（环境工程专业论文）反渗透膜深度净水系统的优化运行.pdf

摘要 反渗透膜深度；争水系统的优化运行 摘要 反渗透膜深度净水系统优化运行是解决和防止膜污染，提高系统 运行可靠性和经济性的重要手段。本文系统地提出了反渗透膜深度净 水系统优化运行的经济目标函数，考虑运行费用构成中的主要可变部 分是膜组件运行电费和活性炭滤柱反冲洗水费，据此，建立了活性炭 一反渗透膜( g a c r o ) 系统试验装置进行了一系列试验。 利用g a c r o 系统试验装置，以自来水为原水，建立了反渗透 膜的渗透通量模型，并由此得到了膜组件运行电费模型。由电费模型 得出，降低渗透通量，提高回收率，可以降低膜组件运行电费，提高 试验系统的经济性。由于得出的渗透通量模型没有考虑膜给水p h 值、 水温等给水特性的影响，所以试验还研究了主要的给水特性及运行条 件对膜主要性能特性的影响。结果表明，提高操作压力或升高给水温 度，渗透通量将增加。p h 值与给水浓度对渗透通量也有影响，p h 值 或给水浓度越小，渗透通量就越大，这些均是提高渗透通量的有利因 素。而操作压力提高、温度降低、回收率增大、p h 值升高、给水浓 度降低等均是提高脱盐率的有利因素。试验中膜面流速和操作时间对 膜主要性能特性的影响不显著，膜面流速或操作时间的改变对渗透通 量和脱盐率基本上没什么影响。 在不同种类的原水条件下，研究了活性炭滤柱反冲洗水费模型。 又综合反渗透膜的渗透通量模型得出了反渗透膜深度净水处理系统 的可变费用模型。从可变费用模型得出，三个控制变量中，渗透通量 摘要 是影响系统可变费用的主要因素，其次是回收率，而活性炭原水浊度 对系统可变费用影响最小，另外还得出，膜组件运行费用远比活性炭 滤柱反冲洗水费高。在本试验中，当操作压力为5 2 0 k p a ，回收率为 1 4 3 6 ，渗透通量为o 4 7 m 3 ( m 2 d ) ，活性炭进水浊度为5 n t u 时，系统 可变费用最经济，耳n = 2 2 1 元m 3 。本文还探讨了活性炭滤柱出水 浊度目标值对运行工况的影响，试验结果发现，提高活性炭滤柱出水 水质标准，反冲洗水费增加，系统最经济费用增加，提高了系统运行 的代价。 最后，本文探讨了活性炭滤柱反冲洗水费模型的重要约束条 件一一一水质卫生安全性的若干问题。研究结果表明，活性炭滤后水 中的c o d m n 和u v 2 5 4 主要受到活性炭原水浊度的影响。活性炭原水 浊度的确定，要以活性炭滤后出水水质符合标准为准则。本试验中， 当活性炭原水浊度增加3 倍时，滤后水中的c o d m n 和u v 2 5 4 均增加 约7 。 关键词反渗透膜，活性炭，电费，反冲洗水费，渗透通量，脱盐率 o p t i m i z em o t i o n o fr e v e r s eo s i m o s i s ( r o ) m e m b r a n e a d v a n c e d p u r i f y i n gw a t e rs y s t e m a b s t r u c t o p t i m i z e m o t i o no fr e v e r s eo s i m o s i s ( r o ) m e m b r a n e a d v 锄c e d p u r i f y i n g w a t e rs y s t e mw a si m p o r t a n tm e t h o d t os o l v ea n dp r e v e n t m e m b r a n ef o u l i n g ，a n dt oi m p r o v er e l i a b i l i t y o fs y s t e mo p e r a t l o n l h e e c o n o m i c t a r g e t f u n c t i o no fs y s t e mo p e r a t i o n w a s p r o p o s e d s v s t e m a t i c a l l y e l e c t r i c i t y c o s to fm e m b r a n eo p e r a t i o n a n d 心v e r s e f l u s h i n gw a t e rc o s to fg r a n u l a ra c t i v e dc a r b o n ( g a c ) w e r ec o n s i d e r e d p r i m 州c h a n g i n gp a r t so fo p e r a t i o nc o s t s ot h er e s e a r c h e s w e r ec a m e c l o u tw i t hg a c _ r o ， t h ep e 肌e a t i o nf l u xm o d e lo fr om e m b r a n e w a sc o n s t r u c t e d t h r o u g hg a c 。r oi nt a pw t e ra sr e s o u r c e a n d e l e c t r i c i t yc o s tm o d e lo t m e m b r a n eo p e r a t i o n w a s g a i n e d i t w a sc o n c l u d e d t h a tr e d u c m g d e n n e a t i o nf l u xo ri n c r e a s i n gr e c o v e r y r a t ec o u l dr e d u c ee l e c t r i c i t yc o s t o fm e m b r a n eo p e r a t i o na n di m p r o v ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fs y s t e m f u r u l e m o r ei n f l u e n c e o fi n l e tw a t e r c h a r a c t e r i s t i c a n d o p e r a t l o n c o n d i t i o no nm e m b r a n ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c w a sr e s e a r c h e d i tw a s i n d i c a t e dt h a tt h ee f f e c tf a c t o r ss u c ha si n c r e a s i n go p e r a t i n gp r e s s u r e o r t e m p e r a t u r e ，o rr e d u c i n gt h e v a l u eo fp ho ri n l e t c o n c e n t r a t l o nw e r e a d v a n t a g e df a c t o r s f o ri n c r e a s i n gp e r m e a t i o n f l u x a n d1 n c r e a s l n g o p e r a t i n gp r e s s u r e o rr e c o v e r yr a t e o rt h ev a l u eo fp h ， o rr e d u c l n g t e m p e r a t u r eo ri n l e tc o n c e n t r a t i o n ，t h e d e s a l i n a t i o np e r f o r m a n c ew o u l d i n c r e a s e v e l o c i t yo ff l o wc h a n g eo ro p e r a t i o n t i m ec h a n g eh a dl i t t l e i n f l u e n c eo nm e m b r a n ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c t h er e v e r s ef l u s h i n gw a t e rc o s tm o d e lo fg a c w a ss t u d i e dw l t h d i f f e r e n tr a ww a t e rq u a l i t y i n t e g r a t i n gt h ep e r m e a t i o nf l u xm o d e l ，t h e c h a n g i n gc o s tm o d e lf o rs y s t e mw a sc o n s t r u c t e d i tw a s c o n c l u d e dt h a t m em o s tp r o m i n e n tf a c t o ri n f l u e n c i n gc h a n g i n g c o s tw a st h ep e m e a t l o n f l u x ，m es e c o n d l ym o s tp r o m i n e n tf a c t o rw a s t h er e c o v e r yr a t e ，a n di n l e t t u r b i d i t yo fg a c w a st h el e a s tp r o m i n e n tf a c t o r i tw a sa l s ol m o 、釉t h a t e l e c t r i c i t y c o s to fm e m b r a n eo p e r a t i o nw a sf a rh i g h e r t h a nr e v e r s e f l u s h i n gw a t e rc o s to fg a c i nt h et e s t ，w h e no p e r a t l n gp r e s s u r e w a s 5 2 0 k p aa n dr e c o v e r yr a t ew a s 14 3 6 a n dp e r m e a t i o nf l u xw a so 4 7 m 3 ( m 2 d 、la n d i n l e tt u r b i d i t yo fg a cw a s5 n t u ，t h ec h a n g i n gc o s tw a st h e m o s te c o n o m i c a l ，a b o u t2 2 1 y u a n m 3 t h e e f f e c to fo u t l e tt u r b i d i t y s t a n d a r do fg a co ns y s t e mo p e r a t i o n w a sa l s od i s c u s s e d f h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e v e r s ef l u s h i n gw a t e r c o s to fg a c i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n g o u t l e tq u a l i t ys t a n d a r d ，w h i c hi m p r o v e dt h e m o s te c o n o m i c a lc h a n g i n gc o s to fe x p e r i m e n t a ls y s t e ma n d1 m p r o v e d c o s to fs y s t e m i na d d i t i o n ，t h ei m p o r t a n tb i n d i n gc o n d i t i o no f t h er e v e r s ef l u s h i n g w a t e rc o s t l o d e lo fg a cw a sd i s s c u s e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h e o u t l e tc o d m na n du v 2 5 4o fg a cw e r em a i n l ye f f e c t e db yr a ww a t e r t u r b i d i o fg a c a c c o r d i n gt ot h a t o u t l e tq u a l i t yo fg a c c o n s i s t i n g w i t hs t a n d a r d r a ww a t e rt u r b i d i t yo fg a cw a sc o n f i r m e d i n t h l s e x p e n m e n t ，w h e nr a ww a t e rt u r b i d i t yo fg a c i n c r e a s e db y3t i m e s ，t h e o u t i e tc o d m na n du v 2 5 4o fg a ci n c r e a s e db y7p e r c e n tr e s p e c t i v e l y w i t h i nan a r r o wr a n g e z h o uz h if a n g ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rx u eg a n g k e yw o r d s r e v e r s eo s i m o s i s ( r o ) m e m b r a n e ，g r a n u l a r a c t i v e d c a r b o n ( g a c ) ，e l e c t r i c i t yc o s t ，r e v e r s ef l u s h i n gw a t e r c o s t ，p e r m e a t i o nf l u x ，d e s a l i n a t i o np e r f o r m a n c e i v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：周恙芎 同期：2 唧年月2 。同 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 偈乏高 日期：铂1 年f ，月如同 指导教师签名：馘、翌 日期：1 口：7 年f 月2 。日 第一章绪论 第一章绪论1 弗一早三百 t 匕 1 1 饮用水水源污染状况 1 1 1 水资源短缺 水是人类生活和生产活动中不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要自然 资源。我国是水资源较为丰富的国家之一，水资源总量有2 8 万亿m 3 ，居世界第 六位，但由于人口众多，以1 2 亿计，我国人均水资源占有量只有2 4 0 0 m 3 ，只相 当于世界人均占有水量的1 4 。而且，我国水资源分布很不均匀。由于受到大气 环流，海陆位置及地形、地貌等多种因素的影响，一方面是时间分布不均，夏秋 多、冬春少；另一方面是空间分布不均匀，东多西少，南多北少，长江、珠江流 域降雨比较丰沛，黄河流域、淮河流域则十分短缺，且黄河下游地段经常断流。 目前，全国6 0 0 多个城市中缺水的占3 0 0 多个，严重缺水的有1 1 0 个。缺水已 成为我国国民经济和社会发展的主要制约因素。随着我国经济社会的不断发展， 水资源短缺问题日益突出。n 2 1 世纪中期，全国总的用水量将从过去的5 0 0 0 多亿 m 3 增n n 8 0 0 0 亿m 3 左右，占我国可利用水资源总量的2 8 以上。按国际上经验， 一个国家用水量超过其水资源可利用量的2 0 ，就很可能发生水危机【2 ，3 】。 1 1 2 水环境恶化 由于工业废水和生活污水向水体排放量的不断增加，以及农田径流，大气沉 降等非点源污染，致使世界范围的水源污染愈益加剧。日益严重的水资源短缺和 水环境污染不但严重困扰着国计民生，而且已经成为制约社会经济可持续发展的 主要因素【4 1 。 以我国为例，2 0 0 2 年，全国废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放 量2 0 7 2 亿吨，城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，废水中化学需氧量排放量1 3 6 7 万吨。其中工业废水中化学需氧量排放量5 8 4 万吨，城镇生活污水中化学需氧量 排放量7 8 3 万吨【l 】。据中国环境状况公报，2 0 0 2 年度海河、辽河、淮河、黄河、 松花江、长江和珠江七大水系的检测的7 5 2 个重点断面中，ib i l l 类水质占2 9 5 第一章绪论 ，类水质占1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。水利部对5 3 2 条河流的监 测表明，有4 3 6 条受到不同程度的污染，中国七大江河流经的1 5 个主要大城市 河段中，有1 3 条河段的水质严重污染( 见表1 1 ) 【1 1 。 表1 - 12 0 0 2 年七大水系水质状况所占比例 t a b 1 1p e r c e n to ft h es e v e nw a t e rs y s t e m sw a t e rq u a l i t yc o n d i t i o ni n2 0 0 2 1 2 饮用水深度；争化的必要性 1 2 1 常规水处理工艺的局限性 我国自来水处理工艺9 0 以上仍采用2 0 世纪初形成的混凝、沉淀、过滤和加 氯消毒的常规工艺【5 1 。这种工艺是建立在有合格水源的基础上，以去除浊度和细 菌为主要目标，对有机物尤其是溶解性有机物的去除能力很低( 2 0 - - 3 0 ) 6 , 7 1 。 由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去 除效果也明显下降( 仅为5 0 - - 6 0 ) 【引。 对常规工艺进出水进行气相色谱和质谱( g c m s ) 联机分析微量有机污染物 和a m e s 致突变试验结果表明：常规工艺对水中微量有机污染物没有明显的去除 效果，水中有机物数量，尤其是毒性污染物的数量，在处理前后变化不大，现已 发现自来水中残留有机物7 6 5 种，其中2 0 种致癌物、4 3 种可疑致癌、1 8 种促癌物、 5 6 种致突变物【9 】；预氯化产生的卤代物在混凝沉淀及过滤处理中不能得到有效去 除；混凝剂在处理过程中会产生部分移码突变物前体物和碱基置换突变物前体物 【m 】，使出水氯化后的致突变活性有所增加；有预氯化的常规工艺不仅出水中卤 2 第一章绪论 代物增多，而且优先控制污染物及毒性污染物数量也有明显上升，出水的致突变 活性较处理前增加了5 0 6 0 。在氯化消毒过程中，消毒剂氯与水中有机物作 用产生毒性更大的消毒副产物( d b p s ) ：如t h m s ，其数目超过5 0 0 种【1 1 1 。另外， 消毒剂氯对某些病毒的灭活效果并不好。 1 2 2 管网污染及二次供水污染 一些城市局部自来水管网陈旧，中国疾病控制中心对全国3 5 个城市调查表 明，出厂水经管网输送到用户自来水龙头，自来水不合格率增力1 2 0 左右，一些 城市多次出现管网污染引起的饮水污染事故【1 2 】。此外，各城市尚有不少高层水 箱和蓄水池，近几年由于创建国家卫生城市时形成的每年清洗消毒水箱的工作和 相关管理制度不能落实，水质安全不能得到保障。 饮用水水源污染的严重性，传统工艺本身的不足，加氯消毒的副作用，二次 供水的污染问题等多种因素综合并存，使饮用水水质难以得到保证。因此，需要 强化处理工艺对受污染水源进行深度处理，以去除三卤甲烷等有机物【1 3 】。 1 3 饮用水深度；争化技术 七十年代以来，饮用水深度净化技术发展较快，各种针对受污染饮用水源的 深度净化技术在许多国家得到推广和应用。目前主要有氧化、吸附、膜分离和生 物等方法【1 4 】。 1 3 1 预氧化 预氧化技术是一种提高常规混凝工艺效率的方法，由于氧化剂破坏无机颗粒 表面的有机涂层，可降低其稳定性。氯是最早的水处理预氧化剂，但其危害健康 的氯化副产物限制了其推广【1 5 1 ；高锰酸钾可用于受污染污水处理，在一定条件 下能去除微量有机污染物，能有效地破坏水中某些氯化消毒副产物前驱物质，除 臭、藻类，并有良好的助凝效能1 6 , 1 7 】。高铁酸盐是一种强氧化剂，对低温低浊水 有显著的助凝作用和优良的除污染和藻类作用。 1 3 2 活性炭吸附法 以活性炭为代表的多孔介质吸附工艺可有效地去除色度、浊度和有机污染物 【1 9 】。在美国l 3 的活性炭用于给水净化，活性炭在我国给水处理工艺中的应用也 第一章绪论 较广【2 0 1 。当有机物的尺寸特性与活性炭的孔径分布协调一致时，活性炭才具有 较高的吸附性能及有机物去除率。具有较发达中孔的颗粒活性炭( g a c ) 非常 适合于水处理。 由于g a c 去除有机物的寿命仅3 - - 一6 个月，再生困难，更换价格昂贵，生物 活性炭( b a c ) 技术应运而生。b a c 是以活性炭为载体，利用自然吸附生长的 微生物，在水处理中同时发挥活性炭的物理吸附和微生物的生物降解作用。依靠 长期通水自然形成的b a c 菌种复杂，生物降解速率不高，通过投加高活性工程菌 人工固化形成的b a c 则具有高效、长效、运行稳定和出水无病原微生物等优点 【2 l 】 o 1 3 3 吹脱技术 吹脱技术是使水作为不连续相与空气接触，利用水中溶解化合物的实际浓度 与平衡浓度之间的差异，将挥发性组分不断由液相扩散到气相中，达到去除挥发 性有机物的目的【2 2 1 。但对难挥发性有机物去除效果很差。v i c t o ro s o s k o v 等人利 用空气吹脱的方法对水中的c 1 h c = c c l 2 、1 ，3 一c 6 h 4 c 1 2 ，c 6 h 5 c 1 进行去除试验 【2 3 1 ，去除率为3 0 - - - 8 5 ，去除效果随温度的升高而增加。在饮用水深度处理 中吹脱法费用低，是采用活性炭达到同样去除效果所需运行费用的1 4 - - - 1 2 。因 此。美国环境保护协会( u s e p a ) 指定其为去除挥发性有机物最可行的技术。 1 3 4 生物预处理技术 生物预处理技术是利用微生物的新陈代谢活动，将水中的有机污染物、氨氮、 亚硝酸氮以及铁、锰等有效除去，并明显改善饮用水中的色、嗅、味【2 4 1 ，从而达 到削减消毒物副产物前体物的目的。包括生物活性炭、生物塔滤、生物接触氧化、 生物流化床、生物转盘等几种形式1 2 5 , 2 6 1 。我国自8 0 年代初也开始了这方面的应用 研究。研究表明，生物净水方法有着很好的去除原水中有机物、氨氮等污染物的 效果【2 7 2 8 1 。 1 4 膜分离技术 膜分离技术作为一种饮用水深度净化技术。由于其装置简单、分离效率高、 占地少等一系列优点，引起了国内外的广泛重视和关注【2 9 】。近年来，膜分离技 术发展迅速。采用膜分离技术是去除致癌原生动物的有效方法。随着膜价格的逐 4 第一章绪论 年降低，其在未来水处理中具有广泛的应用前景【3 0 1 。s t a t e s 研究表明：只要膜设 备运行正常，即使进水水质发生变化，出水中的细菌数量一般都在检出限以下 【3 l 】 o 1 4 1 膜分离技术的发展概述 膜广泛存在于自然界中，特别是生物体内，然而人类对其的认识和研究较晚。 1 7 8 4 年法国学者a b b l en e l k t 发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内， 首次揭示了膜分离现象，创造了o s m o s i s 一词，用来描述水通过半渗透膜的渗透 现象【2 9 , 3 2 , 3 3 。但膜分离现象作为一种分离方法进行研究和应用则是在1 9 世纪末 2 0 世纪初才开始的【3 3 1 。从2 0 世纪4 0 、5 0 年代起，膜技术进入工业化应用时代， 每十年就有一种新的膜技术在工业上应用 3 2 , 3 3 】，如：4 0 年代后期丌发了微孔过 滤器，5 0 年代初期开发出离子渗透膜，5 0 年代中期出现不对称反渗透膜，6 0 年 代出现不对称超滤膜，7 0 年代的中空纤维气体渗透膜，8 0 年代后期的纳滤膜， 9 0 年代的反渗透汽化等【3 6 】。 有专家说，二十一世纪是膜的世纪，谁掌握了膜技术，谁就掌握了未来。膜 技术广泛应用于石油、化工、环保、能源、电子、食品、饮料、医药和生物工程 等行业中，并随着膜技术的发展，其应用领域还在不断地扩大【3 4 , 3 5 。据报道，世 界膜产品市场销售额已超过1 0 0 亿美元，且以1 4 3 0 的年增长速度在发展， 膜产业将是2 1 世纪新型十大高科技产业之一【3 5 1 。 1 4 2 膜分离技术简介 膜分离是一种在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能分离水中的离 子、分子和杂质的技术。膜分离过程按照膜对物质的分离范围和分离过程应用的 推动力来分类的，主要分为反渗透( r e v e r s eo s i m o s i s ，简称r o ) 、纳滤 ( n a n o f i l t r a t i o n ，简称n f ) 、微孑l 过滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，简称m f ) 、超滤 ( u t r a f i l t r a t i o n ，简称u f ) 和电渗析( e l e c t r o d i a l y s i s ，简称e d ) 、渗透蒸发 ( p e r v a p a r a t i o n ，简称p v ) 、液膜分离( l i q u i dm e m b r a n e ，简称l m ) 等。表1 2 列举了几种主要的膜分离过程的要点【3 6 】。膜分离技术的特点是能提供稳定可靠 的水质，这是由于膜分离水中杂质的主要原理是机械筛分，因而出水水质仅仅依 据膜孔径的大小，与原水水质以及运行条件无关。此外，膜分离还会使水厂用地 第一章绪论 大大减少，运行操作自动化，使水厂成为真正意义上的“造水工厂”【3 7 】。 膜分离性能按截留分子量( m o l e c u l a rw e i g h tc o m p o u n d s ，m w c ) 大小进行 评价。截留分子量是反映膜孔径大小的替代参数，单位是道尔顿d a l t o n ( 1 d a l t o n = 1 6 5x 1 0 之4 9 ) 。因为分子的形状和极性会影响膜的截留，所以m w c s 仅仅是一 种衡量膜截留杂质能力的大致标【3 7 1 。具有较小的m w c s 可去除水中较小分子量的 物质。r o 的m w c s 为1 0 0 2 0 0d a l t o n s ，其截留性能最好，能去水中绝大部分的 离子，透过的几乎是溶剂，即纯水。但r o 运行压力高，一般为1 1 0 m p a 。纳滤 膜的m w c s 为2 0 0 - - 一1 0 0 0d a l t o n s ，介于反渗透和超滤之间。根据n f 的m w c s 推测 可能有l 纳米左右的微孔结构，故称“纳滤”。n f 是一种荷电膜，其特点具有离子 选择性，一价离子可大量透过膜，但对多价离子，如钙、镁等，具有很高的截留 率。n f 的操作压力在0 5 - - 一2 5 m p a 。u f 孔径范围在0 0 0 1 o 1 t m 邛j 。 表1 - 2 几种主要的膜分离过程 t a b 1 - 2s e v e r a lp r i m a r ym e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s 6 第一章绪论 1 4 3 膜法深度；争水工艺应用现状与问题分析 1 4 3 1 国内外应用现状 近年来，随着膜技术的发展，在膜性能提高的同时，制膜成本大幅度下降， 以膜技术为核心的饮用水深度净化技术得到迅猛的发展【3 9 加】。此技术对化学药剂 的需用量很小，通过改变膜的孔隙尺寸，可以过滤截留微生物、悬浮固体，甚至 是溶解盐，亦可以从饮用水中分离出去【3 9 1 。国外有代表性的应用研究是日本厚 生省于1 9 9 0 , 1 9 9 6 年相继启动了面向新世纪的“m a c 一2 1 ”计划( m e m b r a n ea q u a c e n t u r y ) 【4 1 】和 n e wm a c 一2 1 ”计划，旨在采用n f 、u f 与活性炭吸附和臭氧处理 相结合的技术以及n f 技术，开发饮用水的深度处理工艺，以彻底改变现有自来 水的供给体系；巴黎郊区一座2 8 0 0m 3 d 的n f 净水厂【4 2 】，接受经传统工艺处理后 的地表水生产饮水，自1 9 9 3 年2 月成功运行。我国膜分离技术从开始建立至今已 有4 0 年的历史【2 9 1 ，其中膜法深度净水技术及其应用有了很大的提剐4 3 4 5 1 。例如 北京燕山石化总厂利用活性炭吸附与超滤膜组合系统进行饮用水深度净化，该系 统能有效地去除水中的高锰酸盐指数、u v 2 5 4 和大肠杆菌，尤其对腐殖酸和富里 酸以及相应的消毒副产物都有较高和稳定的去除效果【4 6 1 。国内另一饮用水膜法 深度净化技术的典型应用是黑龙江省大庆市石油管理局于1 9 9 7 - 1 9 9 8 年间建设 的总供水量为6 2 0 m 3 d 的1 2 个小区管道直饮水工程【4 7 1 ，其中七个系统于1 9 9 7 年建成，剩余五个于1 9 9 8 年建成，应用超滤膜过滤作为终端工艺，最后一个净 水站将其中一个超滤单元替换为反渗透单元，以降低净化水中总溶解固体( t d s ) 含量。 1 4 3 2 问题分析 尽管膜法深度净水技术确实解决了一些地区的饮用水质污染的问题，但实践 表明仅靠净化效果并不能完全达到工艺的稳定、经济运行的目的。膜技术在给水 处理应用所遇到的最大问题是膜污染。膜污染会导致水通量的持续下降，使膜的 使用寿命缩短。膜污染导致的水通量下降很难用水力清洗恢复，是不可逆转的 3 7 , 3 8 1 。研究发现，膜的选择和运行状态是影响膜污染的重要因素【4 8 1 。所以解决和 防止膜污染取决于两个方面：一是开发耐高温、抗污染、耐酸碱等性质稳定、成 本低廉的新型膜材料，以降低造价。国外膜材料主要向3 个方面发展：开发新型高 通量无机膜( 如金属膜) 4 9 1 ；进行有机膜的改性，以提高通量及抗污损性能5 0 】； 7 第一章绪论 制造有机一无机混合膜，使之兼具有机膜及无机膜的长处【5 1 】。二是膜法深度净水工 艺的优化运行，即在现有膜材料的基础上，优化工艺运行条件，尽最大可能提高 膜法深度净水工艺运行的可靠性和经济性。在当前膜材料科学发展水平的基础 上，膜法深度净水工艺的优化运行是更具有现实意义的方法。 操作条件与膜污染密切相关。对膜污染直接产生影响的运行条件包括渗透通 量、操作压力、膜面流速和运行温度等。优化膜分离操作条件可以有效地防治膜 污染，降低膜单元长期运行费用。研究认为对于某一特定的膜存在极限通量和临 界压力，超过极限通量和临界压力后，膜污染迅速加重，因此选择合适的渗透通 量和操作压力可以有效的减小膜污染4 8 , 5 2 】，使膜法深度净水工艺能长期高效运 行。但目前工程实际运行中的膜通量、操作压力等设计运行参数大多只是根据膜 产品出厂数据和经验来确定的，降低了膜工艺运行的经济性和可靠性。 国外，一些膜材料研究者及开发者为测定膜本体性能，利用实验室配制的溶 液建立了优化运行模型及理论【5 3 5 6 1 ，例如用实测的方法寻找超滤过滤抗生素发 酵液的最佳操作压力、最佳温度、泵循环率等。但这些研究对于指导膜法深度净 水技术这个特定的研究领域而言，上述问题的研究依然没有形成完善、系统的理 论体系及关键技术，也不同程度地存在和国内情况类似的共性问题。 1 4 4 反渗透膜深度净水系统优化运行问题的提出 在膜法深度净水技术中，由于反渗透膜技术适用范围广，从事反渗透膜技术 研究的单位和成套工程的公司多，近年来，其发展速度相对于其他技术快得多， 反渗透膜技术占据了主要的市场份额，所以反渗透膜技术是目前主要的应用方 法。前述分析表明，通过优化膜工艺的操作条件、运行状态，减少膜污染，降低 水的深度处理成本，提高处理效率，对于保证反渗透膜深度净水处理系统的经济、 安全运行具有十分重要的意义。这就涉及到如何优化反渗透膜深度净水处理系统 的问题。反渗透膜深度净水处理系统的优化包括优化设计和优化运行。 1 4 4 1 反渗透膜深度净水系统的优化设计 优化设计是现代设计法的核心，它是指在给定的设计问题中，按照技术和经 济的要求，利用数学优选方法，找出它的最佳设计方案【5 。反渗透膜深度净水 工艺的优化设计问题是指根据已有的设计条件( 如水量、水质) ，选定最佳的工 艺系统、最佳的设施组合等，从而保证在给定的设计工况条件下系统是最优的 第一章绪 论 【5 8 】。 反渗透膜深度净水系统的优化设计主要包括了工艺流程的选择( 不同的预处 理和膜处理的组合) 、处理单元设计参数的优化选择、处理单元处理效率的优化 及其经济设计等四个方面。 反渗透膜深度净水系统的优化设计，从经济效益而言是一个十分重要的课 题，它不但直接影响着当前的基本建设投资的多少，而且影响着电耗的费用和运 行成本。但是，当前在方法上，在资料上还不能完善，无法进行理想的优化，而 且反渗透膜深度净水工艺设计的优化是一个错综复杂的问题，它的范围、内容以 及如何进行优化设计，人们的看法和理解亦不尽一致。目前可以作为直接应用的 最优设计数学模型、寻优方法以及成套的通用计算程序还发展得不够，优化设计 所需的信息量和基础数据亦很不足【5 8 1 。目前仅是处于近似优化的水平。 1 4 4 2 反渗透膜深度净水系统优化运行问题的提出 反渗透膜深度净水系统优化设计本身是静态实现的阶段，体现在运行之前， 但在实际运行中，处理系统接受的原水来自管网水，受常规处理效率等因素的影 响，水质有时处于不稳定的随机变化状态；水量也可能受用水情况影响而有较大 变化。因此反渗透膜深度净水处理系统的运行条件属于非稳定工况，而不同的运 行工况对系统的运行费用影响很大5 9 1 。设计工况仅是实际运行工况范围中的一 个点，只有在该点上，实际工况符合设计条件，系统可以处于最优运行工况；在 其他条件下，不能保证运行工况最优，其运行费用也不可能始终最低。况且，受 设计水平、地区经济因素变化等的影响，即使实际工况与设计条件相符，也不能 保证运行工况就一定是最优的。另外，由于考虑到实际运行中出现的不利情况， 所以，在反渗透膜深度净水系统的设计中往往以最不利情况作为设计依据，而实 际运行中，大多数时间并非处于最不利情况下，所以设计参数偏于安全保守，相 应地提高了经济代价。上述分析说明，一个设计上达到最优的深度水处理系统， 并不能保证在运行时总是最优的，甚至可能是远离优化工况的。即优化设计不能 代替优化运行。这就提出了一个优化运行的问题。 所谓最优运行工况指对于已建成的水处理系统，以最低的运行费用处理水， 使之达到水质标准的要求。 从工程应用的角度出发，实现反渗透膜深度净水系统长期运行的最优化关键 9 第一章绪论 是建立反渗透膜深度净水系统优化运行模型，从而能够根据实时水质参数、工艺 本体参数求解所需的最优运行决策。 1 4 5 反渗透膜技术 1 4 5 1 反渗透膜的基本原理、透过机理【1 】和特点 反渗透是一种以压力为推动力的膜分离过程。在使用中为产生反渗透压，需 用水泵给含盐水溶液或废水施加压力，以克服自然渗透压及膜的阻力，使水透过 反渗透膜，将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜的另- - 倾ue 删。 关于反渗透膜的透过机理，目前一般认为是溶解扩散理论。这个理论是由朗 斯代尔和赖利等提出的。该理论假定膜是无缺陷的“完整的膜”，溶剂与溶质透过 膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的 一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。溶质和溶剂在膜中的扩散服从菲克定律， 这种模型认为溶质和溶剂都可能溶于均质或非多孔型膜表面，以化学位差为推动 力，分子扩散使它们从膜中传递到膜下部。因此，分子的扩散系数小得越多，高 压下水在膜内的移动速度越快，透过膜的水分子数量就比通过扩散而透过去的溶 质数量更多。 利用反渗透原理进行分离的方法，就是反渗透膜分离技术，其特点如下【4 j ： ( 1 ) 在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热 敏感物质的分离、浓缩，并且有相变化的分离方法相比，能耗较低。 ( 2 ) 杂质去除范围广，不仅可以去除溶解的无机盐类，而且还可以去除各类 有机物杂质。且具有较高的除盐率和水的回收率，可截留粒径几纳米以上的溶质。 ( 3 ) 反渗透装置要求进水要达到一定的指标才能正常运行，因此原水在进入 反渗透装置之前要采用一定的预处理措施。 ( 4 ) 反渗透是利用压力作为膜分离的推动力，分离装置简单，容易操作。 ( 5 ) 由于反渗透装置要在高压下运转，因此必须配备高压泵和耐高压的管路。 1 4 5 2 反渗透膜的材料及其组件 到目前为止，通用的反渗透膜材料主要有醋酸纤维素( c a 膜) 和芳香聚酰胺 ( p a 膜) 两大类。与醋酸纤维素反渗透膜相比，芳香聚酰胺反渗透膜的化学稳定性 好更好，不会被生物侵蚀。目前，占据反渗透膜应用领域主导地位的是芳香聚酰 胺复合膜。 1 0 第一章绪论 反渗透膜组件是将膜组装成能付诸应用的最小单元，是反渗透装置的主要部 件。根据几何形状，商品化的组件主要有四种基本形式：板框式( p f ) 、管式( t ) 、 卷式( s w ) 和中空纤维式( h f ) 。四种构型膜组件作用于反渗透的性能及操作 条件如表1 3 所示【钔。 表1 3 四种构型膜组件的比较 t a b 1 - 3c o m p a r i s o no ff o u rk i n d so fm e m b r a n e 注a - 以5 0 0 0 m 鲋的n a c i 溶液为原料，脱盐率达9 2 - 9 6 。 注b ：以聚砜为标准聚合物的估计价格 1 4 5 3 反渗透膜的性能 反渗透膜的基本性能一般包括操作压力、渗透通量、脱盐率和流量衰减系数 等。渗透通量也称透水率，它是指单位时间通过单位面积反渗透膜的淡水产量， 单位是m 3 ( m 2 - d ) ，渗透通量与操作压力、温度等有关。脱盐率是指反渗透膜 对水溶液中盐的脱除能力，它主要取决于膜本身的化学组分及其致密层结构。流 量衰减系数也称膜的压实效率。它是指反渗透装置在运转过程中产生渗透通量衰 减的现象，渗透通量衰减主要由膜压实、膜水解、表面污染等原因造成的。表 1 4 列出了我国研制的反渗透膜的性能【4 】。 第一章绪论 1 4 5 4 反渗透膜在水处理中的应用 1 反渗透膜在水处理方面的常规应用 由于淡水资源日益缺乏。世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万 吨。现在采用反渗透膜淡化海水制取饮用水已成为最经济的手段【6 1 1 。每吨水耗 电在5 k w h 以下，最大的装置处理能力达2 0 x 1 0 5 m 3 d 。同样它也是苦咸水淡化最 经济的方法，每吨水耗电在0 5 - - - - 3 k w h ，最大的装置处理能力达1 3 x 1 0 5 m d 。 2 反渗透膜在城市污水方面的应用 目前，反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用尤其是污水处理厂二级出水 回用及中水回用等，已受到高度重视。美国c a l i f o m i ao r a n g e 县w f 2 1 i 厂最早在 废水深度处理中使用了反渗透膜技术。s u z u k i y 6 2 1 等将不同组件形式、不同材 质的反渗透膜用于生活污水回用处理研究，结果表明：螺旋卷式聚乙烯醇复合膜 和三醋酸纤维素中空纤维膜在废水回用工艺中具有较高的实用价值：膜透过液水 通量较大，水质无色透明、无味，粪便大肠菌类的截留率为1 0 0 ，渗透液c o d 为1 2 m l ，色度1 度，磷含量为0 0 1 m g l ，基本与城市给水相差不大。 3 反渗透膜在垃圾渗滤液中的应用 1 2 第一章绪论 垃圾填埋场渗滤液是液体在填埋场重力流动的产物【6 3 1 ，水质复杂，水量变 化大，既含有各种有机物，还含有高浓度氨氮和各种重金属离子。其可生化性随 填埋时间而变化。但反渗透膜技术对这种波动“不敏感”，且最新一代的反渗透膜 也保证了反渗透膜技术在渗滤液处理中的正常运行。h u r d 等【叫选用3 种低压聚酰 胺反渗透膜对t r a i lr o a d 垃圾填埋场的渗滤液进行处理，结果透过液的流量取决 于操作压力大小及t o c 的浓度，当操作压力 1 0 3 x 1 0 6 p a 时，透过液的流量为2 6 0 - 5 4 o l ( m 2