（市政工程专业论文）超滤膜处理湖泊水的试验研究.pdf

摘要 摘要 目前，中国大多数乡镇的饮用水水质较差。超滤膜工艺被认为是最有可能 替代传统给水处理工艺的最佳选择。对于中小规模的乡镇水厂，超滤膜工艺在 成本上与常规处理工艺相比，具有竞争力，而且出水水质稳定良好。原水中的 有机物会造成膜污染，导致膜通量迅速衰减；超滤膜孔径较大，无法去除水中 大部分有机物。混凝作为超滤膜的预处理，可以减缓膜污染、提高膜通量和对 有机物的去除效果。 本论文采用镇江延陵镇蛟塘原水作为试验用水，进行了混凝超滤组合工艺 小试、在线混凝超滤组合工艺中试和超滤膜水处理工艺技术经济分析，得到了 如下的结论。 1 蛟塘水的有机物含量较高，为典型的微污染原水。有机物浓度随季节变 化，冬春两季较低，夏季较高。在夏季，u v 2 5 4 和d o e 值都达到最大；原水中低 分子溶解性有机物占多数，小于l k 的u v 2 5 4 和d o c 都占有4 0 的比例：大于3 0 k 的有机物几乎没有。原水中有机物分子量分布的变化是补给水源和水中动植物 新陈代谢共同作用的结果。 2 论文对混凝去除有机物分子量分布特点进行了测定。试验结果表明，混 凝对 l k 有机物去除效果较好，特别是u v 2 5 4 类有机物；而对于小于1 k 的有机 物去除效果很差。强化混凝可以有效提高对小于1 k 的有机物的去除效果。 3 小试表明，混凝作为超滤膜预处理，可以减缓膜的污染、提高膜通量和 对有机物的去除效果。采用在线混凝超滤组合工艺时，混凝剂聚合硫酸铁( p f s ) 投加量有较宽的范围。当混凝反应形成的矾花粗大时，膜的通量较大，经过周 期末水力冲洗，通量恢复效果良好。通过对比发现，p f s 作为混凝剂对超滤膜 过滤性能的改善优于聚合氯化铝( p a c ) 。 4 本论文研究了混凝预处理形式对膜过滤性能的影响。结果表明，混凝剂 p f s 投加量8 m g l 时，在提高通量和有机物去除效果上，都是在线混凝超滤通 量最大，混凝沉淀超滤次之，常规处理超滤最差。 5 在延陵水厂，分别采用常规处理超滤和在线混凝超滤组合工艺中试。 试验发现，采用现有常规处理超滤组合工艺，膜装置不能稳定运行。采用在线 混凝超滤组合工艺，可以有效改善超滤膜的过滤性能。当采用终端过滤，在膜 摘要 通量为1 5 5 m 3 m 2 d 、次氯酸钠投加量l m g l 、聚合硫酸铁投加量2 5 和5 m g 几、 过滤周期3 1 5 m i n 、过滤时间为3 0 m i n 的条件下，膜装置可以稳定运行，出水 水质良好，具备工程应用的条件。 6 对超滤膜水处理工艺进行了经济技术分析。结果表明，膜透水通量是投 资成本的主要因素。通过估算，中试试验的运行成本约为0 2 2 9 元m 3 。 7 根据中试获得的运行参数，做出了i 0 0 0 0m 3 d 超滤膜水厂的初设方案， 并对投资成本和运行成本进行了估算。结果表明，工程总投资为1 1 3 6 6 7 万元， 运行成本为o 4 8 元吨水。膜水厂的总投资和运行成本与常规水厂大致相同。 超滤膜水厂无论在技术上还是在经济上都是可行的。 关键词：超滤，在线混凝，通量，膜污染，常规处理 i l a b a t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed r i n k i n gw a t eh a sap o o rq l l a l i t ) ri nm o s tv i l l a g e sa n dt o w n s t h e u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g yh a sb e e nt h o u g h tt ob ea l lo p t i m a la l t e r n a t i v et o c o n v e n t i o n a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t t ot h em e d i u mo rs m a l ld r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n tp l a n t s ，t h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ep r o c e s si sn o to n l yc o m p e t i t i v e 晰t l l t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n to nt h ec o s t , b u ta l s oh a sw e l la n ds t e a d yw a t e rq u a l i t y m e m b r a n ef o u l i n ga r i s e sb e c a u s eo ft h eo r g a n i cm a t t e r si nt h er a ww a t e r , w h i c h l e a d sq u i c kd e c r e a s ei nm e m b r a n ef l u x u l t r a f i l t r a t i o nh a v i n gb i g g e ra p e r t u r ei sn o t e x p e c t e dt or e m o v em o s to fo r g a n i c sf r o mw a t e r c o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n tb e f o r e u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ec a ns l o wt h em e m b r a n ef o u l i n g ，e n h a n c et h em e m b r a n e f l u xa n dt h ee f f e c to fr e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e r s t h ej i a op o n dw a t e ri ny a n l i n gt o w ni nz h e n j i a n gw a su s e da sam o d e ls a m p l ei n t h i ss t u d y t h es m a l l - s c a l et e s to fc o a g u l a t i o n u fh y b r i dp r o c e s s ，t h ep i l o t e x p e r i m e n to fi n l i n ec o a g u l a t i o n u fh y b r i dp r o c e s sa n de c o n o m i ca n dt e c h n i c a l a n a l y s i sw e r ea l lc o m p l e t e d t h r o u g h t h ee x p e r i m e n t s ，t h ec o n c l u s i o n sw e r ea t t a i n e d a sf o l l o w s i t h ej i a o p o n d w a t e rh a sh i g h e rc o n t e n to fo r g a n i c sa n di st h et y p i c a l m i c r o p o l l u t e dr a ww a t e r t h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c sv a r i e dw i t hs e a s o n s t h a ti s h i g h e ri ns u n l r n e ra n dl o w e ri nw i n t e ra n ds p r i n g i ns u m m e r , t h ev a l u eo fu v 2 5 4a n d d o cb e c a m et h eh i g h e s t ；l o wm o l e c u l a rw e i g h ta c c o u n t e df o rg r e a tm a j o r i t yi nt h e d i s s o l v e do r g a n i c s t h eo r g a n i c sl o w e rt h a nlka c c o u n t e df o r4 0 一i nb o t hu v 2 5 4a n d d o c ，w h i l et h eo n eh i g h e rt h a n3 0 kw e r es c a r c e l ya n y t h ec h a n g ep a t t e r ni n d i s t r i b u t i o no fm o l e c u l a rw e i g h ti nr a ww a t e rw a so w i n g t ot h ei n f l u e n c eo f r e p l e n i s h m e n tw a t e rs o u r c ea n dm e t a b o l i s mo fp r o p a g a t i o n s 2 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e m o v a lo fo r g a n i c so nt h ed i s t r i b u t i o no fm o l e c u l a r w e i g h tb yc o a g u l a t i o nw a sm e a s u r e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee f f e c to f r e m o v a lo f o r g a n i c r sw a sg o o df o rm o l e c u l a rw e i g h th i g h e rt h a nl ka n dp o o rf o rt h eo n el o w e r t h a nlk t h eo r g a n i c sm o l e c u l a rw e i g h tl o w e rt h a nlkw e r ee f f e c t i v e l yi m p r o v e db y e n h a n c e dc o a g u l a t i o n n i a b a t r a c t 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o a g u l a t i o nb e f o r eu fc o u l ds l o wt h em e m b r a n e f o u l i n g ，e n h a n c et h em e m b r a n ef l u xa n dt h ee f f e c to nr e m o v a lo fo r g a n i c s i nt h e i n l i n ec o a g u l a t i o n u fp r o c e s s ，t h ed o s eo fc o a g u l a n th a daw i d cr a n g e w h e nt h e f l o c sf o r m e di nt h ec o a g u l a t i o nw e r eb i g ，t h em e m b r a n ef l u xw a sb i g g e ra n d r e n e w e dv e r yw e l la f t e rh y d r a u l i cf l u s ha tt h ee n do fp e r i o d i c i t y t h eu fh a db e t t e r p e r f o r m a n c ew h e nu s e dp f sa sc o a g u l a n tt h a np a c 4 t h ee f f e c to nu fp e r f o r m a n c e b yu s i n g d i f f e r e n tf o r m so fc o a g u l a t i o n p r e t r e a t m e n tw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ep f sd o s a g e w a s8 呲，f o rt h ei m p r o v e m e n to ff l u xa n dt h er e m o v a l 。o fo r g a n i c s ，i n - l i n e c o a g u l a t i o n u fw a st h eb e s t ；c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n u ft o o kt h es e c o n dp l a c e a n dc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n 仉腰w a st h ew o r s t 5 c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t u fa n di n l i n ec o a g u l a t i o n u fh y b r i dp r o c e s sw e r eu s e d i nt h ep i l o tt e s ta ty a n l i n gd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp l a n t i tw a sf o u n dt h a tt h eu f d e v i c ec o u l dn o tr u ns t a b l yi nt h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t 肘fp r o c s s t h e p e r f o r m a n c eo fu fw a si m p r o v e di nt h ei n - l i n ec o a g u l a t i o n u fh y b r i dp r o c e s s w h e nf i l t r a t i o nm o d ew a sd e a d - e n d ，m e m b r a n ef l u xw a s1 5 5 m 3 m 2 d ，o x i d a n t s o d i u mh y p o c h l o r i t ed o s ew a sli n g t , ，c o a g u l a n tp f sd o s ew a s2 5a n d5 m g l ，t h e p e r i o d i c i t yw a s3 1 5m i n u t e sa n dt h et i m eo ff i l t r a t i o nw a s3 0m i n u t e s ，t h eu f m e m b r a n ed e v i c er u ns t a b l ea n dt h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t yw a sg o o d t h a th a dt h e c o n d i t i o n st oa p p l yt oe n g i n e e r i n gp r o j e c t 6 t h ee c o n o m i c sa n dt e c h n i c a la n a l y s i so fu fw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw a ss t u d i e d 1 1 l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e m b r a n ef l u xw a st h ec h i e ff a c t o ri nt h ei n v e s t m e n t c o s t 1 1 1 e1 1 1 1 1c o s to fp i l o te x p e r i m e n tw a s0 2 2 9 y u a n m 3b ye s t i m a t i n g 7 w i t ht h ep a r a m e t e r so b t a i n e df o r mp i l o te x p e r i m e n t ，p r e l i m i n a r yd e s i g no fa 10 ，0 0 0 m 3 du fm e m b r a n ep l a n tw a sc o m p l e t e d mi n v e s t m e n ta n dr u nc o s tw e r e e s t i m a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et o t a li n v e s t m e n tc o s tw a s11 ，3 6 6 ，7 0 0 y u a na n d t h er u nc o s tw a s0 4 8 y u a n m ) n l eu fm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tw e r es i m i l a r t ot h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp l a n tb o t ho nt h ei n v e s t m e n tc o s ta n dr u nc o s t n l eu f m e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tw a sf e a s i b l e k e yw o r d s ：u l t r a f i l t r a t i o n , i n - l i n ec o a g u l a t i o n ，f l u x ，m e m b r a n ef o u l i n g ， c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t 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：。吲孵珲 矽口年月争日 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。 燧名：髫亘名：鬻甏签 矽口石年弓月牛日 汐护年乡月争日 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。 i i 签名：，岗硪召晦 矽护多年? 月 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 近年来，世界经济持续发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、农药、 杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不断增加。 各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体，对地表水源造成了 极大的危害，水源水质急剧下降。 2 0 0 4 年中国水资源公报公布了水环境状况。根据2 0 0 4 年水质监测资料， 采用国家地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) ，对全国河流、湖泊、水库的 水质状况进行了评价【2 j 。 根据1 3 0 0 条河流3 2 0 0 多个监测断面的水质资料，对1 3 万公里河流水质进 行了评价，全年期水质总体状况是：i 类水河长占6 3 ，类水河长占2 7 2 ， i 类水河长占2 5 9 ，类水河长占1 2 8 ，v 类水河长占6 o ，劣v 类水河 长占2 1 8 。各水资源一级区中，西南诸河、西北诸河、长江、珠江和东南诸 河5 个区水质较好，符合和优于类水的河长占9 7 一- , 6 3 ；黄河、海河、松花 江、辽河和淮河5 个区水质较差，符合和优于m 类水的江河占4 6 - 3 1 。 对全国2 2 9 个省界断面的水质进行了评价，水质符合和优于地表水i i i 类标 准的断面数占总评价断面数的3 9 3 ，水污染严重的劣v 类占3 4 5 。总体来看， 省界水体的水质状况不容乐观。各水资源一级区中，省界断面水质较好的是松 花江区、珠江区和长江区( 未含太湖流域) ，辽河区、太湖流域、淮河区和海河 区的省界断面水质较差。省界断面的主要超标项目是氨氮、高锰酸赫指数、化 学需氧量、五日生化需氧量、氟化物、挥发酚、总磷等。 在评价的5 0 个湖泊中，水质符合和优于i 类水的湖泊有1 8 个，部分水体 受到污染的1 3 个，水污染严重的1 9 个。对4 9 个湖泊的营养状态进行评价，1 7 个湖泊处于中营养状态，3 2 个湖泊处于富营养状态。国家重点治理的三湖”情 况是：太湖1 6 5 的面积为类水，7 5 3 的面积为类水，8 2 的面积为劣v 类水；中营养水平的面积占2 3 ，富营养占7 7 。滇池水质以v 类为主，占评价 面积的6 9 ，劣于v 类水质占评价面积的3 1 ，全湖处于富营养状态。巢湖的东 半湖巢湖市第一水厂湖区水质为类，中庙湖区水质为v 类，西半潮水质为劣 第1 章引言 v 类，湖水处于富营养状态。 在评价的3 2 2 座水库中，水质优良( 优于和符合类水) 的水库有2 6 5 座， 占评价水库总数的8 2 3 ；水质未达到m 类水的水库有5 7 座，占评价水库总数 的1 7 7 ，其中水质为劣v 类水的水库有1 4 座。主要超标项目为总磷、总氮和 高锰酸盐指数。对2 3 8 座水库的营养状态进行评价，三分之二的水库处于中营 养状态，三分之一的水库处于富营养状态 2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，吉林省吉林市吉林石化公司发生爆炸事故，造成1 0 0 吨苯类化合物进入水体，导致松花江遭受严重污染，大量鱼类死亡，下游城市 水源被污染，哈尔滨市停水4 天，给人们生活和经济发展带来的极大的影响。 除化学物质大量排入水体水体外，在饮用水中还不断出现新的病原微生物。 抗氯型病原性微生物如隐孢子虫( c r y p t o s p o r i d i u m ) 的出现也使人们对传统的 加氯消毒工艺产生的了质疑。贾第虫( g i a r d i a ) 和隐孢子虫目前水处理界研究 最多的病原微生物。贾第虫主要靠它的孢囊来传播疾病。而隐孢子虫主要通过 卵囊来传播疾病，贾第虫孢囊大小为5 1 0um ，隐孢子虫为2 5pm 。贾第虫 和隐孢子虫都是一种肠胃炎症，健康和免疫力强的患者3 0 d 即可痊愈，而对于 免疫力低下者，如艾滋病人，往往会导致死亡。1 9 9 3 年4 月在美国维斯康新州 密尔沃基市爆发了由隐孢子虫引起的水传播疾病，共4 0 3 万人感染该病，4 0 0 0 多人住院，1 1 2 人死亡。 在给水水源水质日益恶化的同时，我国大多数城市的给水处理构筑物没有 及时得到相应的改善和优化；而广大乡镇没有给水处理构筑物或者给水处理构 筑物普遍老化，导致广大人民不能喝上安全的饮用水。中国预防医学科学院环 境卫生检测所的检测数据显示，目前我国直辖市和部分省会城市的市政自来水 的合格率为9 3 7 ，而广大农村的饮用水水质状况不容乐观，目前只有1 3 8 符合饮用水标准，比较安全的为4 7 5 ，有3 8 6 属于不安全的饮用水【3 1 。 水源中的有机物可分为两类，天然有机物( n a t u r a lo r g a n i cm a t t e r ，n o m ) 和人工合成有机物( s y n t h e t i co r g a n i cc h e m i c a l s ，s o c s ) 。天然有机物是指 动植物在自然循环中腐烂分解的物质，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动 植物组织以及动物的废弃物等。n o m 中大约有8 5 - 9 5 为腐殖质。一般认为水 生腐殖质( 腐殖酸和富里酸) 的分子量在5 0 0 - - - 2 0 0 0 d a l t o n s 。腐殖质作为自然 胶体具有大量官能团和吸附位，如羟基、羧基、酚羟基、烯醇羟基、醌、羟基 醌、内酯和醚醇羟基等。它们对各种阳离子和基团存在极强的吸附能力或结合 2 第1 章引言 能力，例如c a 2 + 、a l ”以及大部分的烷烃、脂肪酸、碳水化合物和含氮化合物 等。并会对一些有极性的有机化合物或极性基团在水环境中的行为产生重要影 响，使其同水中的有机污染物形成“络合体”，成为有毒、难溶于水的物质。另 外水中的有机污染物是水环境中的“增溶剂”和运载工具，能使难溶于水的有 害物质在水中的溶解度增大，毒性减弱、迁移能力增强、分布范围更广、隐蔽 性更强【。 一 由于以上原因，如何去除水中天然有机物越来越成为水工业的重要研究课 题。三种最佳处理技术被推荐去除水中的n o m ，强化混凝( e n h a n c e d c o a g u l a t i o n ) 、颗粒活性炭吸附( g a ca d s o r p t i o n ) 和膜过滤法( m e m b r a n e f i l t r a t i o n ) 。j o s e p hg 对这三种方法进行比较后指出：强化混凝费用低，但 去除n o m 效果差，不能满足d d b p s 标准；活性炭吸附n o m 效果好，但费用较强 化混凝高；膜过滤去除n o m 和d b p s 前提物的效果最好，尽管就目前而言，膜处 理费用比其它两种方法都高，但j o s e p hg 认为随着膜工业的发展，膜处理的费 用会大大降低【4 j 。 贾第虫和隐孢子虫对消毒剂如氯、臭氧等有很强的抵抗能力，消毒剂不能 保证1 0 0 的灭活效果。去除贾第虫和隐孢子虫最佳手段是物理处理，如过滤。 有关学者研究表明，当出水浊度为0 1 o 2 n t u 时，无论是传统工艺还是直接 过滤，都能达到9 9 9 的去除贾第虫的效果1 5 j 。试验也表明，为了达到有效去 除效果，滤池的运行必须保持最佳状态，这对常规滤池过滤来说有很大的难度。 许多学者采用低压渗透膜微滤膜和超滤膜进行了去除贾第虫和隐孢子虫的试 验，发现贾第虫和隐孢子虫数量可降至测试范围以下。相对于常规处理，膜过 滤出水水质稳定，出水浊度在0 1 n t u 以下1 4 3 j ，因此膜过滤对两虫有稳定而良好 的去除效果。 上述原因为膜法在给水处理中的应用提供了新的契机，也使得膜技术成为 2 l 世纪水处理领域研究的热点，被成为“2 1 世纪的水处理技术 【6 j 。 1 2 膜和膜分离技术简介 膜分离是指在某种推动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离水中离 子或者分子以及某些微粒的目的。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电 位差和浓度差【7 1 。目前常见的几种膜分离法主要有：微孔过滤 第1 章引言 ( m i c r o f i i t r a t i o n ，m f ) 、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u f ) 、反渗透( r e v e r s e o s m o s i s ，r o ) 、电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ，e d ) 、渗透气化( p e r v a p a r a t i o n ， p v ) 、液膜( l i q u i dm e m b r a n e ，l m ) 等。它们的分离特点和适用范围分别如表 1 1 所示1 3 l 。 表1 1 常见膜分离的特点 膜的种类膜的功能 分离驱动力透过物质被截留物质 微滤 多孔膜、溶液的压力差水，溶剂和溶解悬浮物、细菌、微粒 微滤、脱微粒子 物子 脱除溶液中的胶溶剂、离子和小 蛋白质、各类酶、细 超滤体和各类大分子压力差 分子菌、病毒、乳胶、微 粒子 反渗透和脱除溶液中的盐压力差 水和溶剂无机盐、糖类、氨基 纳滤类和低分子物 酸、b o d 、c o d 等 渗析脱除溶液中的盐 浓度差离子、低分子无机盐、糖类、氨基 类和低分子物 物、酸、碱酸、b o d 、c o d 等 电渗析脱除溶液中的离 电位差离子无机有机离子 子 渗透气化溶液中低分子及压力差、浓度蒸汽液体、无机盐、乙醇 溶剂间的分离差 液膜杂质( 电解质离浓度差、化学杂质( 电解质离溶剂( 非电解质) 子) 反应子) 一 膜根据材质主要可分为有机膜和无机膜，有机物主要为高分子聚合物分离 膜，主要有醋酸纤维素膜( c a ) 、聚砜膜( p s ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚丙烯( p a n ) 等。无机膜主要包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜。无机膜由于其具 有耐高温、耐强酸强碱和有机溶剂、耐微生物腐蚀、机械强度高等特点，近年 来发展迅速一j 。 根据膜组件的形式划分，膜又有平板( p l a t ea n df r a m em o d u l e ) 式、管 式( t u b u l a rm o d u l e ) 、中空纤维式( h o l l o wf i b e rm o d u l e ) 和卷式( s p i r a lw o u n d m o d u l e ) 。一般情况下，板式和管式组件处理量较小，适用于高粘度、含大量悬 浮杂质的对象，处理量较大时，采用用卷式和中空纤维式。 以压力为推动力的膜有微滤、超滤、纳滤和反渗透。其中反渗透主要用于 海水淡化，对n a c l 的脱除率在9 5 以上，操作压力在2 一- l o m p a 。纳滤是介于反 渗透和超滤之间，其表面分离皮层一般可具有纳米级的分离微孔结构，其操作 压力比反渗透低，称为低压反渗透，对二价离子有很好的去除效果，主要用于 4 第1 章引言 水的软化，以及饮用水的深度处理。微滤和超滤操作压力低，在1 0 0 - - 5 0 0 k p a 之间，属低压渗透膜。其中超滤能有效去除细菌、病毒、胶体和部分大分子有 机物，能耗相对又较低，是最有可能取代常规处理工艺的水处理技术 9 1 。 超滤孔径介于纳滤和微滤之间，孔径在0 0 ll lm - - o 11 zm ，截留分子量 ( 姗c s ) 在5 0 0 ，- - - 5 0 0 0 0 0 d a l t o n s 之间。超滤膜对杂质的分离过程主要有：在膜 表面和膜孔内的吸附、在膜孔内停留而被去除和在膜表面的机械筛分。而一般 超滤过程可以理解为与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动 力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表 面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中 体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进水侧，成为浓缩液，因此实现 对原液的净化、分离和浓缩目的。 水压方向 图1 1 超滤膜的过滤原理 物质 生产上大量采用的超滤膜以中空纤维膜为主，中空纤维膜元件主要是由成 百到上千根细小的中空纤维膜丝和膜壳两部分组成。按进水方式的不同，中空 纤维超滤膜又分为内压式和外压式两种。 内压式中空纤维超滤膜即原液先进入中空丝内部，经压力差驱动，沿径向 由内向外渗透过中空丝成为净化液。浓缩液则留在中空丝的内部，由另一端流 出。外压式中空纤维超滤膜则是原液经压力差沿径向由外向内渗透过中空膜丝 成为净化液，而浓缩液则汇集在膜丝的外部流出。如图1 2 所示。 中空纤维超滤膜的过滤方式主要分为两种：终端过滤( d e a d e n d f ii t r a t i o n ) 和错流过滤( c r o s s - f l o wf i l t r a t i o n ) 。终端过滤也称直流过滤、 死端过滤，在过滤时等量透过液流出膜组件，截留物留在膜组件内。错流过滤 是指过滤时被处理料液以一定的速度流过膜表面，透过液从垂直方向透过膜， 同时大部分截留物被浓缩液带出膜组件。 第1 章引言 原液 _ 卜 内压式中空纤维超滤膜 外压式中空纤维超滤膜 图1 2 内压式和外压式中空纤维膜 终端过滤和错流过滤各有优缺点：终端过滤能耗低，膜污染速度较快，能 稳定运行的膜渗透通量低，适合于水质较好的原水。错流过滤能够减小悬浮固 体、微粒子和有机物在膜表面的停留，减缓膜的污染，能够获得较高的膜渗透 通量，但能耗较高，适合于水质较差的原水【l 们。 相对于反渗透膜和气体分离膜等其它膜分离技术，超滤的分离过程具有以 下几个显著特点： 1 、在常温下和低压下进行分离，因而能耗低，从而使设备的运行费用低。 2 、设备体积小，结构简单，故投资费用低。 6 第1 章引言 3 、超滤分离过程只是简单的加压输送液体，工艺流程简单，易于操作管理。 以上特点决定了超滤膜的的应用非常广泛，从普通家用饮水的净化到高新 技术领域都有大规模的应用，因而超滤膜分离技术是一种具有广阔发展前景的 膜法分离技术。 1 3 膜分离技术在饮用水处理中的应用现状 膜分离技术在饮用水中的应用开始于2 0 世纪8 0 年代末期，经过近2 0 年的 发展，现在总处理水量超过4 0 0 万m 3 d 1 0 1 。由于膜处理技术出水水质稳定且良 好，占地面积小，自动化程度高，已成为给水领域的研究热点。 1 9 8 7 年，美国的科罗拉多州的k e y s t o n e ，建成了世界上第一家膜分离水厂， 水量为1 0 5 m 3 d ，采用的为o 2um 孔径的外压式聚丙烯中空纤维膜。1 9 8 8 年， 在法国的a m o n c o u r t ，建成了世界上第二座膜分离水厂，也是世界上第一家超 滤膜工艺的水厂，水量为2 4 0 m 3 d ，采用的为o 0 1um 醋酸纤维素膜【1 0 1 。法国 的巴黎梅里奥塞( m e r y s u r - o i s e ) 水厂，处理水量为1 4 0 ，0 0 0m 3 d ，采用纳滤膜 处理工艺。现在世界上最大的超滤膜饮用水厂为新加坡的c h e s t n u t 水厂，产水 量为2 7 3 ，0 0 0 m 3 d 。荷兰的“j a n l a g r a n d 是世界最早最大规模的双膜法市政 供水厂，产水量5 4 ，0 0 0 m 3 d ，预处理采用u f 膜，深度处理采用反渗透。在同本 共有1 1 3 座膜分离水厂，总处理水厂为7 8 ，0 0 0m 3 d 。 以m f 和u f 为代表的低压渗透膜由于其在出水水质上的优越性，在近年来 得到了迅速的发展。截止2 0 0 0 年，处理水量已经达到2 0 0 万m 3 d ，其中超滤膜 工艺占了7 4 ，主要集中在法国和美国。法国l y o n n a i s e d e se a u x 在全球范 围内拥有7 0 座膜水厂，其中3 5 座采用醋酸中空纤维超滤膜。l y o n n a i s ed e se a u x 公司将超滤膜与粉末活性炭联用，即“c r i s t a lp r o c e s s s 工艺，用于处理高 有机物浓度的原水【l o 】。现已被1 1 家超滤膜水厂采用。目前已建成的大型u f 膜 水厂如下表所示： 由于膜处理技术科技含量以及在净水处理中具有广阔的应用前景，受到了 许多发达国家的高度重视。1 9 9 1 年，由日本厚生省牵头，以国立公众卫生院和 水道净水协会为主，组成了“膜应用新型净水系统委员会”，实施所谓的“m a c 2 1 计划( m e m b r a n ea q u ac e n t u r y2 1 ) ”，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。这一计划成果显著，已有超过2 3 5 个中、小水厂已经 7 第1 章引言 或正在计划引入膜过滤净水设施。从1 9 9 7 年开始，在日本厚生省科学研究补助 金和4 4 家企业的资助下，又进行了为期五年的“a c t 2 1 计划( a d v a n c e da q u a c l e a nt e c h n o l o g yf o r2 1c e n t u r y ) 1 6 ，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 传统的自来水净化工艺，混凝剂投加量降了1 3 ，且出水有机物浓度有明显降 低。 表1 2 目前世界上大型u f 膜水厂一览表 地点( 国家)建设年份水源处理能力( m 3 d ) l a p i e ( 法国) 1 9 9 6水库2 8 0 0 0 v i g n e u x ( 法国) 1 9 9 6 1 9 9 7 赛纳河 5 5 0 0 0 k o p e r ( 斯罗文尼亚) 1 9 9 7 水库 3 5 0 0 0 b e m e rm e t ( 美国)1 9 9 9m e d i n a 河3 4 0 0 0 l a u s a n n e ( 瑞士) 2 0 0 0 湖水 一6 5 0 0 0 r o u e n ( 法国)2 0 0 0赛纳河2 4 0 0 0 d e lr i o ( 美国)2 0 0 1s a nf e l i p es p r i n g6 0 0 0 0 与国外发达国家研究应用水平，我国这方面显得比较落后。在应用方面， 只有在1 9 9 5 年法国利安水务公司控股的东莞新纪元微滤设备有限公司在广东 东莞市建成的一座微滤自来水厂，该水厂设计水量为6 0 0 0 m 3 d 。1 9 9 7 年山西大 同市自来水公司报道了采用澳大利亚梅姆特克公司的连续微滤技术直接处理册 田水库水的中试成果【1 。同济大学董秉直采用混凝u f 膜对淮河水进行了中试， 采用膜为中空纤维膜，孔径为0 0 11 1m ，在试验的一个多月内，膜压差增长缓 慢，而且各种出水指标均优于常规处理【i2 1 。同济大学陈艳博士采用微絮凝u f 工艺对镇江市长江原水进行了中试。试验采用日东电工的p v d f 卷式超滤膜，截 留分子量为1 5 万d a l t o n s ，在试验期间内，超滤膜装置运行稳定【l3 1 。 1 4 膜污染机理的研究现状 用m f 和u f 过滤原水时，透水通量会随着过滤的进行逐渐下降，一般认为， 膜透水通量的下降是由两种因素造成的：1 浓差极化( c o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o n ) 使得膜表面溶质浓度升高，使透过流量降低。2 被分离的溶质 与膜相互作用使溶质在膜表面或者膜孔内产生吸附或沉积，即膜污染( f o u l i n g ) 【9 l 。因此浓差极化和膜污染的研究对膜分离技术应用具有重要指导意义。 8 第1 章引言 浓差极化是指在分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被 截留，于是在膜与本体溶液界面区域浓度增加。在浓度梯度作用下，溶质由膜 向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压上升，从而导致溶剂 透过流量下降。当溶剂向膜表面流动( 对流) 时引起溶质向膜表面流动速度与 浓度梯度使溶质向本体溶液的迁移速度达到平衡时，在膜表面附近存在一个稳 定的浓度梯度区，这一区域称为浓差极化边界层【9 】。 由浓差极化的形成原理可知，减小浓差极化边界层厚度，提高溶质传质系 数，均可减少浓差极化，提高膜的通量。 许多学者提出各种数学模式来描述和预测通量下降的规律。最早的数学是 基于滤饼层过滤的阻力形式。被截留的颗粒或者胶体累计在膜表面，形成一层 滤饼层。滤饼层增加了膜阻力，使透水通量下降，膜过滤本身的阻力可以认为 是膜本身产生的阻力和滤饼层阻力的叠加【1 4 】。 - ，：上生：竺( 1 1 ) 以出( 心+ 足) 一 式( 卜1 ) 中，j 一透水通量，a m 一膜过滤面积，v p 一总过滤液量，厶p 一膜 压差，p 一动力粘度，r m 一膜阻力，r c 一滤饼层阻力 滤饼层阻力成功地预测了u f 和m f 膜分离时的通量下降，能和许多试验数 据相吻合。但滤饼过滤理论要求全部过滤液都通过膜，也没有考虑到水中颗粒 或者胶体由于浓差极化而反向扩散的因素，因此只适用于终端过滤，而不适用 于错流过滤。 d a r c y 定律过滤模型，考虑到了浓差极化对膜通量的影响，膜的溶剂透过 通量可以用表示如下 9 1 ： ，：一一竺一( 1 2 )( + + r 厂) 式( i - 2 ) 中j 一透水通量，p 一膜压差，p 一动力粘度，r m 一膜阻力， r b 广浓差极化边界层阻力，r 广膜污染产生的阻力。 式( i - 2 ) 表明，通量j 与两侧压力成正比，与总阻力成反比，利用该方程 定性解释膜通量随过滤时间延长而降低是可行的，但难以定量测定。 尽管d a r c y 定律过滤模型将浓差极化引起的颗粒扩散的因素考虑在内，更 接近于实际情况。但这种模式也没有考虑到溶剂或者颗粒在膜表面的横向迁移， 9 第1 章引言 这正是错流过滤最主要的特点。因此，真正反应错流过滤时颗粒在膜表面的累 积迁移规律应该是二维的，而不是