（环境工程专业论文）预处理微滤膜处理微污染水的试验研究.pdf

摘要 污染没有起到明显的缓解作用，部分时段甚至影响膜通量。混凝、氧化混凝预 处理对膜污染均有缓解作用，在运行过程中能起到缓解膜通量下降的作用。 3 、通过几种不同的膜清洗方式对p v a 微滤膜进行清洗，结果表明： 单独采用机械刮膜对膜的清洗仅限于膜表面的滤饼层，三个周期后膜通量 减小了9 。单独采用水反冲洗效果较好，三个周期后膜通量减小4 5 。采用气 水组合反冲洗，经过三个周期后膜通量减小了6 。采用水+ 机械刮膜组合工艺 进行膜清洗效果最佳，经过三个运行清洗周期后膜通量减小仅为3 。考虑到易 于推广、反冲洗成本及通量恢复等情况，考虑采用气水反冲洗作为p v a 微滤膜 的清洗方法。 关键词：p v a 微滤膜；混凝预处理；吸附预处理；氧化预处理；膜污染 1 1 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w e 毽s eac o m b i n a t i o no fp 矧散激e 海m i 渤蠡豫蕊。纛臻e 魁酝繇e 幻 & 蠢溺也m i c r o 印l l 谢dw a t e r , w es t u d yt h er e m o v a lo fm i c r o - p o l l u t e d 础f 姆 击f f e 弼珏tp f e 骶蠢撒e 躐m e t h o d s ( c o a g u - l a t i o n ，o x i d a t i o nc o a g u l a t i o n , a d s o r p t i o n ) a 毪d p r e 饿2 由憋e 艰m 洳鑫l 拄a 圭i o 建m e m b r a n e s ，a n dt h es a m et i m ei n v e s t i g a t em i c r o f i l t r a - l i o 毪瓣锄r a 靛e 蠡l 犯e o v e 搿b yd i f f e r e n tw a y so fm e m b r a n ec l e a n i n g t h ec o n c l u t i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 u s ed i f f e r e n tp r e t r e a t m e n t sd e a lw i t hm i c r o p o l l u t e dw a t e r , t h e c o n c l u t i o n s w e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f r o mc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n te x p e r i m e n t a lw ec a l lg e tt h a t ：c o m p a r i n gt h e r 锄o v a lo fu v 2 5 4 ，a m m o n i a , t u r b i d i t yb yu s eo fp o l y a l u m i n u mc h l o r i d ea n d a l u m i n u m s u l f a t ei ni nt h ed i f f e r e n td o s a g e s , p a c sr e m o v a li sb e t t e r , a n dd o s a g eo f p a ci s2 5 m g 1 ， a n dt h er e m o v a lr a t eo f u v 2 5 4 ，a m m o n i a , t u r b i d i t ya r e6 8 ，4 7 ，9 8 ( 2 ) f r o mt h ep r e o x i d a t i o na n dc o a g u l a t i o nt e s t sw ec a ng e tt h a t ：o x i d a t i n g p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ec a np l a yac o a g u l a n te f f e c tt oc o a g u l a t i o na n di m p r o v et h e r e m o v a lr a t eo f 龇u v 2 5 4 ，a m m o m a ，a n dt u r b i d i t ye f f e c t i v e l y w h e nt h ed o s a g eo f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ei so 5 m 酢，t h er e m o v a lr a t eo ft h eu v 2 5 4 ，a m m o m 瓠a n d t u r b i d i t ya r ei n c r e a s e db y7 ，5 4 ，4 c o m p a r e d t op a ct h a ti sa d d e da tt h e c o n c e n t r a t i o no f2 5 m g 1 ( 3 ) f r o mt h es t a t i ce x p e r i m e n t so fp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o nw ec a ng e t t h a t ：w h e nt h ed o s a g eo fp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o ni s7 0m 辨，a n dt h ep r e t r e a t m e n t t i m ei s3 0m i n u t e s t h er e m o v a lr a t eo fu v 2 5 4c a l lr e a c h5 5 。 2 。t h i sa r t i c l eu s e dd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d st od e a l 弼也m i c r o - p o l l u t e d w a t e rb yp v am i c r o s p h e r e s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h r e ep r e t r e a t m e n tc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h er e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t y ，t h e r e m o v a lr a t eo fd i r e c t l ym e m b r a n ef i l t r a t i o ni s7 8 ，a d s o r p t i o np r e t r e a t m e n ti s 9 3 8 。c o a g u l a t i o np r e t r e a t r n e n ti s9 8 a n do x i d a t i o no f c o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n ti s 9 8 。5 w h e no p e r a t e ds t a b l e l y 。c o a g u l a t i o na n do x i d a t i o nc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n t a r eb e s tw a y so ft u r b i d i t yr e m o v a l ，a n dc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n ti st h eb e t t e rc h o o s e f o rt h em i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e ri nh i g ht u r b i d i t y ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e m o v a lr a t eo fu v 2 5 4i sl o wb y i i i d i r e c t l yf i l t e r i n gt h em e m b r a n ea n dt h er e m o v a lr a t eh a sal a r g e ri n c r e a s ea f t e f p r e t r e a t m e n t t h er e m o v a lo fu v 2 5 4i ss m a l l e rw i t ht i m eb ya d s o r p t i o np r e t r e a t m e n t a n dt h er e s u l to fr e m o v a li s s t a b l e c o a g u l a t i o na n dc o a g u l a t i o no x i d a t i o nt r e a t m e n t e f f i c i e n c ya r eb e s tw h e no p e r a t e ds t a b l e l y ，a n dt h er e m o v a lr a t eo fu v 2 s 4h a sr e a c h e d 8 9 a f t e r6 0m i n u t e sb yc o a g u l a t i o no x i d a t i o n ( 3 ) 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 ni so n l y10 b yd i r e c t l yf i l t e r i n gt h e m e m b r a n ea n dt h er e m o v a lr a t eh a si n c r e a s ea f t e rp r e t r e a t m e n ti ns o m ew a y s ，b u t t h er e m o v a lr a t es t i l l j u s tc o m m o n 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 nb y p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o np r e t r e a t m e n ti sj u s t3 8 w h e no p e r a t e d s t a b l e l y ，a n dt h i sp r o v e dt h a tp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n sc a p a c i t yt oa m m o n i a n i t r o g e n w a sl i m i 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 n b yc o a g u l a t i o n p r e t r e a t m e n ta n do x i d a t i o nc o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n ta r ec l o s e ，a b o u t6 6 ，i n d i c a t e d t h a tp r e - o x i d a t i o na m m o n i an i t r o g e ni sl i m i t e dt oi m p r o v et h er e m o v a lr a t eo f a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t e ( 4 ) t h r e ep r e t r e a t m e n th a v ee f f e c t so nm e m b r a n ef l u x a d s o r p t i o np r e t r e a t m e n t d i dn o tp l a yas i g n i f i c a n tr o l ei nm i t i g a t i o nc o m p a r e dw i t hd i r e c t l yf i l t e r i n gt h e m e m b r a n e ，a n ds o m e t i m ee v e na f f e c tt h em e m b r a n ef l u x e c o a g u l a t i o n ，o x i d a t i o n c o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n th a v ep l a yar o l ei nm i t i g a t i o no fm e m b r a n ef o u l i n g ，c a l l m i t i g a t em e m b r a n ef l u xi nd e c r e a s i n g 。 3 c l e a n i n gp v am i c r o s p h e r e sm e m b r a n ei ns e v e r a l d i f f e r e n tw a y sh a ss h o w e d t h a t ： o n l yu s em e c h a n i c a ls c r a p i n gm e m b r a n e t oc l e a nt h ec a k el a y e ro ns u r f a c eo f m e m b r a n e ，a n dm e m b r a n ef l u xd e c r e a s e db y9 a f t e rt h r e ec y c l e s 。t h ee f f e c to f w a s h i n go n l yb yu s i n gw a t e rb a c k w a s hi sb e t t e r , a n dm e m b r a n ef l u xd e c r e a s e db y 4 5 a f t e rt h r e ec y c l e s 。u s i n gt h ec o m b i n a t i o no fa i r - w a t e rb a c k w a s h ，a n dm e m b r a n e f l u xd e c r e a s e db y6 a f t e rt h r e ec y c l e s ；u s i n gw a t e ra n dm e c h a n i c a ls c r a p i n g m e “内r 鼢ec o m b i n e dp r o c e s sh a st h eb e s te f f e c t ，a n dm e m b r a n e f l u xd e c r e a s e do n l y b v3 a f t e rt h r e ec y c l e s c o n s i d e r i n ge a s i e rt op r o m o t e ，b a c k w a s h i n gc o s t s n d m e n 遣l r 姐ef l u xr e c o v e r y ，u s i n gt h ec o m b i n a t i o no f a i r - w a t e rb a c k w a s ha st h ew a yo f w a s h i n gp v am i c r o s p h e r e sm e m b r a n e k e yw o r d s ：p v am i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ；c o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n t ，a d s o r p t i o n p r e t r e a t r n e n t ，o x i d a t i o np r e t r e a t m e n t ；m e m b r a n ef o u l i n g i v 篁二童堑笙 一一m - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一。一 第一章绪论 1 1 水资源及污染现状 我国是典型的水质及资源型缺水国家。我国网时又频繁的遭受水早等自然 灾害。水资源的年平均经流量大约为2 。8 万亿立方米，列世界的第六位a 全国水 资源的人均占有量仅占世界人均的1 4 。大量的淡水资源多分布在南方，北方 的淡水资源相对较少，大约只占南方的l 皿，体现出了水资源分布的不均性。 我国水资源分布的不均匀性主要是受地势、地形、气候以及降水等因素的 影响，水分布的格局是南方较多、北方较少；东南较多、珏北较少。长江以及 其以南地区，国土蘧积不到4 0 ，却集中了7 5 以上的水资源。全国的6 6 8 个 城市中，有4 0 0 多个城市出现了供水短缺的问题，城市的年缺水量达到了醐多 亿立方米，全国每年缺水量已达到了3 5 0 亿立方米。我国现在已经委临了非常 严重的缺水阀题。 根据( 2 0 1 0 年中国环境状况公报的介绍，2 0 1 0 年全国的地表水污染依然 较严重，我图的水源永污染形式已经日益严峻。根据2 0 1 0 年的调查结果，全因 的七大水系：黄河、长汪、珠江、松花江、海河、淮河和辽河，均表现蔻存在 轻度污染现象。透过对全国2 0 4 条河流中的4 0 9 个地表水国家控制监测断面的 监测，发现各控翩断面l - i i i 类、v 类和劣v 类水体的比例分别为5 9 9 、 2 3 7 和1 6 4 。七大水系中水质良好的为长江和珠江；受到轻度污染为松花江 和淮河；污染最严重的是海河。 全国废水排放总量在2 0 1 0 年时为6 1 7 3 亿吨，同上年度比较增加了4 7 。 c o d 的排放量为1 2 3 8 1 万吨，与上个年度相比下降了3 1 ；n h 3 - n 的排放量 为1 2 0 3 万吨，与上个年度相比下降了1 9 f z 。 1 2 微污染水的特点介绍 微污染水指的是饮用水水源受到了污染，主要体现为有机物的污染，其中 有部分水质指标超过了地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中的m 类水体 标准，不符合生活饮用水卫生标准，微污染水的特点如下： 1 、在江河中主要表现为有机物、氨氮、色度等指标高于生活饮用水源卫生 一 第一章绪论 一一 标准。 2 、在湖泊水库中主要表现为水库和湖泊水体的富营养化，并且在一定的时 期藻类的滋生会造成水质恶化，部分指标超过生活饮用水源卫生标准。 微污染水含有的污染物主要包括以下几个部分： a 、有机污染物：水中有机物来源主要有两部分：一部分为天然的有机物， 主要为水体中的动植物分解产生的如腐植酸类物质；另一部分主要为人工类有 机物，主要来自工农业生产以及生活污水的排放 3 】o 其中随着社会的发展，工业 企业的增多，人工合成的有机物也变得种类繁多，其具有残留、致癌以及毒性 等特点【4 1 。 b 、氮、磷等：水体中氮、磷、钾等物质含量越来越高，会造成藻类物质的 大量生长，从而导致水体富营养化污染，水质恶化，威胁到人类健康【5 1 。 c 、细菌及病毒等：水体中的病毒来源较广泛，主要来自生活垃圾细菌的滋 生，生活污水以及医药废水。水体中的具有传染性的病毒可以通过各种途径进 入人身体，危害人类健康。 1 3 饮用水的传统处理技术 1 3 1 饮用水传统处理工艺介绍 当今世界上普遍采用的饮用水处理工艺主要包括混凝、沉淀、过滤、消毒 等四个主要工序 们。随着自然水体的不断恶化，而人类对水质的要求越来越高， 因此在与水体污染及水质类疾病做斗争的过程中，也推动了饮用水技术的发展 进步【7 】o 传统的饮用水处理工艺能够去除水中的部分悬浮物以及胶体物质，通过消 毒对细菌有灭活作用。通过混凝剂的絮凝作用使胶体和悬浮物絮凝成大颗粒， 再通过后续的沉淀过滤工序去除，最后通过消毒得到符合标准的饮用水瞄j 。 传统的饮用水处理工艺第一道工序为混凝，常用的混凝剂主要有铁盐( 如硫 酸亚铁和三氯化铁等) 和铝盐( 如硫酸铝、聚合氯化铝等) ，混凝工序的作用主要 是去除水中的大分子颗粒，对一些分子量较小的有机物去除效果不理想p d 。 第二道工序为沉淀，沉淀主要是在混凝的基础上利用重力作用，对已经形 成的大颗粒絮凝体进行去除的过程。 第三道工序为过滤，经过沉淀后水体中还有部分小颗粒的悬浮物及没有能 2 第一章绪论 够沉淀下来的物质，对这部分物质的去除需要依靠过滤来去除，如采用石英砂 作为滤料层。通过过滤水体中的细菌病毒及有机类污染物进一步被去除，水体 浊度进一步降低。过滤过程是传统饮用水处理工艺不可或缺的，过滤采用的滤 池原理和过程基本相同，均采用过滤与冲洗交替运行的方式【l 2 | 。 第四道工序为消毒，常用的消毒方法有加氯消毒【1 3 】，臭氧消毒 1 4 】以及紫外 消毒【1 5 】等，消毒的目的是防止病菌等通过水体传播，造成严重的公害事件，现 阶段使用最多的消毒方法仍然是加氯消毒，通过消毒可以使水中微生物的致病 作用降至最低【1 6 】。 1 3 2 饮用水传统处理工艺所面临的问题 我国正处在高速发展阶段，工业的发展使得每年向水体排放的废水量很大， 地表水中的有机物浓度越来越高，而与此相对应的是人民生活水平的提高对水 质的要求也不断提高，在这样的双重压力下，传统的饮用水处理工艺已经不能 满足人们生产和生活的需要。 各种研究资料均显示，经过传统工艺处理后的微污染水，有机物的去除率 只在2 0 到3 0 之间。水体中的溶解性有机物也使得胶体难以脱稳，对浊度的 去除有很大的影响 1 7 , 1 8 1 。 饮用水的传统处理工艺所面临的具体问题如下： ( 1 ) 对有机物的去除效率低： 对地表水中天然类有机物尤其是分子量小的溶解性有机物去除效果有限 u 9 2 0 】；可以同化的有机碳类物质去除效率也不到百分之三十口1 】；含有毒性的污 染物如藻毒素等，传统工艺对其基本没有处理效果 2 2 】，而对于水体中含量越来 越多的人工合成类有机物，则更加无法做到有效去刚2 3 1 。 ( 2 ) 对氨氮去除效果一般： 现在水体中氨氮类物质含量也呈现增长趋势，国家对水体中的氨氮开始实 行总量控制，传统的处理工艺对氨氮的去除率一般在1 0 【2 4 1 ，而为了控制氨氮 浓度，投加大量的氯，使得水体产生大量有机卤化物，导致饮用水安全性下降。 ( 3 ) 对铁、锰等离子去除率低： 传统工艺对铁、锰等离子去除率很低，如水体中铁、锰等离子含量较高时， 需要采取生物氧化法或吸附、离子交换等方法去除。如还有亚砷酸盐类物质， 则需要采取预氧化措施，如采用高锰酸钾做氧化剂【2 6 ，2 7 1 。 3 第一章绪论 ( 4 ) 对细菌等微生物去除效果不稳定： 传统工艺在运行过程中如水体受到贾第虫、隐孢子虫等污染，会造成微生 物穿过滤池的现象，影响出水水质，且常规的采用加氯消毒对贾第虫、隐孢子 虫等的灭活能力有限，可能会引起疾病的爆发【2 鼬。 1 4 膜技术在水处理中的应用 1 4 董膜分离技术的介绍 膜分离技术指的是通过外力等的作用，利用膜的选择渗透作用，对溶剂或 溶质进行分离提纯或富集。在世界范围内膜分离技术的发展经历了三十年代的 微孔过滤、四十年代的渗析、五十年代的电渗析、六十年代的反渗透、七十年 代的超滤和液膜、八十年代的气体分离、九十年代的渗透汽化【2 9 l 。 我凋膜分离技术起步较晚，对离子交换膜的研究始予1 9 5 8 年，反渗透膜的 研究开始于1 9 6 5 年，七十年代开始则进入了全面开发的阶段。在这期间膜分离 技术有了较大程度的发展，研究开发出了微滤、超滤、反渗透等各种膜组件。 八十年代n n t 推广应用的阶段，其他种类的膜在之后也相继开发如来1 3 引。 经过了凡十年的不断探索，中国在膜分离技术领域部分成果已经能够接近 或达到国际先进水平。但是，我们必须看到，我国的膜技术还比较落后，和世 界发达国家相比还有较大差距，需要加大研究力度强。 1 4 1 1 貘材料及膜组件 ( 1 ) 膜材料：膜材料通常分为两大类，类为无机膜材料，其主要材质为 陶瓷类、玻璃材质以及金属及其化合物。另一类为有机膜材料，常用的有纤维 素、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚丙烯腈( p a n ) 、聚砜( p s f ) 以及聚乙烯醇类、 硅橡胶类、芳香杂环类物质。其中纤维素为应潲最早的膜材料，而聚砜等商分 子膜材料的出现加大了膜的虚用范围及应用前景。 ( 2 ) 膜维件：常嫣的膜组件主要有管式膜组件、卷式膜组件、中空纤维膜 组件以及板框式膜组件。 a 、管式膜组件：分为内压和外压式两种操作方式，如管式陶瓷膜组件采用 的是内压式操作，其优点是压力的损失较小，膜组件更加容易清洗和更换，并 且耐污能力强，缺点是成本较高，密封较困难，膜豹填充密度小。 4 第一章绪论 b 、卷式膜组件：使用平板膜制成，特点是膜填充密度较高，设备较紧凑。 缺点是清洗不方便，且膜容易堵塞，不易更换。 c 、中空纤维膜组件：结构和管式膜组件相似，优点是膜填充密度非常高， 设备相当紧凑，具有占地面积小的特点。缺点是运行动力消耗较大，膜运行阻 力大，容易堵塞，对预处理有很高的要求。 d 、板框式膜组件：使用平板膜，结构与板框压滤机相似。该类膜组件优 点是膜易清洗，更换方便，不易堵塞。缺点是对膜两端的封闭性要求高，工程 放大使用较难。 1 4 1 2 膜分离技术分类 根据膜的使用功能及膜孔径的不同，可以将膜分为微滤、超滤、反渗透、 纳滤、电渗析等，各种类型膜分离过程简单介绍如下： ( 1 ) 反渗透：反渗透的过程和自然渗透相反，是通过对溶液施加压力，并 克服溶剂的渗透压，从而使溶剂能够通过反渗透膜从溶液中分离出来。目前在 海水淡化中应用较多。 ( 2 ) 超滤：以筛孔作用为主的薄膜过滤。通过施加一定的压力，小分子物 质或溶剂通过超滤膜，其他颗粒物或大分子物质则被截留下来。超滤工艺具有 占地面积小、工艺简单、操作方便、操作压力低等优点 3 2 , 3 3 。 ( 3 ) 微滤：微滤与超滤的原理相同基本，一般微滤膜的孔径范围在o 0 2 p , m 到l o 岬之间，微滤膜可以截留住直径大于膜孔径的物质，但其对溶解性的有机 物去除率不高，一般在15 2 6 之间 3 4 , 3 5 。 ( 4 ) 纳滤：又被称作超低压反渗透，分离性能介于反渗透与超滤之间，分 离过程中允许一些无机盐类或某些溶剂透过膜，从而起到分离的效果。纳滤能 够有效的将水体中的悬浮颗粒、有机污染物及色度去除，能够截留的分子量范 围一般在2 0 0 到1 0 0 0 之间【3 6 】。 ( 5 ) 电渗析：是使用和研究较早的一种膜分离技术，其使用原理是基于离 子交换膜的对阴离子或阳离子的选择性通过性。在直流电场的作用下，以电位 差为动力，使阴、阳离子透过相应的膜，以达到分离的目的【3 7 。 1 4 2 膜分离技术在水处理方面的应用 1 4 2 1 膜在水处理方面的应用 膜分离技术在微污染水处理方面的研究及应用越来越多，采用膜分离技术 5 第一章绪论 可以减少水厂沉淀池的建设，减少水厂的占地面积，并且膜分离过程能够很好 的采用自动化操作，保证稳定的出水水质。 在饮用水处理工艺中，使用微滤和超滤技术已经有二十多年，其实用化的 研究欧美和日本走在世界前列 3 8 , 3 9 。当今世界，采用膜分离技术的水厂越来越多， 在监娟，超滤膜技术的应用也越来越广泛，其中日本有4 0 0 x 1 0 4 m 3 d 的水处理能 力是依靠膜过滤技术来实现的，另终世界上最大超滤饮用水厂已经在新加坡建 成并使用。我国在自来水厂使用膜过滤技术尚处在小规模试验阶段，其应用方 面的研究目前在国内开展的较多。 莫罹等【4 训采用粉末活性炭膜生物反应器组合工艺对微污染水进行处理，实 验结果显示该组合工艺对氨氮、浊度的去除效率均达到了8 0 以上，对u v 2 s 4 的去除率在3 1 - 4 2 之间，且粉末活性炭投加量对膜过滤性能的影响不大。 毕学军等 4 1 】通过采用平板超滤膜对徽污染水进行处理研究，实验结果表明， 超滤对浊度的去除率大于9 9 o ；对高锰酸盐指数的去除率在2 5 8 - - 4 6 。9 之 间；对u v 2 5 4 的去除率为1 3 。3 ；并且超滤膜的跨膜压差的增加与过滤时间之间 呈现出了很好的线性关系。 唐凯峰等【4 2 】采用预氧化吸附混凝气浮墒滤组合工艺处理微污染水，实验 结果表明，超滤对氨氮没有明显的去除效果，超滤系统对浊度、c o d 池和u v 2 5 4 等豹去除率分别为9 8 。8 、8 4 9 和3 1 。 目前我国自来水厂应蠲膜过滤工艺的较少，但随着膜技术的发展，膜污染 等问题的解决以及人们对水质要求的提高，对现有水厂的改造将会变成种趋 势。现阶段已经有部分水厂在使用膜过滤技术，因此膜分离技术的应用前景十 分的广阔。 1 4 2 。2 膜分离技术单独使用存在的缺陷 膜分离技术在使用过程中通常需要和各种预处理搭配使用，因为单独使用 膜进行水处理会有很多的弊端。 一方面，由于膜的分离作用主要依靠膜孔的筛分作孀，丽水体中溶解性有 机物特别是亲水性的通常很难被去除，因此单独使用膜过滤对这部分有机物去 除效果不佳疆3 1 ，如k a 戚k 等【4 4 】采用超滤膜( 截留分子量为l ，5 万) 过滤原水， 结果显示d o c 的去除率仅在1 2 l7 之阈。l e e 等湖通过采厢超滤膜分别对四 种不同的地表水进行处理，结果发现d o c 的去除率一般不大于1 0 。另外，由 6 第一章绪论 于现阶段水厂使用加氯消毒的方法较普遍，这样容易与水中的有机物，特别是 腐植酸类物质等产生消毒副产物，而单独使用膜过滤很难去除该类物质【钓j 。 另一方面，没有经过预处理直接采用膜过滤来处理原水则会造成膜孔严重 堵塞，膜通量迅速下降，特别是对于超滤及微滤这样的低压膜，由于膜孔径较 大，因此，水体中的有机污染物或小颗粒悬浮物都有可能进入膜孔，并堵塞膜 孔，部分则大量聚集在膜表面，形成很厚的滤饼层，导致严重的膜污染【4 7 ，4 引，并 会影响对水体中病毒等物质的去除【4 9 】。膜污染问题已经严重制约了膜过滤技术 的大规模使用【5 0 。5 3 1 ，因此在采用膜过滤技术时，需采用前处理来缓解膜污染， 以此扩大膜的应用前景。 1 5 膜的预处理技术 虽然研究高效的膜清洗方式具有极大的实际意义，但是如何有效降低滤膜 运行过程中的膜污染程度也是一个很重要的研究方向。 降低膜污染的有效途径主要为采取预处理技术。预处理方式的选择应考虑 以下几点原则：操作简便、对提高出水水质有利、成本低廉、不会破坏膜材料 等。在滤膜前增加预处理，其主要目的是通过前处理，能达到提高出水水质及 减缓膜污染的目的。提高对水中污染物的截留去除能力，或延长膜在高通量下 的运行时间。在保证水质和水量的前提下，如何减缓跨膜压差的增长速率一直 是膜过滤技术在水处理领域中的难点和热点问题。 目前，在国内外低压膜过滤技术的研究和应用中，最具实用性和可行性的 预处理方法主要以下几大类：混凝、吸附、氧化，以及它们的组合工艺，其他 的预处理方法还包括p h 值的调节【5 4 】、砂滤预处t 里 5 5 , 5 6 1 、颗粒活性炭预处t n i s t , 5 8 】 等。下面重点介绍最常使用的三种预处理技术。 1 5 1 混凝预处理 在采用膜处理水的过程中，使用混凝作为预处理手段，可在膜表面形成滤 饼层，起到防止膜污染的作用【5 9 】，混凝也是防止膜污染最佳的预处理方法。但 是混凝预处理对膜污染及膜的过滤性能的影响也一直存在争议，可能与实验中 的条件及水质情况有关系 6 0 , 6 1 1 。混凝与膜组合工艺有两种类型，一类是先进行混 凝预处理，沉淀过滤后再进行膜过滤；另一类是混凝后直接进行膜过滤。 史慧婷等【6 2 】通过采用混凝超滤组合工艺处理低温低浊微污染水，实验结果 7 第一章绪论 表明混凝预处理可以缓解膜污染，当混凝剂的投加量在3 0 m g 1 时，该组合工艺 对u v 2 5 4 的去除效率能达到5 6 5 ，出水浊度均在0 2 n t u 以下。 马敬环等【6 3 】通过采用硫酸铁作为混凝剂和超滤膜组合处理天津渤海湾海 水，结果表明该工艺作为反渗透的前处理是可行的，产水的浊度在0 0 6 0 1 n t u 之间，c o d m n 的去除率在2 6 0 0 - , 4 5 之间。 管运涛等【删通过混凝超滤工艺净化处理南方某水库水，通过实验发现：通 过该工艺处理后浊度去除率非常高，出水浊度能低于0 0 2 n t u ，c o d 及u v 2 5 4 的平均去除率为3 8 。 另外采用混凝作为预处理手段与超滤微滤组合处理原水，对水体中的病毒 有较好的去除率 6 5 , 6 6 。 1 5 2 氧化预处理 传统水处理厂中经常使用的氧化剂主要有臭氧 6 7 , 6 8 】、二氧化氯【6 9 , 7 0 】、高锰酸 钾【7 l 】、液氯【7 2 】、过氧化氢等。氧化分为化学氧化和生物氧化两大类，作为预处 理常用的是化学氧化。通过投加一定剂量的氧化剂，对水中的有机污染物起到 较好的去除效果，弥补膜对有机污染物去除效果不佳的缺点。 桂学明等【7 3 】采用在超滤膜前使用不同的预氧化处理方式，研究其对膜污染 的影响，实验结果发现三种氧化剂对膜污染的延缓均有一定的效果，其中高锰 酸盐复合药剂效果最佳，高锰酸钾次之。 丁莎莎等【7 4 】通过研究预氯化和超滤联用处理滦河水，发现预氯化可以提高 超滤膜对高锰酸盐指数及u v 2 5 4 的去除率，并且可以减缓膜污染但是不能消除膜 污染。 叶挺进等【7 5 】采用二氧化氯做预氧化剂和超滤组合使用处理微污染水，结果 表明出水的细菌和浊度可控制在2 c f u m l 和0 8n t u 以下。根据跨膜压差的记 录显示二氧化氯预氧化可以缓解膜污染。 1 5 3 吸附预处理 吸附预处理对处理微污染的水体特别适合，这和吸附去除的特性有关，污 染较重的水体使用该方法则运行成本过高。常用的吸附材料有活性炭、沸石【7 6 7 7 j 、 介孔复合吸附材料【7 8 】、蒙脱石【7 9 】、吸附树脂【8 0 。8 2 1 等。其中活性炭的吸附作用对 膜污染的机理较复杂，部分研究显示可以减缓膜污染，但也有部分研究认为可 8 第一章绪论 导致膜污染。 张捍民等人【8 3 1 采用粉末活性炭与中空纤维膜( 淹没式) 组合工艺处理模拟 水源水，实验运行3 5 天后得出结论如下：投加p a c 之后膜通量没有迅速下降， 和不投加p a c 的情况相比膜通量提高了一倍多。实验结果表面投加粉末活性炭 可以缓解膜污染。c a m p i n a s 等也得出了相同的结论，他们通过研究发现通过粉 末活性炭的吸附预处理不仅可以提高有机污染物的去除率，同时对膜污染也有 很好的缓解作用。 潘若平等人【矧考察了粉末活性炭超滤膜组合工艺对水体中溶解性有机物的 去除效率以及吸附预处理对于减缓膜污染的效果，实验结果表明：随着活性炭 浓度的升高，工艺的处理效果也有了很大的提高。出水的总有机碳和u v 2 5 4 的去 除率分别为4 4 8 和4 8 9 。 1 6 微滤膜的应用现状 1 6 1 微滤膜的发展 我国微滤膜的发展起步较晚，在1 9 7 3 年左右才开始逐步开展对微滤膜的研 究工作，与发达国家比较晚了将近半个世纪。在9 5 年我国相继研发出了尼龙、 聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚烯烃等材质的微滤膜。并在无机微滤膜的研制上也 有了发展。 在最近的十年中，我国的微滤膜已经有了长足的发展，已经形成了一个产 业，拥有了自己的知识产权，部分产品的性能已经能够接近或达到国际先进水 平，开始慢慢走向国际市场。目前微滤膜在众多膜过滤产品中是应用最为广泛 的，并且微滤膜具有操作简单、节能高效等特点，现已被应用于食品、化工、 制药等多个领域【8 5 1 。 1 6 2 微滤膜在微污染水处理中的应用 随着水体的污染不断加重，而与此相对应的是人类对饮用水的要求越来越 高，传统的饮用水处理工艺在当前的河流水质下已经很难满足需求，急需发展 新的饮用水处理新技术。微滤膜良好的截留效果以及对占地面积需求小等特点， 使得微滤膜在水处理中的应用研究变得很有现实意义，成为了最具潜力的水处 理技术之一。 9 第一章绪论 宋亚丽等【8 6 】通过使用p v d f 材质的微滤膜结合氧化混凝预处理来处理黄浦 江水，实验结果表明，经过该组合处理后出水水质较好，且不同的p h 、预处理 工艺以及反冲洗的加氯量都对膜压差的增加有影响。在长期运行后，通过加药 剂清洗后，膜通量的恢复情况很好。 赵海鹏等【8 玎通过对次氯酸钠与m f ( 一体式) 联用处理微污染水的研究，通 过采取不同投加量的次氯酸钠确定最佳的投加量，通过测定色度、浊度、高锰 酸盐指数等指标，结果表明当投加量为10 m g l 时最合理。 胡红梅等【8 8 j 通过研究认为单独使用微滤膜对水中有机物的去除率较低，通 过采用预氧化做前处理可以提高有污染物的去除效果，通过采用高锰酸钾预氧 化微滤组合工艺处理微污染水，实验结果如下：出水的浊度均小于o 1 n t u ，对 f e 有9 7 以上的去除率，高锰酸盐指数等均有较好的去除率。 任秉雄【8 9 j 采取预氧化微滤组合工艺处理三家店水库水，预氧化剂采用聚合 硫酸铁及h 2 0 2 ，实验结果表明该组合工艺处理后出水浊度在1n t u 以下，有机 污染物去除率在2 5 - 3 0 之间；叶绿素a 的去除率可以达到9 7 以上。 1 7 实验研究的内容及目的 1 7 1 实验研究的内容 本文主要通过实验为自主研发的管式p v a 微滤膜应用在微污染水的处理中 提供基数数据，研究采用不同的预处理方式及预处理微滤膜组合工艺对微污染 水的进行处理，通过对氨氮、浊度、u v 2 5 4 以及膜通量等指标进行检测，分析各 种预处理及膜组合工艺对微污染水处理的效果，以及不同的反冲洗方式对膜通 量恢复的影响，详细内容如下所述： ( 1 ) 预处理实验：通过预处理实验在综合考虑氨氮、浊度、u v 2 5 4 的去除 率的基础上，确定三种不同的预处理( 混凝、氧化混凝、粉末活性炭吸附) 的 最合理投加量。 ( 2 ) 预处理微滤膜组合实验：通过前面的预处理实验确定的最佳投加量， 通过预处理微滤膜组合工艺，考察微污染水经过处理后的出水效果，并且对比 三种组合方式以及膜直接过滤之间的处理效果。得出适合p v a 微滤膜处理微污 染水最佳的预处理方式。 ( 3 ) 膜污染与膜清洗实验：通过采用不同的反冲洗方法考察适合p v a 微滤 1 0 第一章绪论 膜的最佳清洗方法。 1 7 2 创新之处 ( 1 ) 本次实验以自主研发的p v a 管式微滤膜为研究对象，通过采用不同的 预处理方式与之联用，来考察各种不同的预处理对p v a 微滤膜去除污染物的影 响，分析各种预处理微滤膜组合工艺的优缺点，考察其用于处理微污染水的可 行性。由于p v a 管式微滤膜相比其他微滤膜具有亲水性强、耐污性强以及膜通 量特别大等优点，因此在处理微污染水方面，研究对其最适合的预处理方法有 重大的意义。 ( 2 ) 研究不同的膜清洗方式对p v a 管式微滤膜通量的恢复情况，为自主研 发的p v a 管式微滤膜的实际应用提供膜清洗方面的基础数据。 第二章实验装置与实验方法 第二章实验装置与实验方法 本部分主要介绍了实验过程中所用到的主要的材料、药品、仪器设备等， 以及预处理一微滤膜组合工艺的装置流程，同时对各项水质指标的检测方法也做 了详细的介绍。 2 1 实验材料与仪器 2 1 1p v a 微滤膜 本次实验所采用的膜为自主研发的p v a 微滤膜，利用反应相分离法制备而 成，我国是聚乙烯醇高分子材料的生产大国，p v a 的规格与种类都非常的齐全、 并且具有低廉的价格。过去p v a 经常被用来做复合膜的表面涂层，起到保护作 用。但鉴于该材质亲水性及耐污染的特点，开发p v a 材料膜可进一步的扩大p v a 高分子材料的品种与使用范围，因此，研究与开发耐污染性强、亲水性好的p v a 微滤膜，将其应用于处理微污染水，具有非常重要的实用价值和推广价值。p v a 微滤膜具有强度较高、亲水性好、膜通量大、抗压抗磨性能强等优点。本次试 验采用的p v a 微滤膜基本参数详见表2 1 。 表2 1p v a 微滤膜的基本参数 t a b l e2 1t h eb a s i cp a r a m e t e r so fp v am i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e 基本参数指标 材质 膜内径 膜外径 过滤的精度 膜的面积 长度 工作压力 膜过滤的方式 膜组件的类型 泵最大流量 聚乙烯醇 2 5 毫米 4 2 毫米 0 2 微米 约9 0 0 c m 2 根 约7 0 c m 茎1 0 m p a 内压式 浸没式 s 1 5 m 。h 微滤膜组件见图2 1 。 1 2 第二章实验装