（环境工程专业论文）膜生物反应器处理微污染地表水的试验研究.pdf

中文摘要 如今，要解决我国饮用水水源污染与饮用水卫生标准提高的矛盾，发展微污 染水处理技术是当务之急。在此背景下，本研究进行了m b r 及m b r p a c ( p a c ， 粉末炭) 组合工艺处理实际微污染地表水的系列试验，重点考察出水水质和膜污 染情况，对m b r 的工程化提供可行性研究。 连续试验的结果表明，采用m b r 处理微污染湖水时出水水质良好，向反应 器内投加p a c 可以进一步优化出水水质，并且减少膜污染。当原水是地表水 环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 规定的m 或类水时，m b r - p a c 工艺出水的 浊度、c o d m n 和氨氮均满足生活饮用水卫生规范和城市供水水质标准 的要求。同时，投加p a c 有效延缓了m b r 膜通量的衰减，使总的膜阻力由2 4 7 1 0 1 2 m - 1 下降至1 9 2 1 0 1 ：z m ，有效减轻了膜污染。 试验中重点讨论了m b r 对有机污染物的去除情况，发现p a c 和m b r 在去 除不同指标所代表的有机物时，存在相互促进作用。组合工艺对c o d m 。、u v 2 5 4 和u v 4 l o 的平均去除率分别达到6 6 8 、6 6 9 和9 7 5 。通过建立反应器内有机 底物的质量平衡方程，得到了m b r 对有机污染物去除率的数学表达式。由此可 以定量求出生物作用和膜截留作用分别对去除率的贡献，从而进一步探讨实现 m b r 对有机污染物去除的各种作用机理及影响大小。 m b r 处理微污染水的试验中，观察到反应器内混合液的有机物存在较明显 的累积，定义了混合液累积倍数彳。来对此进行描述。通过比较p a c 投加前后混 合液的特性，证实了混合液的累积程度和性质变化会影响m b r 的出水水质和膜 污染速率。投加p a c 减少了m b r 的混合液累积，降低了4 。，提高了混合液的 可过滤性，减轻了膜截留的负担，利于改善膜出水、减少膜污染。 试验中，采用空间排阻液相色谱法测定了m b r 进水、出水、混合液和膜污 染物的分子量分布，并且比较了进水可生化性改变时m b r 的运行情况。结果表 明，微污染湖水中，小分子物质含量多并且可生化性较差的特性，显著影响了 m b r 的出水水质和膜污染速率。试验证实，分子量小于3 0 0 0 的有机物质是膜出 水和膜污染物的重要组成，投加p a c 可以有效的吸附去除这些物质；同时进水 可生化性良好利于增强m b r 内的生物活性，降低混合液的累积。 由于饮用水源水中存在的微量人工合成有机物对人类健康的潜在危害日益 被重视，试验还采用m b r 处理微污染湖水中存在的微量酚，分别考察了m b r 对苯酚和2 ，4 _ 二氯酚的去除效果。连续试验证实，当进水苯酚和2 ，4 _ 二氯酚的浓 度分别为3 2 2p g ，l 和1 1 5 8 , g l 时，m b r 的平均去除率分别达到8 9 o 和 9 3 6 。间歇试验表明，m b r 系统对微量酚的有效去除主要是依靠反应器内活性 污泥的生物降解，二级基质和n o m 的诱导作用是主要的作用机理；同时在微污 染水处理中，m b r 可以培养出具有高亲和性的微生物，有利于微量酚的有效去 除。 总之，将m b r 组合工艺用于微污染地表水处理，可以在对水中有机物实现 总量去除的同时，还保证对微量酚类物质有高效的去除。试验证实m b r 组合工 艺具有代替改进的常规水处理工艺的潜力。 关键词：饮用水处理：微污染地表水；膜生物反应器；粉末炭；膜污染；除 酚 a b s t r a c t w i t ht h ec o n f l i c to fs e r i o u sw a t e rp o l l u t i o na n ds t r i n g e n ts a n i t a r ys t a n d a r df o r d r i n k i n gw a t e rq u a l i t y , i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e wt e c h n o l o g yf o rm i c r o - p o l l u t e d w a t e rf f e a t m e n t u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s , m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b 鼢a n d m b r p a c ( p a c ，p o w d e r e ds c t i v a t e dc a r b o n ) p r o c e s s e sw e r et e s t e df o ri t sf e a s i b i l i t y t 0a p p l yt op r a c t i c a l p r o j e e t sf o rd r i n k i n gw a t e rp r o d u c t i o n s e r i e 8o fl a b s c a l e e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dw i mt h ef o c l 培o nt h et r e a t e dw a t e rq u a i t y a n d m e m b r a n ef o u l i n gc o n d i t i o n s c o n t i n u o u sl a b s c a l et e s tp r o v e dt h a tu s i n gm b rf o rm i c r o - p o l l u t e dl a k ew a t e r t r e a t m e n tc o u l da c h i e v et r e a t e dw a t e rw i t hg o o dq u a l i t y d o s i n gp a ci n t om b r h e l p e dt oi m p r o v et h et r e a t e dw a t e rq u a l i t ya n dr e l i e v em e m b r a n ef o u l i n g w h e nt h e r a ww a t e rq u a l i t yb e l o n g e dt ot h et h i r do rf o r t hc l a s si nt h es t a n d a r df o rs u r f a c e w a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i e e , t u r b i d i t y , c o d m na n da m i n o n i an i t r o g e no ft h et r e a t e d w a t e rf r o mm b r - p a cp r o c e s sc o u l dm e e tt h es a n i t a r ys t a n d a r d f o rd r i n k i n gw a w r q u a l i 纱( i s s u e db yt h em i n i s t r yo fh e a l t hi n2 0 0 1 ) a n dt h ew a t e rq u a t i 钞s t a n d a r d s f o ru r b a nw a t e rs u p p l y ( i s s u e db yt h em i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o ni n2 0 0 5 ) a tt h es a l t l e t i m e ，p a ca d d i t i o nh e l p e dt os l o wt h er e d u c t i o no f m e r n b r a n ef l u x i tr e d u c et h et o t a l m e m b r a n er e s i s t a n c eo f m b rf r o m2 4 7 x 1 0 1 2 m l t o1 9 2 x 1 0 1 2 m - 1 a n da c c o r d i n g l y r e l i e v et h em e m b r a n ef o u l i n ge f f e c t i v e l y i nt h e s e e x p e r i m e n t s ，t h er e m o v a l o fo r g a n i c p o l l u t a n t sb ym b rw a s e m p h a t i c a l l yd i s c u s s e d ni sf o u n dt h a tt h ed o m i n a n c ec o m p l e m e n t a r ye f f e e tb e t w e e n m b ra n dp a ce x i s ti no r g a n i cp o l l u t a n t sr e m o v a l a v e r a g e d6 6 8 o fc o d m n ， 6 6 9 o fu v 2 5 4a n d9 7 5 o fu v 4 1 0c o u l db er e m o v e di nm b r p a cp r o c e s s t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h em a s sb a l a n c ee q u a t i o no fo r g a n i cs u b s t r a t ei nm b t h e m a t h e m a t i ce x p r e s s i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t sr e l l l o v a le f f i c i e n c yc o u l db ea c h i e v e d b 嬲e do nt h ee x p r e s s i o n , c o n t r i b u t i o no fb i o d e g r a d a t i o na n dm e m b r a n er e j e c t i o no n o r g a n i cp o l l u t a n t sr e m o v a lc o u l db ed i s c u s s e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y i th e l p e dt of u r t h e r e v a l u a t et h em e c h a n i s m so f o r g a n i cp o l l u t a n t s r e m o v a la n dt h e i r s p e c i f i c c o n t r i b u t i o n si nm b 艮 w i t hm b rk e p tr u n n i n g , t h ea c c u m u l a t i o no fi n e r to r g a n i cc o m p o u n d si nt h e b i o r e a e t o rw a $ f o u n d ，a n di n d e xa m ，w h i c hi sn a m e do r g a n i c sa c c u m u l a t i v ef a c t o ri n t h em i x e d l i q u o r , w a s d e f i n e dt o e x p r e s s t h i s p h e n o r l l c r l a c o m p a r i n gt 1 1 e e h a r a c t e d s t i e so ft h em i x e dl i q u o ro fm b rw i t ho rw i t h o u tp a ca d d i t i o n , i ti s c o n f i r m e dt h a tb o mt h em i x e dl i q u o ra c c u m u l a t i o na n di t se h a r a e t e r i s t i e sh a v e i n f l u e n c eo nt h et r e a t e dw a t e rq u a l i t ya n dm e m b r a n ef o u l i n gr a t e d o s i n gp a ci n m b rd e c r e a s e dt h eo r g a n i cp o l l u t a n t sa c c u m u l a t i o ni nt h em i x e dl i q u o rw i t ht h e r e d u c t i o no fa mv a l u e i ti m p r o v e dt h em i x e dl i q u o rf i l t e r a b i l i t ya n dr e l i e v e dt h e b u r d e no fm e m b r a n er e j e c t i o n t h a tr e s u l t e di nt h ei m p r o v e m e n to ft r e a t e dw a t e r q u a l i t ya n dt h ed e e r e n s eo f m e m b r a n ef o u l i n g i nt h e s ee x p e r i m e n t s ，s t e r i ce x c l u s i o nl i q u i dc h r o m a t o g l a mw a sa p p l i e dt o a n a l y z em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o no ft h er a ww a t e r , t h e 仃e a t e dw a t e r , t h em i x e d l i q u o ro fm b ra n di t s m e m b r a n ef o u l a n t s b e s i d e s m b rp e r f o r m a n c ew a s i n v e s t i g a t e dw h e nb i o d e g l a d a b i l i t yo f t h er a ww a t e rc h a n g e d i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r e l a r g eq u a n t i t i e so fm i c r o m o l e c u l eo r g a n i cm a t t e r si nm i c r o - p o l l u t e dl a k ew a t e ra n d t h e i rb i o d e g r a d a t i o n 黜p o o r t 1 1 eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a ww a t e rf c o v e dt o i n f l u e n c et h et r e a t e dw a t e rq u a l i t ya n dm e m b r a n ef o u l i n gr a t er e m a r k a b l yi nm b r ， o r g a n i cm a t t e r sw i t hm o l e c u l ew e i g h tl e s st h a l l3 0 0 0d a l t o nw e r et h em a i nc o m p o n e n t o f t h et r e a t e dw a t e ra n dm e m b r a n ef o u l a n t s p a ca d s o r p t i o nc o b l de f f e c t i v e l yr e m o v e t h e s cm i c r o m o l e e n l e o r g a n i cm a t t e r s ，a n di m p r o v e m e n t o ft h er a ww a t e r b i o d e g l a d a b i l i t yc o n t r i b u t e dt h ee n h a n c e m e n to ft h em i e r o b i a la c t i v i t yi nt h e b i o r e a c t o ra n dt h ed e c r e a s eo f t h eo r g a n i c sa e c u m u l a t i o ni nt h em i x e dl i q u o r c o n s i d e r i n gt h ep o t e n t i a ld a n g e ro nh u m a nh e a l t ho ft r a c es y n t h e t i co r g a n i c c h e m i c a l si nd r i n k i n gw a t e rr e s o u r c e m b rw a sa l s ou s e dt or e m o v et r a c ep h e n o l c o m p o u n d se x i s t i n gi nm i e r o - p o u u t e dl a k ew a t e r a n dt h er e m o v a lo f t r a c ep h e n o lo r 2 ，4 - d i c h l o r o p h e n o l ( d c p ) b ym b rw a si n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y c o n t i n u o u st e s t p r o v e dt h a tw h e nt h ea v e r a g ep h e n o lc o n c e n t r a t i o ni nt h el a ww a t e rw a s3 2 2 斗如 t h ea v e r a g e dr e m o v a le f f i c i e n c yo f p h e n o lr e a c h e d8 9 0 a n dt h ea v e r a g e dr e m o v a l e f f i c i e n c yo f d c pw s s9 3 6 而t hi t sc o n c e n t r a t i o ni nt h er a ww a t e rw a s1 1 5 8t t g l b e s i d e s ，b a t c ht e s t ss h o wt h a tb i o l o g i e a ld e g r a d a t i o np l a y sm a j o rr o l ei np h e n o l c o m p o u n d sr e m o v a lb ym b w i t ht h em e c h a n i s m so fs e c o n d a r ys u b s t r a t eu t i l i z a t i o b a n dn o mi n d u c i n ge f f e c t i tw a sf o u n dt h a tw h e nm b rw a su s e dt ot r e a t m i c r o - p o l l u t e dw a t e r , m i c r o o r g a n i s m sw i t hh i g ha f f i n i t yf o rs u b s t r a t ec o u l db e c u l t u r e di nm b r w h i c hi sf a v o r a b l ef o rt h e b i o d e g r a d a t i o no ft r a c ep h e n o l c o m p o u n d s i nc o n c l u s i o n 。u s i n gm b r - p a cp r o c e s sf o rm i e r o - p o u u t e d 吼l l f a c ew a t e r t r e a t m e n tc o u l dn o to n l yr e , n a _ o v et h eo r g a n i cp o l l u t a n t s 髂aw h o l e b u ta l s oa c h i e v e e f f e c t i v er e m o v a lo ft h et r a c ep h e n o lc o m p o u n d s i ti sc o n f i r m e dt h a tm b r - p a c p r o c e s sh a st h ep o t e n t i a lt os u b s t i t u t ef o rc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s k e yw o r d s ：d r i n k i n gw a t e r , t r e a t m e n tm i c r o - p o l l u t e ds u r f a c ew a t e r , m b r , p a c ，m e m b r a n ef o u l i n g , p h e n o lr e m o v a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：球陋 签字日期：洲年占月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁茎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：懈 签字日期：卯莎年占月r 矿日 导师签名：乃盈车 签字日期：o6 年s 月，ge l 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 如今全球淡水资源正面临两大问题：水资源短缺和水环境污染。这在一些国 家和地区，尤其是包括中国在内的发展中国家和地区，有日益严重的趋势。 1 1 1 我国水资源短缺状况 我国是淡水资源严重短缺的国家【1 1 ，且时空分布不均，人均水资源占有量 2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 ；北方地区人均只有9 9 0 立方米，不到世 界人均值的1 8 。我国每年缺水量约3 0 0 亿, - 4 0 0 亿立方米，其中城市的年缺水量 已远远超过6 0 亿立方米。每年工业产值因缺水损失2 3 0 0 亿元，耕地每年因干旱 减产粮食2 8 0 多亿公斤。缺水给居民的生产、生活造成许多困难和不便，城市缺 水问题尤为突出。以天津市为例，作为资源型缺水城市，天津市的人均水资源占 有量仅相当于全国人均水平的六分之一，属重度缺水地区。水资源短缺，供水矛 盾突出，已成为影响天津国民经济持续快速发展的重要制约因素。2 0 0 6 年1 月 天津市节水型社会建设试点规划通过审查【2 】，表明天津市开始着手通过节约 用水来部分缓解水资源短缺和水资源利用不合理的现状，以应对有可能在未来出 现的严重水危机。 1 1 2 我国地表水环境污染状况 我国是一个水资源受污染严重的国家，这同时又加剧了水资源的短缺。( 2 0 0 4 年中国环境状况公报【3 】表明我国地表水普遍被污染，其中在七大水系中，海河 水系属重度污染，劣v 类的水质断面的比例达5 6 7 。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 库的水质状况进行评价【4 】，发现在评价的1 3 0 0 条河流中，全年符合和优于类 水的河长只占总评价河长的5 9 4 ；在评价的5 0 个湖泊中，水质符合和优于 类水的有1 8 个；在评价的3 2 2 座水库中，水质符合和优于类水的有2 6 5 座， 占评价水库总数的8 2 3 。对于被污染的地表水来说，主要超标项目是氨氮、高 锰酸盐指数、五日生化需氧量、氟化物、挥发酚、总磷等。 由于地表水源是人们用水的主要来源，例如，2 0 0 4 年全国总供水量5 5 4 8 亿 天津大学博士学位论文第一章绪论 立方米，其中地表水源供水量占8 1 2 ，所以地表水源污染日益严重的状况使得 饮水安全形势变得十分严峻。2 0 0 5 年5 月，全国人大常委会执法检查组曾对水 污染防治法实施情况进行执法检查【5 1 。在检查中发现，目前，我国一些地区饮用 水源地的水质较差，符合标准、质量稳定的饮用水源地呈萎缩趋势。调查显示， 在1 0 0 0 多个地表水水源地中，不合格水源地占2 5 左右，饮用水安全问题凸显 出来，成为我国水污染防治所面临的一大挑战。 1 1 3 受污染地表水源水净化的意义 上面的分析表明，目前我国水环境恶化趋势尚未得到根本遏制，同时水资源 短缺的矛盾日益加剧，资源性缺水与水质性缺水并存，已经制约了经济社会的可 持续发展，危及到人民群众的身体健康和生产生活。虽然近些年，在节约用水以 及水污染防治方面，我们国家已经做了许多工作，但是就目前的社会和经济发展 状况来看，不使用受污染的水源而另寻其它水源对大多数地区来说是不可能的。 与此同时，人民随着生活水平的不断提高，对自来水的水质状况也越来越关 注，相应的饮用水的水质标准越来越严格。继2 0 0 1 年卫生部颁布生活饮用水 卫生规范之后，建设部于2 0 0 5 年6 月实施了城市供水水质标准 ( c j 厂r 2 0 6 2 0 0 5 ) ，作为行业的控制标准，该标准在增加多项检测指标的同时， 对原有检测指标的限值做了更严格的规定。日益严格的水质标准使现有的制水工 艺面临巨大的挑战。 总的来说，我国饮用水行业面临的形式是严峻的，目前要协调水源水数量不 足、质量下降和水质标准提高之间的矛盾，只有采用新技术处理受污染的水源永。 正是在这样的背景下，膜技术作为微污染水源水处理的一项新技术引起了人们的 广泛关注，成为给水处理领域的热点技术之一1 6 】。 1 2 微污染水源饮用水处理技术 1 2 1 微污染水源水的定义和特点 微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低浓度污染的水源水。 尽管污染物浓度较低，但污染物的种类较多、性质较复杂m 。我国地域广博，各 地水源水质条件差异明显，所面临的微污染水源水水质问题也不尽相同。对照地 表水环境质量标准来说，有机物和氨氮是微污染水源水中最主要的污染物。 1 2 1 1 微污染水源水中的有机污染物 微污染水源水中的有机污染物大致可以分为两类：一类是天然有机物 2 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( n o m ) ，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织和动物的废弃物等；另 一类是人工合成的有机物，包括农药、商业用途的合成物及一些工业废弃物等。 n o m 中以腐殖质在地表水源中含量最高，占有机物总量的6 0 9 0 * 6 ，它是水 体色度的主要成分，是饮用水中多种消毒副产物( d b p s ) 的前体物，是导致饮用水 致突变活性增加的主要因素。此外，消毒副产物的前体物中还有相当一部分来自 水中的非腐殖质部分的天然有机物。它们是主要的可生物降解部分，具有较强的 亲水性和较低的芳香度，可能由亲水酸、蛋白质、氦基酸、糖类等组成。n o m 是饮用水处理中的主要去除对象。 与此同时，随着工农业的发展，人工合成有机物在微污染水源水中普遍存在。 与n o m 相比，这些人工合成有机物大都含量较低，但是它们对人类健康的潜在 危害却不容忽视。其中很多有机物都位列我国环保局通过的“水中优先控制污染 物黑名单”之上，它们在水体中不易降解，在环境中可生物积累，并且大部分本 身具有毒性，部分具有“三致”作用。例如有研究表明，上海黄浦江水中有机物 种类至少在5 0 0 - - 7 0 0 种之间，在g c m s 定性检出的2 1 8 种有机物中，属于优先 控制污染物的达3 9 种【引。 此外，在微污染水源水中可能还同时存在一些具有内分泌干扰作用的化学物 质，这些物质在水中大都是极微量的，并且引起的影响和作用是缓慢的，但是它 们的存在会严重破坏人体内的激素分泌，导致人体内分泌功能的紊乱，在1 0 年 或2 0 年后，其影响一旦被发现，可能会已经影响当代和后代人的健康。如今， 环境内分泌干扰物质的存在和危害己成为一个全球性的社会问题【9 】。 耗氧量( c o d m 。) 是水质受有机物污染的重要指标之一，它在一定程度上代 表着有机物质的多寡，是一个综合指标。目前，我国微污染水源水中c o d ”。含 量大都大于5m g l ，还有不少水源的c o d m n 含量可达9 - 1 0m g l 以上。用这些 水源水所制备的饮用水要满足生活饮用水卫生规范和城市供水水质标准 中对c o d m 。限值的规定，需要水处理工艺对c o d m n 的去除率至少大于4 0 。同 时，国家对一些特定的优先控制污染物和内分泌干扰物质还制定了更为严格的限 制标准，这促使新的水处理技术要在实现对水源水中有机污染物广泛去除的同 时，兼顾对一些特定微量污染物的高效去除。 1 2 1 2 微污染水源水中的氨氮污染 饮用水中的氨氮虽然对人类的健康没有什么直接影响，但它同样反映了水源 水受到的污染程度。在进行饮用水处理过程中，氨的存在会与氯反应生成氯胺， 当饮用水中氯化了的氨超过o 2m g l 时会引起嗅和味的问题。而且氨的存在会 消耗大量的氯，降低了消毒剂的消毒效果。同时，氨氮较高还会导致供水管道中 亚硝化细菌增生，促使n 0 2 浓度增高，残留有机物还可能引起管道中异养菌孳 3 天津大学博士学位论文第一章绪论 生，导致饮用水中细菌不达标。 目前，我国不少微污染水源水中的氨氮常常可达3 巧m g l 以上，远远超过 新颁布的城市供水水质标准中规定的饮用水中氨氮的含量不超过0 5m g l 的要求。因此降低氨氮也是饮用水处理工艺中应该予以考虑的问题。 此外，各地微污染水源水中还较为普遍的存在微囊藻毒素、贾第鞭毛虫和隐 孢子虫、臭和昧等水质问题。在本文中不予以重点讨论。 1 2 2 微污染水源水的处理技术 以混凝、沉淀、过滤、消毒为主体的常规给水处理工艺把去除水源水中的浊 度、悬浮物、胶体、色度和病原菌等作为目的。当水源水质发生变化时，常规工 艺便显得力不从心。国内外的试验研究和实际生产结果都表明，常规工艺对微污 染水源水中有机物尤其是溶解性有机物的去除效果差，c o d m 。的去除率仅有 2 0 0 一3 0 t l ，对不少水厂来说，要满足出水c o d m 。小于3m g l 的要求存在一 定的困难。微污染水源水中普遍存在的氨氮问题也是常规工艺不能有效解决的一 个难题。同时由于工艺的流程长，处理效果易受水量水质变化以及操作条件的影 响，出水生物稳定性难以保证，并且采用氯消毒还可能会使致突变物质的含量增 加。因此，针对微污染水源水的特点，发展新的饮用水处理工艺变得十分必要。 目前较常采用的微污染水源水处理技术包括强化常规工艺、增加预处理和深 度处理三大部分。其中，强化常规工艺i l ”通常包括强化混凝、强化沉淀和强化过 滤，分别通过在混凝阶段采用新型的混凝剂、助凝剂，在沉淀阶段采用高效斜管 或斜板沉淀池，在过滤阶段采用生物活性快滤池等方式来优化系统对有机污染物 的去除。目前改进和强化传统净水处理工艺是控制水厂出水有机物含量最经济最 具实效的手段。无论预处理还是深度处理，大都应用了生物处理、吸附处理、膜 过滤和氧化处理等污染物去除方法，表卜l 给出了目前这些方法的应用状况和特 点【1 扣。 在实际运行中，也可以综合强化常规工艺、增加预处理和深度处理这三种技 术，应用组合工艺处理微污染水源水。例如，采用高锰酸钾与粉末活性炭联用， 可以有效地去除水中各种微量有机污染物，明显降低水的致突变活性：将臭氧 预氧化与微絮凝直接过滤工艺相结合，在强化对污染物的处理效果，降低杀菌消 毒投氯量的同时，省去了常规工艺中的混凝和沉淀工序，大大降低了处理成本。 其中膜技术及其组合工艺的应用被认为是当今处理微污染水源水，获得优质安全 饮用水的重要技术之一。 4 天津大学博士学位论文第一章绪论 表1 - 1 水源水中污染物去除方法 采用工艺或药剂特点应用状况不足 生 生物接触氧化池、 较高的有机物和氨氮处理效果受环境温 物 生物滤池、生物转 去除率，改善饮用水 以生物膜法为主， 度的影响较大；需 处 盘、生物流化床、 的色，嗅、味；未投多用于预处理，还要较长的成熟期； 生物活性碳滤池 加化学药剂，减少潜可以设在沉淀工艺各种微生物及其代 理在危害性；投资费用之后谢产物会进入后续 等 小、运行成本低的处理工艺 以活性炭吸附为对水中的色，嗅、味、 可用于预处理和深 对小分子极性物质 吸主，包括颗粒炭和农药、有机氯代物等 度处理；粉末炭使 去除较差；粉末炭 附粉末炭。还包括沸有良好的去除率；能 用灵活、方便；颗运行费用较高且回 法石、吸附树脂、硅降低水中致突变物质 粒炭多与臭氧联收较困难；颗粒炭 用，或形成生物活基建投资大，且可 藻土等的含量 性碳能形成二次污染 将难降解的大分子有用于预处理，易于 氧 0 3 、c 1 0 2 、c 1 2 、 机物氧化为中、小分 与常规工艺相结 可能会产生一些氧 化 k m n 0 4 、h 2 0 2 、 子有机物：将有害物合，或利于后续的化副产物，如溴酸 光化学氧化和催质氧化为无害物质；吸附、生物作用；盐等，对人体健康 法 化氧化技术等生成一些能够沉淀去用于深度处理，有产生危害 除的高价氢氧化物良好的消毒效果 污染物去除范围广。 基建投资和运行费 膜 m f 、u f 、n f 、出水水质稳定、安全一般适用于水的深 用高；会产生膜污 r o 、电渗析、液性高，降低了消毒加度处理，可与其它 法染，对预处理和化 膜等氯量；设备紧凑、易工艺组合使用 学清洗的要求高 控制、使用灵活 1 3 膜技术在饮用水处理中的应用 廿圃等旧圈i - 篡 l 一 一一i一。口“一l 1 ：。：。i 渗透物1 。：。：。：i 渗透物 l j 匕i t l j l j l 芷二_ r o 小m 原料 渗透物 颗粒 溶质( 高分子量) o 溶质( 低分子量) 溶剂 图1 1 微滤、超滤、纳滤和反渗透过程示意图 膜技术于2 0 世纪6 0 年代开始应用于水处理领域，至今不过4 0 年时间，却 5 天津大学博士学位论文第一章绪论 已经成为水处理领域中最有发展潜力的技术之一。与常规工艺相比，膜分离技术， 如：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透( r o ) 等，具有良好的调 节水质的能力，去除污染物范围广，运转可靠、基建费用低、设备紧凑、易自动 控制。膜对各组分的分离情况如图卜l 所示。 膜分离技术应用于饮用水处理的研究始于1 9 8 5 年，被列入当时欧洲的 “e u r e k aa n de s p r i t ”框架计划。膜分离技术的实用化研究以欧美和日本为主 ”7 2 2 。1 9 8 7 年在美国的k e y s t o n e 建成的微滤膜地面水处理厂是世界上第一座膜 分离净水厂，处理能力为1 0 5m 3 d ；之后采用微滤技术美国又先后建成了多个水 厂，如位于美国c a l i f s a n j o s e 的s a r s t o g a 水厂，产水量1 9 1 0 4m 3 d ，1 9 9 4 年 2 月投产，出水浊度一直保持在o 0 5n t u 以下。1 9 9 2 年佛罗里达半岛建成处理 水量3 6 1 0 4 n 1 3 d 的m f 水厂；m a n q e t t e 市水厂处理五大湖水，处理能力为2 6 1 0 m 3 d ，水厂自1 9 9 7 年9 月以来的运行结果表明微滤膜过滤水厂在经济上和 技术上均是可行的。1 9 9 9 年在美国的m a n i t o w o c 建成了处理量为5 5 1 0 4m 3 d 的m f 水厂，用于除去原水中的隐孢子虫。另外，美国f l o r i d a 州的b o c ar a t o n 市也计划在2 0 0 1 年建成一座1 5 1 0 5m 3 d 的n f 水厂。加拿大的r o t h e s a y 镇于 1 9 9 6 年建成了一座最终处理能力为4 0 0 0m 3 d 的水厂，采用淹没式微滤膜装置在 防止病原微生物污染的同时解决了铁锰的去除问题；c o l l i n g w o o d 镇的水厂于 1 9 9 7 年7 月供水，采用z e e w e e d 微滤膜，总处理能力为5 4 0 0 m 3 d ( 冬季水温2 时) 和7 2 0 0m 3 d ( 夏季水温2 0 时) 。 u f 过滤水厂大多数建立在法国。1 9 8 8 年法国a m o n e o u r t 市建成了第一座使 用醋酸纤维中空纤维u f 膜的膜分离净水厂，处理能力为2 4 0m 3 d ，该厂的u f 膜组件在连续运行六年的情况下，膜组件在处理能力及出水水质等方面均没有衰 减。1 9 8 9 年，法国的d o u e h y 市建成了一座示范性超滤膜水处理厂，两条超滤膜 水处理生产线的设计产水量为1 2 0 0m 3 d 。1 9 9 2 年法国的b i a r r i t z 地面水处理厂 和f o n g o m b a u i t 地下水处理厂，处理能力均为4 8 0 0n 1 3 d 。在欧洲其它国家，膜 技术同样被广泛地应用：1 9 8 9 年，荷兰应用u f 膜建立净水厂，用以去除浊度并 消毒，处理能力为1 2 0 0m 3 d ；芬兰的l a i f i l a 市于1 9 9 9 年建成了处理量为6 0 0m 3 d 的r o n f 过滤站，以除去水中高浓度的氟和铝。荷兰的h e c m s k e r k 有一家正在 运行的采用u f r o 工艺的水厂，处理量为5 5 1 0 4n 1 3 d 。苏格兰的一家设计流 量为3 2 1 0 3m 3 d 的水厂使用n f 技术去除水中的消毒副产物( d i s i n f e c t i o n b y - p r o d u c t s ，d b p s ) 。新西兰的t a u r a n g a 市建成了一座处理量为3 6 1 0 m 3 d 的m f 水厂，用于解决饮水中难以用氯杀灭的杆菌芽孢问题。 正是由于严格的水质标准引发的膜市场扩大，高通量、低污染膜的发展以及 膜价格的下降使得膜过滤技术依靠自身的技术优势在近几年的应用增长迅速。到 6 天津大学博士学位论文 第一章绪论 2 0 0 0 年，利用膜技术处理饮用水，在世界上已建成7 0 多个水厂，使用m f 及 u f 技术处理的饮用水总量达2 1 0 6m 3 a 。 但是，随着饮用水污染的加剧，微污染水源水的现状使得单独的、单步的膜 分离技术的应用同样受到了限制。日本在“新m a c 2 1 ”项目中研究开发了膜法 净化饮用水工艺，主要采用两种流程，如图1 2 所示，其中深度净化工艺包括活 性炭处理、臭氧氧化和生物处理。 匾p 虻砸匝匿卜丘亟 叫巫巫p 卧出水 匝乎岖匾面丑吨莲虱卫叫亟巫卜固亟西出水 图l - 2 在“新m a c 2 1 ”项目中典型膜过滤系统流程 这两种流程很清楚地显示了膜技术在应对微污染水源水处理时的技术策略， 具体分析如下： 对n f 和r o t 艺来说，它们对进水的浊度等指标要求较高，在进行微污染水 源水处理时，需要有混凝、沉淀、砂滤甚至m f 和u f 作为预处理。例如，美国r o b e r t r e i s s 等人在进行n f 处理地表水的中试研究时，在n f 之前分别采用了混凝沉淀 砂滤+ 预氯化，m f ，在线药混+ m f 三种不同的预处理工艺【2 3 】。法国m e r y - s u f - 0 i s e 水处理厂的扩建工程于1 9 9 9 年1 0 月竣工并投产运行，是第一座使用n f 技术处理 河水的水厂，也是世界最大处理水量的n f 膜分离净水厂洲。其日产水量达3 4 x 10 4m 3 。该厂的工艺流程在n f 之前加入了沉淀、臭氧、双层滤池、微孔过滤等一 系列预处理工艺。本身较高的操作压力加之复杂的预处理使得n f 和r o i 艺的运 行费用较高。虽然我国已经将纳滤膜水处理技术列入“2 1 世纪水计划