（环境科学与工程专业论文）tss对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w a s t e w a t e rf r o mi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e i n c r e a s e sg r e a t l y t h e r ea r em a n yk i n d so fs u s p e n d e ds u b s t a n c ei nw a s t e w a t e r t h e s es u s p e n d e dp a r t i c l e sa r ed i s c h a r g e di n t or i v e r sa n dl a k e st o g e t h e rw i t hw a s t e w a t e r , a n dp o l l u t el o t so fw a t e rs o u r c e s b e s i d e st h i s ，s sh a san e g a t i v ei n f l u e n c eo nas y s t e m o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i c hl e a d st oc r i t i c a l n o n c o n f o r m i t yo ft r e a t e dw a t e ro r e q u i p m e n tm a l f u n c t i o n i nr e s e a r c h e so fb a l l a s tw a t e rt r e a t m e n t ，t h em a i nm e t h o d sf o rs ss e p a r a t i o ni n c l u d e h y d r o c y c l o n e ，f l o t a t i o n , f i l t r a t i o na n de t c c a n d i d a t e sf o rs o l i d l i q u i ds e p a r a t i o ni n b a l l a s tw a t e rt r e a t m e n ts h o u l db en o to n l ye f f e c t i v eb u ta l s or e l i a b l e i np r e l i m i n a r y w o r k s ，a l lk i n d so fs o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o nm e t h o d sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l e d ，a n d f i l t r a t i o nw a sa d o p t e df i n a l l y a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fs i m u l a t e db a l l a s tw a t e r t r e a t m e n tw a se s t a b l i s h e di nt h el a b i nt h es y s t e m ，m i c r o - p o r ec e r a m i cf i l t e r ( m p c f ) 、析t 1 1w a l l f l o ws t r u c t u r ew a st a k e na sap r i m a r ym e t h o df o rf i l t r a t i o n c o m p a r i n gw i t h o t h e rf i l t e r , m p c fh a st h ea d v a n t a g e so fs m a l l e rs p a c e ，l a r g e re f f e c t i v ef i l t e r i n ga r e a , c o r r o s i o nr e s i s t i n ga n de t c ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rb a l l a s tw a t e rt r e a t r n e n l i np r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s ，b e c a u s et h ec o n c e n t r a t i o no ft s s ( t 0 t a ls u s p e n d e d s o l i d s ) i nn a t i v es e a w a t e rw a sl e s st h a n5 0 m g lw h i c hi sr e q u i r e di ng 8 ( g u i d e l i n e sf o r a p p r o v a lo fb a l l a s tw a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，s sw e r ea d d e di n t on a t i v e s e a w a t e rt o s i m u l a t et h et e s t e dw a t e r c a l c i u m - b a s e do r g a n i cb e n t o n i t e 、j l ，i t lt h es i z eo f2 0 0m e s h e s w a ss e l e c t e da st h es i m u l a t e ds s i nb e n c h s c a l ee x p e r i m e n t , w i t ht h ef i l t e ro ft h e e f f e c t i v ev o l u m e6 l ，t h ed o s a g eo fa d d i t i v es si s110 m gi np e r1ls e a w a t e r , a n dt h e o p t i m a lf l o wr a t ei s5 m h i nm e d i u m s c a l ee x p e r i m e n t , w i t ht h ef i l t e ro ft h ee f f e c t i v e v o l u m e2 0 l ，t h ed o s a g eo fa d d i t i v es si s7 0 r a g ，a n dt h eo p t i m a lf l o wr a t ei s16 m h i nt h i st h e s i s ，t h em a i nw o r ki st oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h e m p c f ，d i s c u s st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np r e s s u r el o s sa n dv o l u m eo ft r e a t e dw a t e r , a n d a n a l y z et h el i f es p a no ft h ef i l t e r s a m p l et h es e a w a t e rb e f o r et h et r e a t m e n t ，b e f o r et h e f i l t r a t i o na n da f t e rt h ef i l t r a t i o nd u r i n ge x p e r i m e n t sr e s p e c t i v e l y , t e s tt h ec o n c e n t r a t i o n o fs s d e t e r m i n et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ef i l t e r , a n do b t a i nt h ee f f e c to f s so nt h ef i l t e r 毯w e l l 英文摘要 i nt h ee x p e r i m e n t s ，b o t hb e n c h s c a l et e s ta n dm e d i u m s c a l et e s ts h o wt h a tt h e p r e s s u r el o s si n c r e a s e sw i t ht h ea c c u m u l a t e dv o l u m eo fs e a w a t e r , a n dt h eg r e a t e rt h e t r e a t e df l o wr a t e ，t h eh i g h e rt h ep r e s s u r el o s sb e i nb e n c h - s c a l ee x p e r i m e n t ，t h ef l o w r a t ei s2 5 m h , t h et h r e s h o l dv a l u eo ft h ep r e s s u r el o s si so 5 8 m p a , t h ea c c u m u l a t e d v o l u m eo ft r e a t e ds e a w a t e ri s5 4 m 3 ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft s si s5 8 i n m e d i u m s c a l ee x p e r i m e n t ，t h ef l o wr a t ei s16 m 3 h , t h et h r e s h o l dv a l u eo ft h ep r e s s u r e l o s si s0 2 m p a , t h ea c c u m u l a t e dv o l u m eo ft r e a t e ds e a w a t e rr e a c h e s8 5 m 3a f t e r5 3 h c o n t i n u o u sr u n n i n g ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft h ep r i m a r ys c r e e nf i l t e ro nt s si s3 0 ， a n dt h em p c fr e m o v e st h er e s t e ds sw i t ht h er e m o v a lr a t e so f12 n l ew a t e rb a e k w a s h i n gi su t i l i z e df o rt h er e g e n e r a t i o no ft h em p c f , a n d9 6 p r e s s u r el o s so f b o t hi nb e n c h - s c a l e t e s ta n di nm e d i u m s c a l et e s ti sr e c o v e r e dw i t hl e s s t h a nlmw a t e r i no r d e rt os t u d yt h es i m u l a t e ds si nd e t a i l e d ，as c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) i su s e di nt h et e s t a n a l y z i n gt h es i z ea n dt h es h a p eo ft h es sb e f o r e a n da f t e rt h ef i l t r a t i o na n dc o u n t i n gt h ep a r t i c l e sw i t l ld i f f e r e n td i a m e t e r , t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es i m u l a t e ds si si r r e g u l a rs h a p e ，t h es sw i t ht h ed i a m e t e ro fl e s st h a n 2 0 1 m aa c c o u n tf o r7 0 t h em p c fh a sa l lo b v i o u se f f e c to nr e m o v i n gs s 、柝t l lt h e d i a m e t e ro fl e s st h a n7 5 岬，a n dr e m o v e ss sw i t ht h ed i a m e t e ro fg r e a t e rt h a nl0 0 1 x m e f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：t s s ；m i c r o f i l t r a t i o n ；p r e s s u r el o s s ；b a c k w a s h i n g ；s sd i a m e t e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：! s 墨砬邀丑过滤压损彪蛔及遗莶豆生班宜：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：煮熟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名： t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 第1 章绪论 1 1 水体中悬浮物来源及危害 1 1 1 悬浮物来源 水体中的悬浮物( s s ) 即总可滤残渣，是指悬浮在水中，不能通过孔径为0 4 5 1 a m 的滤膜，截留在滤器上并于1 0 3 ( 2 1 0 5 c 烘干至恒重的固体物质【l 】，包括不溶于水 的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。在紊动的水流中，悬浮物能悬浮于 水中，但这种悬浮是有条件的和暂时的，一旦维持悬浮的条件( 水的紊动) 消失， 它就会从水中分离出来，比重大于l 的沉入水底，小于1 的浮于水面，前者叫做 沉降性悬浮物，后者叫做漂浮性悬浮物【2 1 。悬浮物是造成水体浑浊的主要原因，水 体中的有机悬浮物沉积后易厌氧发酵、变质，使水质恶化，更重要的是它会与水 体中的微量污染物，也是最重要的污染物如重金属、农药、氮磷化合物等相结合 成为其载体。因此，水中悬浮物的含量是衡量水体被污染程度的指标之一，中国污 水综合排放标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 分为三级，分别针对不同行业规定了污水和废水中 悬浮物的最高允许排放浓度1 3 1 ，详见表1 1 。 表1 1 中国污水综合排放标准( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) s s 最高允许排放浓度 ( 1 9 9 8 年1 月1 日后建设的单位)单位：m g l t a b 1 1c h i n e s ei n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d s ( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) s sm a x i m u ma l l o w a b l ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o n ( f o ro r g a n i z a t i o n sb u i l ta t t e r1s tj a n u a r y19 9 8 ) u n i t ：m g l 第1 章绪论 水体中悬浮颗粒物的来源有两种。一种是自然过程，例如初降暴雨所携带的 地表的各种悬浮颗粒物，水中微生物代谢以及其死亡遗留物，还有水流对地表及河 床冲刷所携带的泥沙和腐殖质等等。另一种是人为原因造成的，如排放含有大量 悬浮物的工业废水、农业污水以及生活污水等【4 】。 工业废水中的悬浮物主要包括煤灰、焦炭颗粒、木质素、细小纤维等。在工 业领域，悬浮物广泛存在于各个行业中，造纸、皮革、冲渣、选矿、湿法粉碎和 喷淋除尘等工艺操作中都会产生大量含有无机、有机悬浮物的废水。任何使用化 石燃料的行业也会由于燃料的燃烧产生大量的悬浮颗粒物【5 1 。因此，悬浮物浓度的 高低将直接反映工业废水的治理净化程度。 农业生产过程中产生的悬浮物，主要来自于被雨水冲刷的泥土，这些泥土本 身对水体污染并不严重，但近年来，随着农药及化肥使用量的增加，吸附和沉积 在土壤上的农药和化肥量也在增加，这些物质随泥土进入水体后，会对水体及水 生生物造成严重污染。 1 1 2 悬浮物危害 来自于工农业的废水都会对饮用水、地表水造成污染，危害人类健康，影响 经济发展。 生活饮用水水质与人类的健康息息相关，合格并富含微量元素的饮用水，可 降低人患各种疾病的风险；相反，受到有毒有害物质污染的饮用水会对人体产生 严重危害。某些有致癌作用的化学物质，如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并( a ) 氏和 其他多环芳烃进入水体后，可在水中悬浮物、底泥和水生生物体内蓄积。长期饮 用这类水质或食用这类生物可能诱发癌症 6 1 。 悬浮物浓度是水环境评价的重要参数。湖水中悬浮物的多少决定了水体透明 度的大小，进而决定了太阳光照在水下的分布和浮游植物获得光照的多少，最终决 定了水体的初级生产力。悬浮物过多，会使水体浑浊，降低透明度，影响水生植 物的光合代谢率，降低水体含氧量，影响水生生物的呼吸和代谢，甚至造成鱼类 等窒息死亡。悬浮物多时，还可能造成河道阻塞，对下游居民的生命安全造成威 胁【7 8 1 。此外，排入水体的重金属等污染物大部分迅速由水相转入固相，即迅速转 一2 一 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 移至悬浮物和沉积物中，在受重金属污染的水体中，水相中重金属的含量为微量， 约是十亿分之一级，但在沉积物中重金属很容易积累，可达到百万分之一级 9 1 。这 些毒性物质通过食物链或通过周围媒介富集到生物体内，并通过食物链的生物放 大作用达到中毒浓度，也就是生物累积作用。以1 9 6 0 年代以后曾在绿色革命中崭 露头角的农药d d t 为例，该类有机氯农药虽然在后来一系列的环保运动中已逐渐 被人们禁止使用于农田土壤中，但是当初大规模使用的遗祸却仍然还在，并继续 危害生态环境。以海水环境来说，一地海水环境的d d t 含量平均值约为十万分之 三p p m ( m g l ) ，到了浮游生物体内则到达0 0 4 p p m ，小鱼的d d t 含量为o 5 p p m ， 而大鱼的d d t 含量为2 p p m ，到了老鹰体内的d d t 可高达2 5 p p m ，高量的d d t 可让老鹰的生殖系统出问题，并让其蛋壳变薄，影响幼鸟孵化。许多能够造成生 物累积作用的毒性化学物质通常又都是一些不易为生物分解或生物转化的物质， 有些甚至还伴随有致肿瘤、致生育能力受损与遗传因子病变等问题。加上这些有 毒物质彼此之间的交互作用，这对于生物的影响绝非仅仅一代，而是数代【lo 】。 悬浮物进入水体后，吸附水中的重金属、有机毒物、农药等，这些废水如不 经处理直接排放，会对水源、养殖业用水、工农业用水造成严重污染，特别是对 水生生物体造成危害；如生物体内酶的活性降低、引起生物畸变和激素分泌紊乱 等，这危害已经在实际调查中得到证实，如g u i l l e t t e 等人1 9 9 5 年发现在美国弗 罗里达州的两条河的河道中的许多地方发现了雄性化的雌性鱼，由于发生在造纸 厂的下游，所以这种现象被怀疑是与该工厂排放的废水有关。纸浆生产过程中产 生的废水主要成分为天然油，而天然油中含有3 左右的植物荷尔蒙，其中谷甾醇 和豆甾烷醇占8 5 。后来用谷甾醇和豆甾烷醇作鱼的暴露试验同样也发现了鱼的 雄性化现象，从而证实了当初的怀疑【1 1 】。生活在悬浮物浓度为2 0 0 m g l 和4 0 0 m g l 水中的半滑舌鳎幼鱼较之生活在悬浮物浓度为5 0 m e d l 和1 0 0 m g l 水中的幼鱼，肝 脏l s z 活力抑制率为1 7 6 0 旷3 5 2 ，造成幼鱼机体免疫力下降【1 2 】。对于对悬浮物 浓度较为敏感的虾夷扇贝，当悬浮物浓度大于1 0 2 8 9 l 时，前五天扇贝的死亡率 保持在7 ，第六天会增加至1 0 ，死亡率明显上升1 1 3 】。 一3 一 第1 章绪论 天然水体中含有大量的悬浮物质，特别是河流及河口中。据统计，全世界每 年由河流向海洋输送的悬浮物质大约有1 8 3 x 1 0 1 6 9 ，约8 k i n 3 1 1 4 1 ，这些有毒的悬浮 物除对近海生物造成严重危害外，还会对船舶取用及处理压载水造成不便，当船 舶从海洋中抽取压载水时，这些悬浮物就会随水流一起进入压载舱，造成管道和 抽水设备堵塞和磨损，污染压载水舱【”】；对于压载水处理环节，大颗粒悬浮物可 能会影响处理设施的运行，并对处理效果造成影响，例如在采用微孔过滤与紫外 辐射相结合处理压载水的试验中，悬浮物的存在会对过滤效果造成影响，悬浮物 越多越容易堵塞滤芯，压力升高越快，过滤效果越差，滤芯的使用寿命越短。如 果过滤不完全，滤后水中的悬浮物含量仍很高，那么紫外光在水体中传播的距离 就会减小，明显影响处理效果。因此，悬浮物的去除对压载水处理具有重要意义。 1 2 船舶压载水及其处理方法简述 1 2 1 船舶压载水简述 船舶压载水是指为控制船舶纵倾、横倾、吃水、+ 稳性或应力而在船上加装的 水及其悬浮物【1 6 1 。在船舶空载的情况下，压载水可确保船舶的正确重心和必要的 平衡和稳性【1 7 1 。压载水的使用保证了船舶航行的安全性，但却因此造成了一系列 环境污染事件。压载水本身是无害的，压载水造成污染主要是由于它所携带的生 物物种，包括海洋植物、小型无脊椎动物及其卵和幼虫、细菌和其他微生物等。 据估计全球所有海上运输船舶所携带的压载水量约为1 2 0 亿吨年；每天存在于船 舶压载水中随船周游世界的生物达7 0 0 0 种【1 8 】。这些生物在随压载水由一个海域转 移到另一海域的过程中，大多数生物在航行中和排入新的环境后死亡，但仍然有 许多种细菌和水生生物能够存活于被排放水域中，其中某些生物可能会给当地造 成灾害性后果，如外来生物入侵，细菌和病毒的传播等，因此，有必要在压载水 排入另一领域之前对其进行处理。 压载水处理技术主要是为了防止外来水生生物的引入，如细菌、病毒、藻类、 原生生物、软体动物和鱼类等【1 9 1 。目前采用的压载水处理技术多为深海置换，这 种方法是利用深海中生物较少，而且大多不能在近海生存的原理减小压载水造成 的污染，但近年来，这种方法的局限性逐渐暴露出来。首先是安全问题，深海置 一4 一 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 换很大程度上受天气、海况等情况的影响，并且要严格监控船体受到的冲击、震 动以及压载舱超压等问题；其次，这种方法装载的压载水中仍有少量生物存活， 一些海域已经暴露了由此带来的外来生物入侵问题【2 0 】。因此，这是一种不完善的 处理方法，是一种暂时手段，压载水处理需要一种更有效的方法来满足海洋环境 保护的需要。随着2 0 0 4 年2 月1 3 日国际船舶压载水及沉积物控制与管理公约 的颁布，国际海事组织( i m o ) 对船舶压载水的处理系统及排放标准提出了明确要 求，极大地促进了压载水处理技术的发展。 1 2 2 船舶压载水处理方法及特点 目前至少有2 5 种船舶压载水的处理方法，但是船舶作为一个特殊的水处理场 所，有其自身特点，即要求处理设备占地面积要小，能够在短时间内处理大量压 载水，并要求有效地去除浮游生物、细菌及病毒，经过美国国家研究委员会的评 估，最终认定没有一种单一的处理技术既适用于所有船舶【2 1 1 ，又能满足i m o 提出 的五项标准，即使用安全、操作可行、成本合理、环境可接受、处理有效性，因 此，船舶压载水处理技术需要两种或两种以上的技术相结合，处理过程大至分为 两步：固液分离和消毒1 2 2 1 。在一级处理阶段使用的各种方法中，旋流离心分离和 过滤法应用最多，o p t i m a r 压载水系统中就利用m i c r o k i l l 旋流分离过滤技术去除 大颗粒物质【矧。研究表明，旋流离心分离在去除悬浮固体颗粒物方面较为有效， 但是在去除接近或轻于海水比重的有机体时则失去了效用【2 牝5 1 。过滤法经过实验 论证被认为是处理压载水方面最有前途的方法之_ 2 6 1 ，它是纯机械方法，不会受 到海水比重的限制，无环境污染问题，技术相对成熟，目前已经有多种过滤方法 被尝试用于压载水处理方面，刮如网式过滤器，过滤棉，膜过滤，碎橡胶渣过滤 等【2 7 _ 2 9 】。二级处理的主要目的是杀灭浮游生物、细菌和病毒，相对于其它方法， 紫外辐射杀菌法运行简单、维护成本低，无需添加化学药品，不产生二次污染， 消毒过程中不会产生对人体有害的物质，是杀菌消毒的理想方法。分析现有的联 合处理技术可以发现，过滤法与紫外法结合的研究频率最高，而且这两种方法被 评估为“收益费用 比值最高的两种方法【3 0 1 。 主管机关或其指定机构评价压载水管理系统是否满足( 2 0 0 4 年国际船舶压载 第1 章绪论 水和沉积物控制与管理公约( 以下简称“公约 ) 第d 2 条规定标准的主要依 据是关于压载水管理系统认可的导则( g 8 ) ，该导则的目的是为压载水处理系统 性能的评估建立一个整体的框架，包括根据第d 4 条规定进行原型系统的船上测 试评估，完全符合公约要求的压载水管理系统及相关系统的认可，以及港口国监 督的取样符合公约第9 条规定。 该导则对压载水处理系统的岸基测试提出了要求【3 1 】： 至少完成5 个有效的测试循环。每个测试循环应至少5 天。岸基测试循环应 包括：1 ) 用泵加装压载水；2 ) 压载水至少储存5 天；3 ) 用压载水管理系统处理 除控制舱以外的压载水；4 ) 用泵排放压载水。 岸基测试设计进口和出口标准：对于任意的测试循环系列( 5 个重复的测试循 环被视为一个系列) 应选择一定的盐度范围。对于给定的盐度，前述测试装置所 使用的测试用水应含有下述溶解物和微粒，如表1 2 。 表1 2 测试用水要求 t a b 1 2t e s tw a t e rr e q u i r e m e n t s 压载水处理装置在试验用水含有上述物质的条件下，应能正常工作运转，并 有效杀灭微生物。在过滤与紫外相结合的处理方法中，过滤作为一级处理手段， 主要是去除较大颗粒悬浮物，而浮游动植物、细菌及病毒的杀灭率则主要取决于 紫外辐射，如果水中存在大量的悬浮颗粒物，水体混浊，透光度就会相应降低， 紫外线传播距离就会减少，大大降低消毒效率，影响出水水质。因此，悬浮颗粒 物去除的是否彻底直接关系到试验装置的处理效果。另外，过多悬浮颗粒物还会 加重管道堵塞和抽水设备的磨损，加剧压载水舱的腐蚀，增加压载水舱清洗和维 一6 一 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 护费用，对那些装载大宗货物的船只，吃水或排水量受到严格限制，清理出一吨 悬浮颗粒物，船舶的载货能力便可增加一吨，这一点直接对经济效益产生影响【3 2 1 。 1 3 悬浮物去除 水处理按处理任务的不同，分为三级。级处理又称为机械处理，主要任务 是采用物理分离方法去除废水中的漂浮物和悬浮物。二级处理又称生化处理，主 要任务是采用生物、化学等方法处理废水中呈溶解态和胶体态的有机污染物。三 级处理，主要任务是进一步去除二级处理未能去除的污染物，以满足更严格的废 水排放或回用的要求【3 3 1 。悬浮物的去除属于一级处理，用于一级处理的方法有很 多种，包括旋流分离、浮选、沉淀、过滤等。 1 3 1 悬浮物去除方法 ( 1 ) 旋流分离 旋流分离是利用水流在管路中高速流动产生的离心作用，使需要被分离的液 体切向进入分离单元，形成一股环流，靠离心作用将液体的水和固体的悬浮物分 离开【3 4 】。旋流分离占地面积小，分离效率高，无易受损原件，是一种新兴的水处 理技术，它的基本工作原理是离心沉降作用。当待分离的两相混合液以二定的压 力从旋流器上部周边切向进入分离器后，会产生强烈的旋转运动，由于固液两相 之间存在的密度差，二者受到的离心力、向心浮力和流体曳力都不相同，最终， 较重的固体颗粒经旋流器底流口排出，而大部分清液则经过溢流口排出，从而实 现分离的目的。在整个分离过程中，固体颗粒的粒径对旋流分离器的分离效果有 很大影响【3 5 1 ，较粗及较细颗粒均得不到较好的分离效果。目前已有o p t i m a r 旋流分 离器应用于豪华公主号上，以2 0 0 m 3 m 的流量分离粒径大于4 0 呻的微生物。目前大 连海事大学也在进行旋流分离处理船舶压载水的研究工作，已建立了旋流分离的 数学模型，对旋流分离的紊流模式进行了研究，完成了旋流分离流场的数值模拟 计算，正在进行旋流分离的性能指标分析，还有影响旋流分离效率的因素分析、 旋流分离的数值模拟实验及对比分析、旋流分离装置的优化设计、旋流分离的实 测实验及分析等工作需要进行 3 6 1 。因此，这项技术要适用于所有船舶压载水处理 系统还需进一步研究完善。 第1 章绪论 ( 2 ) 浮选 浮选即泡沫浮选，是很独特的液固气三相分离方法。它是依据各种物料表面 性质的差异，在浮选剂的作用下，借助于气泡的浮力，从物料悬浊液中分选物料 的过程 3 7 1 。浮选过程从宏观看是一个物理过程，其实质是实现物料分离；从微观 看，浮选过程中发生的是一系列物理的、化学的及物理化学过程【3 羽。使用这种方 法分离的物料与物料密度无关，主要取决于其表面性质的差异，能浮出液面的物 质对空气的表面亲和力比对水的表面亲和力大。浮选过程最基本的行为是浮选的 物料颗粒吸附于气泡，在浮选过程中，颗粒附着于气泡上主要经历颗粒与气泡相 互接近和接触，颗粒与气泡之间的水化膜变薄和破裂，以及颗粒克服了脱落力的 影响附着在气泡上三个阶段【3 引。浮选是一个复杂的物理化学过程，很多因素都会 对结果产生影响，包括颗粒的性质、浮选药剂的作用、浮选机的工作性能及固液 气三相在浮选过程中的碰撞一附着一脱落的重复变化过程等【3 9 j ，目前很少采用这 种手段处理压载水。 ( 3 ) 沉淀 沉淀是利用液体和杂质密度不同，在重力作用下，达到自然分离的一种方法。 一个沉淀设备的生产能力，也就是单位时间内处理悬浮液体的量取决于沉淀时间， 沉淀时间的长短直接影响到出水水质，沉淀时间过短，水体中的颗粒物含量较高， 水质较差；沉淀时间过长，虽然出水水质好，但工程上需要增加占地面积和基建 投资1 4 0 1 。沉淀时间主要取决于悬浮颗粒物的粒径和密度。悬浮物种类繁多，组成 复杂，一般情况下悬浮颗粒物的粒径是无法预先知道的，那么便不能计算得到沉 淀速度和所需要的沉淀时间，因此这种方法只适用于处理来源相对稳定的水体， 船舶压载水的水体组分随船舶所停靠的港口而定，不同港口的悬浮颗粒物大小各 不相同，利用沉淀处理有一定难度。目前有实验室使用絮凝与沉淀相结合的办法 处理天然海水模拟压载水，有机黏土用量为0 1 0 9 l 时，可去除海水中1 0 0 的细菌 以及8 5 的浮游植物，对原生动物也有很强的杀灭效果，但还有待于进一步深入研 究【4 。 ( 4 ) 过滤 一8 一 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 过滤是分离液体和气体非匀相混合物的常用方法，其基本过程是混合物中的 流体在推动力( 重力、压力、离心力等) 的作用下通过过滤介质时，流体中的固体 颗粒被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒的分离【4 2 1 。过滤操作广 泛用于各种化工生产行业中，无论是选矿、冶金、煤矿浮选、石油化工、医药食 品还是环保领域，过滤都是一种重要的技术手段。过滤是一种纯物理处理方法， 适用于各种水体，不会造成二次污染，通过选择合适的网目，可以有效的去除不 同的过滤对象。在众多方法中，过滤法处理压载水的有效性和可靠性是最好的【4 3 1 ， 且设备占地面积小，安全简便，运行费用低。由a l f a l a v a l 公司与w a l l e n i u sw a t e r a b 公司联合研制并于2 0 0 6 年1 2 月正式推出的p u r e b a l l a s t 压载水处理系统就是使用 孔径5 0 p r o 的过滤器去除水中大于5 0 p m 的水生生物和压载舱中积聚的沉淀物，该 系统已于2 0 0 7 年7 月获得i m o 活性物质最终审核( a c t i v es u b s t a n c ef i n a l a p p r o v a l ) m 。 1 3 2 过滤原理及分类 过滤是利用过滤介质将固体和液体分离的操作单元，其原理是在压力差的作 用下，悬浮液中的液体透过可渗性介质，固体颗粒为介质所截留，从而实现液体 和固体的分离。过滤机理主要有以下几种【4 5 1 。 ( 1 ) 直接拦截机理。悬浮液中的微粒在无外力作用下时，将随流体一起流动， 当微粒接近过滤介质表面时，大于介质孔隙直径的颗粒就被拦截下来。介质的这 种作用称为筛分作用。 ( 2 ) 惯性沉积机理。流体中的固体颗粒随流体运动，当到达过滤介质的孔隙时， 流体发生绕流而颗粒因惯性作用被孔壁截留下来，沉积到介质上。 ( 3 ) 扩散沉积机理。微细粒子在流体中会发生布朗运动，从而使其运动轨迹偏 离流体的流线而撞击到孔壁上被捕集。 ( 4 ) 静电沉积机理。当固体颗粒和过滤介质带有电荷时，电荷之间的作用会改 变微粒的运动轨迹及其在介质表面的沉积情况，使微粒沉积到介质上。 一9 一 第1 章绪论 ( 5 ) 重力沉积机理。固体颗粒在重力的作用下具有一定的沉降速度。因此，颗 粒会偏离流体的流线而被阻拦。在几种机理的联合作用下，滤除尺寸比过滤元件 尺寸大的微粒时效率在9 5 0 0 , - , 9 8 之间，此外，部分较小的颗粒也能够被滤除。 根据过滤机理的不同，可将过滤分为滤饼过滤和澄清过滤两大类，见图1 1 m 1 。 图1 1 过滤分类 f i g 1 1s o r t so ff i l t r a t i o n 一1 0 一 滤 滤 滤 滤 换 滤墟 ；| 耋 麟 蹴 | | 量 娥 撇| | 萋 旨。 流 速 物 附 子 式式 隧；。 掀 撇 | | | 燃 楸 僦嗽 雠睾透戌。h=_i卜、_=rl喵细飙舭胎 滤滤 ，_，滤 ；| ；删 渺厂一y l 滤删 滤滤滤滤 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 滤饼过滤又称为表面过滤，包括真空过滤、离心过滤、加压过滤、压榨过滤 等。其原理是采用滤孔直径小于固体颗粒粒径的过滤介质( 如织物、多孔固体等) ， 液体流过过滤介质时，这些固体颗粒被截留，并在其表面逐渐累积成滤饼，此时 沉积的滤饼亦可以起到过滤作用。当过滤介质的孔大于颗粒物粒径时，过滤初期 小颗粒可能会进入过滤介质孔道内，但随着过滤的进行，细小颗粒会在过滤介质 的孔道内发生架桥，从而形成滤饼，其后，逐渐增厚的滤饼层成为真正有效的过 滤介质【4 2 】。滤饼过滤的主要操作目的是对悬浮液进行浓缩和固体回收，适用于悬 浮液中颗粒物质量分数在1 以上，粒子粒径在1 岬以上的液体。 澄清过滤，包括颗粒层过滤( 深层过滤) 、直接过滤、膜过滤、电磁过滤、 助滤剂过滤等。其原理包括以下几点【4 5 】： ( 1 ) 筛分作用。筛分作用是收集固体粒子最简单的机理。当筛网空隙比固体粒 子直径小时，就会产生筛分作用。 ( 2 ) 重力沉降。当悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒将由于重力沉降作用沉降 到介质表面。 ( 3 ) 拦截。当流线通过介质颗粒的周边时，如果流线束距过滤介质表面的距离 小于悬浮粒子的直径，那么对于此流线束内的悬浮粒子，就会与介质相接触，与 液体分离开来，此种输送现象称为拦截。 ( 4 ) 惯性碰撞。借助悬浮粒子与介质颗粒的惯性碰撞，来捕捉固体颗粒，具体 机理如下：当悬浮液通过介质内部的回曲流道时，若是悬浮粒子与液体之间的密 度差很大，那么悬浮粒子在惯性的作用下，将不随流线方向的改变而改变自己的 运动方向，而是与过滤介质相碰撞，直至被捕捉。 ( 5 ) 扩散。悬浮粒子因受到其周围做热运动的液体分子的碰撞，而获得足够的 能量进行布朗运动。连续的碰撞使悬浮粒子有机会靠近介质表面，直至被捕捉， 普遍认为：粒子扩散作用仅适用于直径小于l g m 的粒子。 ( 6 ) 流体动力干涉。在流线中，悬浮粒子被看成是流线之间的漫游物，由于粒 子覆盖了几个不同的流线，流线密度的不同造成粒子上的剪切力的不同，引起了 粒子的打转，导致粒子的迁移，这种作用类似于扩散。 第1 章绪论 ( 7 ) 静电吸引。如果给固液分散系( 悬浮液) 或者液液分散系( 乳状液) 施加 电场，则分散粒子便向阴极或阳极移动，究竟向哪一极移动，取决于粒子上是带 正电荷还是负电荷。 ( 8 ) 范德华力。在中性的、化学饱和的分子之间，存在着吸引力，此吸引力与 离子吸引和电吸引无关，称为范德华力，只有当相邻两粒子之间的距离极近时， 范德华力才能体现。 澄清过滤主要适用于过滤质量分数在几百万分之一至0 0 1 之间的悬浮液，目 的在于获得澄清液。对于体积质量分数在0 0 1 0 旷1 之间的悬浮液，应分两种情况 来选择过滤类型：如果溶液质量分数接近1 ，则应先将悬浮液进行浓缩，然后进 行滤饼过滤；如果悬浮液质量分数接近0 0 1 ，则应先进行沉淀澄清，然后进行澄 清过滤【矧。 1 4 论文选题 1 4 1 课题提出 随着经济的快速发展，来自于工农业的废水大量增加，这些废水来自于各行 各业，含有泥沙、纤维、焦炭颗粒、腐殖质等多种悬浮颗粒物j 这些悬浮颗粒物 随废水的排放进入江河湖海，而河流、湖泊、海洋正是人类的主要水源，由此可 见，包括饮用水、地表水、船舶压载水在内的各种生活生产用水均受到了悬浮颗 粒物的污染，威胁到人类健康和生产发展。此外，悬浮颗粒物的存在还会对水处 理装置的运行造成影响，轻则造成处理后的水体不能达标排放，重则导致处理装 置无法正常运行。 目前，用于悬浮物分离的方法主要有旋流分离、浮选、沉淀、过滤等。适用 于本试验的固液分离方法应该既能有效地实现固液分离，又能适用于处理船舶压 载水，通过前期实验中对各种分离方法的研究比较和分析，最终决定采用过滤法。 过滤是一种纯物理方法，绿色环保，运行方式灵活，适用于各种水体，另外，在 众多的压载水处理方法中，过滤法经过实验论证被认为是压载水处理技术中最有 前途的方法之_ 2 6 1 ，同时也是“收益费用”比值最高的方法之一【3 0 l 。但是，目前 应用于船舶压载水处理的过滤技术很难同时满足操作简单、费用低廉、去除效率 t s s 对微孔过滤压损影响及滤芯再生研究 高、阻力小、反冲洗方便等要求。针对过滤法在以往压载水处理过程中表现出的 不足，本实验室提出了一种新型的微孔陶瓷过滤技术，这种微孔陶瓷滤芯占地面 积小、有效过滤面积大、耐腐蚀、过滤效率高、使用寿命长、价格低廉，是一种 具有良好发展前景的新型过滤手段。 要将微孔陶瓷过滤技术应用于压载水处理领域，必须保证其满足i m o 对有效 的压载水处理方法提出的5 点要求，即安全性、可操作性、有效性、环境可接受性、 经济可行性。本试验将针对五点要求中的可操作性和有效性对壁流式微孔陶瓷滤 芯展开研究，考察其作为压载水处理装置，能否在处理悬浮物浓度较高的水体时 正常有效地运行，同时对一部分悬浮物起到去除作用，为后续处理的顺利进行提 供保障。 1 4 2 研究内容 通过试验考察微孔陶瓷滤芯在处理含有高浓度悬浮物水体时运行的稳定性及 有效性，并对悬浮物颗粒进行电镜观察，了解悬浮物形态和粒径分布，从微观上 分析过滤效果。具体试验内容主要分为以下五部分： ( 1 ) 悬浮物选择 初步选择m g ( o h ) 2 粉末、j f 一2 7 型号有机膨润土、2 0 0 目钠基有机膨润土、2 0 0 目钙基有机膨润土进行比较试验，以烧杯实验为基础，选择吸水性和悬浮性最好、 价格较便宜的一种作为试验用模拟悬浮物。 ( 2 ) 微孔陶瓷滤芯耐受性试验 将悬浮物加入储水罐里并搅拌均匀，利用水泵将水送入滤芯，在试验过程中 注意观察并记录滤芯压力、流量及处理水量，当滤芯即将达到压力上限时停止试 验。整理实验数据，计算出滤芯对悬浮物的去除效率及滤芯内悬浮物累积量。 ( 3 ) 取样与测定 取样前应确保取样瓶清洁，无污染。取样时应在取样口处分三次将取样瓶灌 满，保证样品的代表性。 悬浮物浓度测定采用重量法，要确保水中悬浮物浓度测定值具有代表性、完 整性、精密性、准确性和可比性。 第1 章绪论 ( 4 ) 反冲洗