率，延长 活性炭的荷载周期，并能使水中氨氮转化为硝酸盐，从而减少后氯化的投氯量， 降低三卤甲烷的生成量。 1 2 1 生物脱氮的原理【2 8 】【2 9 】【3 0 l 氨氮本身无毒性，水中的氨氮以非离子氨( n h 3 ) 和离子氨( n h 4 + ) 两种形式存 在，两者处于平衡状态： n h 。+ h ：o 一 n h 4 + + o h 一 非离子氨浓度超过0 0 4 m g l ，则对水中鱼类有毒性，为此我国地面水环境 8 第1 章绪论 质量标准g b 3 8 3 8 对i - - i i i 类地面水规定非离子氨不得大于0 0 2 m g l 。 1 ) 氨氮是水体黑臭的诱因 根据上海自来水公司制定的污染指数计算方法： 污染指数= 羞譬蓦詈萋雾羰 当污染指数大于5 时，水体有不良臭味。 2 ) 氨氮含量过高是高锰酸盐指数过高的导因 实际上当水中氨氮浓度较高时，水中的有机物也相应增加，水的化学需氧 量也同样增加，些学者提出的水的臭阀值的表达式为： j塑掣型攀呈娑x10851111 蹦。 一 o 3 + 溶解氧饱和率 1 9 9 3 年世界卫生组织颁布的“生活饮用水水质准则 将氨氮作为用户是否 接受的水质指标，要求其浓度不超过1 5 m g l 口1 | 。 3 ) 亚硝氮为致癌物质 硝酸盐和亚硝酸盐浓度高的饮用水可能对人体造成两种健康危害，即诱发 正铁血红朊症( 尤其是婴儿) 和产生致癌的亚硝胺，这两种危害都是亚硝酸盐 直接造成的【3 2 j 。 目前对氨氮的去除方法主要有物理法、化学法和生物法，其中生物法被认 为是一种经济有效和最有发展前途的方法之一【3 3 1 。 传统生物脱氮理论认为：水体中的有机氮在氨化菌的作用下，转化为氨态 氮，水体中的氨态氮在好氧的条件下通过亚硝化菌和硝化菌转化为n 0 3 - n ，然 后在缺氧的条件下，通过反硝化菌转化为n 2 。在饮用水处理中，氮的转化过程 一般包括氨化、同化、亚硝化和硝化。由于氨化和同化反应速度很快，在一般 水处理设施中均能完成，故饮用水处理中生物脱氮的关键在于亚硝化和硝化作 用。 生物法去除氨氮主要依靠亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属。亚硝化单胞菌通 过比较复杂的途径将n h 4 + - n 氧化为n 0 2 一n ，硝化杆菌在单一阶段将n 0 2 一- n 氧化为 n o 。一一n 。由于这两类有机体为了生长，从无机的氧化作用中得到它们的能量，因 此，把它们归入化学能自养生物。虽然它们能够从无机的氧化作用中得到能量， 9 第1 章绪论 但并不意味着它们不能与外界的有机化合物结合，但吸收的量是小的，并且随 着生长条件而变化，因此大多数描述硝化的化学计量方程式，忽略不计从外界 吸收的有机化合物量，并且利用二氧化碳作为碳的唯一来源。亚硝化单胞菌和 硝化杆菌生长的理论化学计量方程式如下： 5 5 n h 4 + + 7 6 0 2 十1 0 9 h c 0 3 乙 c 。h ，0 2 n + 5 4 n 0 2 - + 1 0 4 h 2 c o 。 4 0 0 n 0 2 一+ n h 4 + + 4 h 。c o 。+ h c 0 3 - + 19 5 0 2 - 一 c 5 h 。0 2 n + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 一 上述两个公式表明：第一，当n h 。+ 一n 的氧化期间应用大量的碱度( h c 0 3 - ) ： 氧化l 毫克n h 4 + - n 需消耗8 6 4 毫克h c o 。一。其中小部分结合到细胞物质内，但大 多数用于中和