（环境工程专业论文）连续微滤技术在污水回用领域的应用与研究.pdf

中文摘要 水资源短缺和水污染已经成为阻碍我国社会经济发展的主要因素之一。同 时解决这两个问题的个行之有效途径就在于水回用。城市污水具有水量大、 水质相对稳定的特点，是一种潜在的水资源。将处理过的工业、城市污水开发 成为一种新型水源加以利用，既满足了人类生活对于水的需求，节约了宝贵的 淡水资源，又减轻了水体污染，具有广阔的应用前景。 本课题通过研究国产c m f 膜系统稳定、高效运行的工艺条件，探索优化周 产c m f 膜系统的工艺参数。为利用国产膜处理技术进行污水再生利用丌展。些 基础性工作。 根据课题研究的内容，一共分成三个阶段： 第一阶段：研究不同进水条件一卜，国产c m f 设备产水水质情况。对幽产 c m f 进出水的多项水质指标进行化验分析。国产c m f 设备对于去除水中悬浮固 体、细菌、大肠杆菌的效果是非常显著的。 第二阶段：通过国产和国外c m f 两种设备的产水水质进行对比研究，考察 i 鲴产c m f 设备性能和运行情况。国产c m f 膜性能良好，出水量平稳，产水水 质达到了国外同类产品的标准。 第三阶段：分析造成膜污染的原因，通过实验对比不同膜清洗剂的清洗效 果，确定膜的最佳清洗方式和清洗周期。研究结果表明低温下酸洗清洗效果好， 水温在2 5 。c 以上时碱洗清洗效果好。建议应根据实际膜通量的下降睛况，安排 和调整化学清洗的时间间隔。 从0 4 年3 月至0 5 年6 月，在天津开发区污水处理厂一年多的生产性实验 表明，国产c m f 系统的产水可以达到r o 工艺对进水水质指标的要求，保证后 续r o 系统的正常运行。化学清洗效果明显，无须使用进口专用化学清洗剂。与 进口设备相比，无论是从设备投资上还是从吨水运行成本上，国产c m f 系统的 优势都是非常明显的。利用国产c m f 设备代替国外同类设备是完全可行的。 关键词：污水回用连续微滤( c m f )国产设备膜污染 化学清洗 比较研究 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c es h o r t a g ea n dp o l l u t i o nh a v eb e c o m eo n eo fm a i nf a c t o r st h a t o b s t m c tt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y w a s t e w a t e rr e u s ei sa ne f f e c t i v ew a y t os o l v et h e s et w op r o b l e m sa to n et i m e m u n i c i p a lw a s t e w a t e ri sc o n s i d e r e da sa k i n do fp o t e n t i a lw a t e rr e s o u r c ew i t hl a r g eq u a n t i t ya n dr e l a t i v e l ys t a b i l eq u a l i t y r e u s eo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rc a nn o to n l ys a r i s f yt h ed e m a n do fw a t e rf o rh u m a n s o c i e t y , b u ta l s os a v et h ev a l u a b l ef l e s hw a t e r , m i t i g a t ew a t e rp o l l u t i o n t h i sp r a c t i c e i so fg r e a tp o t e n t i a l i nt h i sr e s e a r c h ，d o m e s t i cc o n t i n u o u sm i c r o f i l t r a t i o n ( c m f ) e q u i p m e n tw a s s t u d i e dt op r o d u c er e c l a i m e dw a t e r , a n ds o m eb a s i cw o r kw a sd o n et oi n v e s t i g a t e o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sf o rd o m e s t i cc m f t h er e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r tt h eq u a l i t yo ft h ei n f l u e n t t oa n dt h ee m u e n tf r o md o m e s t i cc m fw a ss t u d i e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h e r e m o v a lo fs s ，t o t a lc o u n to fb a c t e r i aa n de c o l ii se f f i c i e n t ，a n dt h ee f f l u e n tq u a l i t y c a nm e e tt h ep r e t r e a t m e n tr e q u i r e m e n tf o rr e v e r s eo s m o s i s ( r o ) i nt h es e c o n dp a r t ， t h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n tf r o mb o t hd o m e s t i ca n di m p o r t e dc m fw a sc o m p a r e d d u r i n gt h i sp e r i o do ft i m e ，t h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cc m fw a ss t a b l ea n de f f l u e n t q u a l i t yi ss i m i l a rt ot h a tf r o mi m p o r t e de q u i p m e n t i nt h et h i r dp a r tt h er e a s o n sa n d c a u s e so fc m fm e m b r a n ef o u l i n gw a sa n a l y z e d t h ea p p r o p r i a t ec l e a n i n gm e t h o d a n dc l e a n i n gc y c l ew e r et e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a ta c i dc l e a n i n gi s m o r ee f f i c i e n ta tt h el o ww a t e rt e m p e r a t u r ea n da l k a l ic l e a n i n gi sm o r ee f f i c i e n ta t w a t e rt e m p e r a t u r ea b o v e2 5 。c i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ei n t e r v a lo f c h e m i c a lc l e a n i n gi s c o n t r o l l e db yt h ed r o pd e g r e eo f t h ef l u xo f m e m b r a n e t h r o u g ho n ey e a r ss t u d y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n tf r o m d o m e s t i cc m fc a nm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n tf o rr oe q u i p m e n t c o m p a r et o i m p o r t e dc m fe q u i p m e n t ，d o m e s t i cc m fh a sg r e a ta d v a n t a g e si n t h e c a p i t a l i n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t i ti sf e a s i b l et o r e p l a c et h ei m p o r t e dc m fw i t h d o m e s t i co n e k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rr e u s e ；c o n t i n u o u sm i c r o f i l t r a t i o n ；d o m e s t i ce q u i p m e n t m e m b r a n ef o u l i n g ；c h e m i c a lc l e a n i n g ；c o m p a r i n gr e s e a r c h 独创性说明 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耿得的 研究成果，除了文中特别加以标注和敛谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞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沦 文巾作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：( 洙孢签字f = 1 期：勘心年少月h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼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。 学位论文作者签名： 潞船导师签名：乃负； 签字f 1 期： 口年夕月j 臼签字f 1 期： o5 年9 月f 同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 水资源的匮乏与水污染 第一章绪论 水资源是指全球水量中人类生存、发展可利用的水量，主要是指逐年可以 得到更新的那部分淡水量。 我国是一个水资源匮乏的国家，总量不足，时空分布不均。我国人均年水 资源占有量约2 3 0 0m 3 ，为世界平均水平的1 4 ，是美国的1 6 ，巴西的l 1 9 ， 加拿大的1 5 8 ”。有1 8 个省、市、自治区的人均水资源量低于联合豳可持续发 展委员会审议的人均年占有水资源量2 0 0 0m 3 ，其中有l o 个省、市、自治区低 于1 0 0 0m 3 的生存线口i 。被联合国列为世界上1 3 个最缺水国家之一 3 1 0 我国目前6 6 8 个城市中，4 0 0 多个城市常年供水不足，其中1 3 6 个城市严重 缺水，日缺水量达1 6 0 0 万m 3 4 o 这种情况在我国北方地区尤为严重。北方持续 多年干旱，缺水面积达5 8 万平方公里，人均水资源仅为全国人均的1 5 。海河 流域包括京津两市的年人均水资源仅3 0 0m 3 ，为全国人均的i 7 。由于缺水， 我国北方河流断流现象日益严重，海河已变成季节性河流。黄河从1 9 8 5 年以后， 每年必定断流，而且断流的时间越来越长，1 9 9 7 年断流时间长达2 2 6 天p j 。 一方面，缺水形势严峻，另一方面，地表水( 江河、湖泊) 、地下水污染严 重。我国城镇每天至少有l 亿m 3 的污水未经处理就直接排入水体。经对全国5 3 2 条河流监测，其中4 3 2 条河流受到污染。污染率占8 2 。对全国3 7 个主要湖泊 蛸测的结果表明，每天流入的污水量6 0 0 万i i l 3 ，约占全国废水的6 。全国1 3 的水体不适于鱼类生存，1 4 的水体不适于灌溉，1 2 的城镇水源不符合饮用水 标准，7 9 的居民饮用的是受污染的水 5 1 。 由于水资源短缺，水体稀释能力低，导致水环境更趋恶化。地表水污染通 过入渗殃及地下水，加之化肥、农药的不合理使用，使地下水水质每况愈下。 且由于地下水超采严重，许多城市还出现了地而沉降，甚至形成许多地下水区 域性“漏斗”。全国的地下水漏斗区已超过8 万平方公里 5 】。 水资源短缺和水污染已经成为阻碍我国社会经济发展的主要因素之一。 1 2 水处理及循环再利用国内外发展概况 为了应对水资源供需矛盾而不断开发水源的传统做法开采地表水或地 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 下水资源以及跨流域调水，随着水资源短缺和水体环境f 1 益恶化，已经越来越 无法满足社会经济发展的要求。同时解决水资源短缺和水污染问题的一个行之 有效途径就在于水回用将处理过的工、恢城镇污水开发成为一种新型水源 加以利用，既满足了人类生活对于水的需求，节约了宝贵的淡水资源，又减轻 了水体污染，具有广阔的应用前景。 城市用水的8 0 转化为污水，经收集净化后，7 0 可再用。这意味着通过污 水再生利用，在现有水资源一定的情况下，城市水量可增长5 0 以上。 1 2 1 国外发展概况 国际上，美国、南非、以色列、日本、澳大利亚、新加坡等国早已开展污 水再生利用工作。 1 ) 美国 美国再生水利用的范围涉及农业、工业、地下水回灌、景观娱乐等方面【6 j 。 美国巴尔的摩市伯利恒钢铁厂从1 9 7 1 年就丌始利用该市污水作为冷却水及 i ：艺用水，最高达7 6 万i n 3 d 2 1 。得克萨斯州有五家发电厂利用城市污水净化水 作为锅炉补给水，此外，内华达州、俄克拉荷马州将污水处理后用于石油化工 行业、采矿业和金属加工业等。 建于1 9 7 6 年的美国加州2 1 世纪水厂，曾是世界上最早将生活污水用r o 法 处理后作为补给水注入地下水层，以保护当地地下水免受海水入侵。目前，一 个更大型的污水回用计划地下水补给g w r 系统正在施工中。该工程利用微 滤作为预处理进行反渗透，然后是紫外线消毒。该系统在第一阶段将生产出2 6 5 万m 3 d ，并满足所有饮用水标准”。 2 1 南非 1 9 6 8 年南非温得和克市建成了世界上第一座城市污水处理厂，处理后的水 用作城市自来水的补充水源。南非的三个发电厂早在1 9 4 2 年就将城市污水处理 后作为冷却水，迄今已达6 0 多年吼 3 1 以色列 以色列是严重缺水国家，早在2 0 世纪6 0 年代，就把回用所有污水列为一 项国家政策，规定城市的每一滴水至少应同用一次。目前，城市污水再利用率 已达9 0 ，在最南部地区甚至将它作为饮用水源p j 。 4 1 同本 早在1 9 6 2 年日本就开始了污水再利用，7 0 年代初见规模。到1 9 9 6 年已有 中水设施2 1 0 0 套投入使用，用水量达3 2 4 万m 3 d 10 1 。 犬津人学硕士学位论文第一章绪论 5 ) 澳大利亚 澳大利亚太平洋电力公司下属的e r a x i n g 发电厂利用与其丰 i 邻的d o r ac r e e k 污水处理厂的二级出水深度处理后作为高压锅炉供水，使锅炉淡水需求量降低 了5 3 t “j 。 澳大利亚的a d e l a i d e 市将污水收集起来，经过处理后再利用于湖泊补给水、 水景、卫生间冲洗。 澳大利亚奥林匹克基地的再生水工程在2 0 0 0 年悉尼奥运会期间成功地向奥 运会场馆、奥运村、奥运展览馆及周边郊区输送了高品质的再生水，用于浚区 域的厕所冲水、园林绿地浇灌和其他冲洗用途，充分显示了废水再利用的功效。 6 ) 新加坡 新加坡是一个没有淡水资源的国家，传统水源有两个，一是本国收集的雨 水，另一个是从马来西亚购买地表水。近年来需水增加，马来西亚供水困难。 新加坡大力进行污水回用工程生产新水( n e w a t e r ) ，注入蓄水池与地表水混合 再加以处理作为饮用水。 目前新加坡已建成了3 个新水厂，总生产能力为9 2 万n 1 3 d 。到2 0 1 0 年新 水产量将达到2 1 万1 1 1 3 d ，超过新加坡总用水量的1 5 。新加坡政府正试图最终 在2 0 1 1 年将全国饮用水的2 5 由n e w a t e r 提供 1 3 】。 i 2 2 国内发展概况 我国的再生水利用理论研究和实践经历了“六五”期间的起步阶段( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) ，“七五”到“九五”期间的技术储备和示范工程引导阶段，到目前的蓬 勃发展阶段【1 。 1 北京 2 0 0 3 年北京城市污水再生利用率为2 0 。目前，北京已建成2 0 0 余个建筑 再生水设施，已投入正常运行的有1 6 0 个左右，污水再生利用总水量约2 4 万 i t l 3 d ，主要用于冲厕、洗车和绿化等。除此之外还有2 6 个工业企业实现污水再 生利用，水量为3 3 5 万m 3 d ，主要用于建材行业的磨削用水、造纸用水以及厂 区内部的杂用水 1 5 】。 高碑店污水处理厂处理水资源化再生利用工程，近期形成3 0 万i t t 3 d 规模， 分南北两线供水。北线向高碑店湖输送2 0 万n 1 3 d 的二级出水替代原河水作为第 一热电厂的冷却用水补充水源，提供i , l k 冷却用水4 万r n 3 d 。南线提供1 0 万 m 3 d 的工业用水和市政杂用水用于工业冷却、园林绿化、道路降尘、洗车、冲 厕和公园水面补水【1 ”。其中大观园、陶然亭、龙潭湖等公园的绿地均已实现再 天津大学硕+ 学位论文第一章绪论 5 ) 澳大利亚 澳大利亚太平洋电力公司下属的e r a r i n g 发电厂利用与其相邻的d o r ac r e e k 污水处理厂的二级出水深度处理后作为高压锅炉供水，使锅炉淡水需求量降低 了5 3 i 忆 澳大利亚的a d e l a i d e 市将污水收集起来，经过处理后再利用于湖泊补给水、 水景、卫生间冲洗。 澳人利亚奥林匹克基地的再生水工程在2 0 0 0 年悉尼奥运会期间成功地向奥 运会场馆、奥运村、奥运展览馆及周边郊区输送了高品质的再牛水，用于该区 域的删所冲水、园林绿地浇灌和其他冲洗h j 途，充分显示了废水再利1 l j 的功效 6 1 新加坡 新加坡是一个没有淡水资源的国家，传统水源有两个，一是本国收集的雨 水，另一个足从马来西亚购买地表水。近年来需水增加，马来西亚供水田难。 新加坡大力进行污水回用工程生产新水( n e w a t e r ) ，注入蓄水池与地表水混合 再加以处理作为饮j q 水。 目前新加坡已建成了3 个新水厂，总生产能力为9 2 万l n 3 ，d 。到2 0 1 0 年新 水产量将选到2 1 万m 3 d ，超过新加坡总州水量的1 5 。新加坡政府正试图最终 在2 0 1 1 年将全国饮用水的2 5 由n e w a t e r 提供”i 。 1 2 2 国内发展概况 我幽的再生水利用理论研究和实践经历了“六五”期间的起步阶段( 1 9 8 0 - - 1 9 8 5 ) ，“七五”到“九五”期间的技术储备和示范l 程引导阶段，到目前的蓬 勃发展阶段【1 。 1 北京 2 0 0 3 年北京城市污水再生利用率y , j2 0 。目前，北京已建成2 0 0 余个建筑 再生水设施，已投入正常运行的有1 6 0 个左右，污水再生利用总水量约2 4 万 m ，主要用于冲厕、洗车和绿化等。除此之外还有2 6 个工业企业实现污水再 生利用，水量为3 3 5 万m 3 f d ，土要用于建材行业的磨削用水、造纸用水以及厂 区内部的杂用水【i “。 高碑店污水处理厂处理水资源化再生利用工程近期形成3 0 万m 3 d 规模， 分南北两线供水。北线自高碑店湖输送2 0 万1 1 1 3 d 的二级出水替代原河水作为第 一热电厂的冷却用水补充水源，提供i , l k 冷却用水4 万m 3 d 。南线提供1 0 力 m 3 ，d 的工业用水和市政杂用水用于工业冷却、园林绿化、道路降尘、洗车、冲 厕和公园水面补水“。其中大观园、陶然亭、龙潭湖等公园的绿地均已实现再 厕和公园水面补水1 1 i 。其中大观园、陶然亭、龙潭湖等公园的绿地均已实现再 天津大学硕十学位论文第一章绪论 生水喷灌。 2 大连 大连市目前再生水供应能力为5 万m 3 d 。其中，春柳河污水处理厂1 万i l l 3 d ， 实际再生水用量1 2 0 0m 3 d ；马栏河污水处理厂4 万m 3 d ，实际再生水用量 1 2 2 0 m 3 d 。另外，旅游季节，马栏河景观水体月用水量约5 0 万m 3 。 3 青岛 青岛市在1 9 8 3 年开始进行污水再生利用的试验与研究工作。1 9 9 3 年在东部 地区建立了再生水利用示范基地。目前，青岛市已建、在建再生水利用工程的 单位有1 3 家，设计处理能力3 3 2 4m 3 d ，主要用于绿化、景观和冲厕等方面【1 7 】。 4 西安 西安已建成污水处理厂两座，其中北石桥污水处理厂处理能力为1 5 万m 3 d ； 邢家村污水处理厂处理能力为1 6 力ih 1 3 d i ”】。建成的北石桥污水再生利用工程已 于2 0 0 3 年4 月试运行，就近供西郊热电厂等工业企业及园林绿化、市政杂用。 1 3 膜法水处理技术 传统的污水深度处理工艺主要针对城市污水处理厂的出水而占。一般城市 污水处理厂的出水也就是二沉池的出水经絮凝、沉淀、过滤、消毒四步工艺处 理，就完成了传统的污水深度处理。 膜法水处理技术是一种物理分离过程，它是靠压力为推动力进行过滤的处 理技术，最早主要应用于饮用水处理工艺。近年来，由于膜材料和膜技术的发 展，国内外水处理专家将膜分离技术大量引入到污水处理中。 由于膜分离技术与传统的污水深度处理相比，具有流程较简单，滤出水品 质高，处理效果稳定可靠的特点，使其越来越广泛的应用于水处理行业，成为 传统工艺的替代。 随着新型膜材料和制膜技术的不断突破，更加严格的环保法规的不断出台， 以及更高的能源和原材料价格将进一步刺激膜技术的应用和发展。我们有理山 相信，膜分离技术已成为解决当代环境污染问题、能源资源问题的重要高新技 术以及可持续发展技术的基础。 根据具体的使用目的和水质要求不同，膜处理的技术和设旎也随之不同。 膜法水处理技术一般分为四类：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透( r o ) ， 他们的过滤精度按以上顺序越来越高。 1 m f 能截留o t 1 9 m 之间的颗粒，m f 膜允许大分子有机物和溶解性固体( 无 机赫) 等的通过，但能阻拦住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透 天津大学硕士学位论文第一章绪论 过。 2 u f 能截留o 0 0 2 0 ，l g m 之间的颗粒和杂质，u f 膜允许小分子物质和溶解 性固体( 无机盐) 等通过，但将有效阻拦住胶体、蛋白质、微生物和大分子 有机物。 3 ，n f 是一种特殊而又前途的分离膜，它因能截留物质的大小为纳米数量级析 得名，n f 的操作区问介于u f 和r o 之间，它截留有机物的分子量大约在 2 0 0 4 0 0 左右，截留溶解性盐的能力为2 0 9 8 之间，对于单价阴离子盐 溶液的脱除率低于高价阴离子盐溶液。 4 r o 膜是最精密的膜法液体分离技术。它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于 1 0 0 的有机物。它广泛应用于海水及苦咸水淡化，锅炉给水、工业纯水及电 子级超纯水制备，饮用纯净水生产，废水处理及特种分离等过程。 1 4 微滤 1 4 1 微滤技术发展史 微滤是世界上开发应用最早的膜过滤技术。以天然或人工合成的高分子聚 合物制成的微滤膜的现代过滤技术始于1 9 世纪中叶。早在1 0 0 年前的实验室中 已制得了微滤膜，但对膜分离技术的系统研究始于2 0 世纪。 从2 0 世纪6 0 年代开始，随着聚合物材料的开发，成膜机理的研究和制膜 技术的进步，微滤膜的发展进入了一个飞跃发展的阶段。膜品种扩大到聚酰胺、 聚偏氟乙烯( p v d f ) 、聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、聚醚砜( p e s ) 、聚丙烯腈 ( p a n ) 、聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚苯乙烯( p s ) 等和无机膜陶瓷材料。由于微 滤膜制备方便、价格便宜，应用广泛。日前，它在各种分离膜中产值最高，占 世界膜总产值的5 0 以上【1 9 j 。 1 4 2 我国微滤技术的发展及其应用 微滤技术在我国的研究较晚，2 0 世纪五六十年代，我国一些科研部门对微 滤膜进行了小规模的实验和应用，但基本上没有形成工业规模的生产能力，真 正起步是在7 0 年代末和8 0 年代初。 通过国家“七五”和“八五”科技攻关，我国的微滤膜技术改变了仅有c a c n 膜片的局面。我国以天津工业大学、国家海洋局杭州水处理中心等为代表的膜 行业在通用膜品种方面与国外水平接近，尤其中空纤维微孔膜的研究已达到国 际先进水平p 。 天津大学硕十学位论文第一章绪论 目前，微滤技术已在饮料、医药、石油化工和环保等领域获得了、泛应用 取得了很好的经济、社会和环境效益。 1 4 3 微滤的特点 微孔过滤是以静压筹为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。 微孑l 膜具有比较整齐、均匀的多孑l 结构，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子 通过滤膜，比膜孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上，使大小不同的组分得以分离， 其作用相当于“过滤”。由于每平方厘米滤膜中约含一千万至一亿个小孔，孔隙 占总体积的7 0 8 0 ，故阻力很小，过滤速度较快。其操作压差为oo 卜一 o 2 m p a ，被分离粒子直径的范围为o 0 8 1 0 9 r e p j 。 天津大学硕十学位论文第二章开发区污水再生利用项目 2 1 项目背景 第二章开发区污水再生利用项目 天津市是严重缺水的城市之一，人均水资源占有量仅为1 6 0 m 3 ，是全国人均 占有量的1 1 6 。由于海河流域水体污泾比失衡，致使处于下游的天津水污染严 重，更加剧了缺水局面。 天津开发区位于引滦入津供水系统的末端，本区内没有可利用的水源。由 于滦河上游地区水量的迅速增加，可供天津地区使用的水量逐年成下降趋势， 旦遇上干旱缺水季节，上游水源紧张，开发区将面临无水可用的局面。 为缓解淡水资源短缺的状况，更加充分、有效地利用污水处理厂二级出水 这一宝贵的水资源，提高水的附加值和利用率，进一步改善海洋生态环境，2 0 0 0 年3 月，开发区委托天津市政设计院、天津市环科院承担天津开发区污水回用 【：程可行性研究。经过大量的现场调研，前后三次可研报告的编写与修改，确 立了水资源综合开发利用的发展战略，探索出开发区污水再生利用的重点和关 键，实现“环保”和“水资源利用”两大产业的双赢，保证了开发区的可持续 发展。 2 2 再生水的水源 天津开发区再生水水源为开发区污水处理厂二级处理出水。开发区污水处 理厂的设计处理规模为1 0 万m 3 d ，占地6 7 l h a ，总投资为1 6 亿元人民币。 该厂在国内首次采用s b rd a t - i a t 处理工艺。该工艺介于传统活性污泥法 与典型s b r 法工艺之间，既有传统活性污泥法的连续性和高效性，又有s b r 法 的灵活性，具有构筑物少、流程简单、对水质水量变化适应性强等特点。 开发区污水处理厂设计进水水质为b o d 5 1 5 0 m l 、c o d c ，4 0 0 m g l 、s s 一 2 0 0 m g l ；出水水质为b o d s 一 3 0 m g l 、c o d c t 1 2 0 m 【g l 、s s 一 3 0 m g l 。 污水处理厂自投入运行以来，各项处理指标均达到设计要求，运行情况良 好，为开发区解决水污染问题，改善投资环境起到极为重要的作用，并且也为 缓解渤海湾流域污染严重的情况发挥了积极作用。 天津大学硕士学位论文第二章开发区污水再生利用项目 城市污水具有水量大、水质相对稳定的特点，是一种潜在的水资源。开发 区每天都有6 7 万吨的污水经污水处理处理后直接排海。如果加以利用，则 既节约了淡水资源，又可以减轻二级出水直接排放带来的环境污染。 2 0 0 0 年天津开发区f 式启动污水吲片j 可研工作。经过大量的现场调研、水 质分析，摸清了本地区污水的水质特征，经过反复论证，提出了污水深度处理 ：e 艺方案。 2 3 污水再生利用工艺方案 通常情况下，城市污水处理，一的二级处理出水，在经过常规深度处理1 艺 后是可以满足相关再生水的水质标准的。但是，由于天津开发区地处渤海之滨， 是在盐碱滩上填土垫地开发建设而成，地质条件差，地f 水位高，排水管网不 可避免的渗入地下苦咸水。尽管采用了“切、堵、截、分流”等工程措施，最 大限度减少高含盐量水的流入，可是开发区污水处理厂的进水中氯化物和全盐 量浓度仍然很高。 经现场调研与系统分析，在实施下水道的“切、堵、截”等控制措旅以后， 旱季开发区污水中氯离子和全盐量平均浓度依然分别为1 2 2 0 m g l 和2 2 9 0 m g l ， 雨季分别为2 5 5 0 m g l 和5 0 7 5 n 7 【g l 。 这样，污水处理厂二级出水若经常规方法深度处理后，由于其中的氯离子 浓度与全盐量偏高，不符合诸如绿化用水、工业冷却水、市政杂用水等回用水 的水质要求，将无法加以利用。只有对其采用深度脱盐处理后，才能使处理后 的水质满足再生水用户的水质要求。因此，要实现开发区污水回用，就必须有 效降低污水中氯离子浓度与全盐量。 2 3 1 脱盐工艺的确定 水中含盐量高是限制开发区污水处理厂出水进一步开发利用的主要障碍。 开发区污水回用工程项目的核心就是脱盐。脱盐工艺在技术上是否可行，经济 上是否合理，直接制约着天津开发区污水再生利用工程的实施。 脱盐水处理的方法很多，但达到商品化和工业生产规模仅限于几种方法： 低温蒸馏、多级闪蒸、压气蒸馏、离子交换、电渗析和r o 等方法，其它方法实 际应用较少。 由于最近2 0 年r o 工艺研究取得的重大进展和显著成果，r o 工艺在脱捕 天津人学硕士学侮论文第二章开发区污水蒋生利剧项目 水处理中得到了广泛的应用。主要表现在： ( 1 ) r o 工艺适用范围广泛，不仅适用于高盐度进水，也适用于低盐度进 水，而其它方法只是针对其中的一种情况。 ( 2 ) 出现了低压、抗污染r o 膜，使r oi ：艺能耗大大降低。 ( 3 ) 预处理工艺的改进和创新，使r o 膜的使用寿命大大延长。 由于以上原因，r o 工艺在经济、技术上的竞争力不断增强，不仅在高浓度 海水淡化，苦咸水淡化领域广泛应用，就连过去一南是离子交换法一统天下的 低盐度水的脱盐处理，目前也已经呈现出f = = 1 益被r o 法所取代的局面。 在充分比较相关处理工艺，并结合了污水处理厂二级出水水质情况以及雨 生水不同的用途和要求的基础上，天津开发区污水再生利用工程最终确定采用 r o 脱盐工艺。 2 3 2 预处理工艺的选择 r o 是利用外加压力克服溶剂渗透压的一种膜分离技术。整个分离过程不发 生相变，对于溶解性盐类、会属离子、微生物和胶体物质等具有极高的去处能 力。但在脱盐过程中，由于水中物质在膜面上的积累，会造成膜污染。 r o 工艺包括预处理工艺、膜分离一【：艺和膜的清洗工艺，其中预处理t 艺是 保证r o 系统安全运行的必要条件。r o 工艺对进水的预处理要求非常严格，进 水中某些污染物质的存在会使其性能卜，降。如果进水预处理不当，膜组件在几 天内就会损坏。 针对r o 系统的特性和污水的水质特点，通常所采用的预处理方法就是传统 处理工艺( 见图2 1 ) 混凝、沉淀、过滤，并通过加氯消毒来去除水中固体 悬浮物、微生物及其它杂质。但在实际工程中采用传统处理工艺作为r o 脱盐的 预处理工艺存在一些问题： ( 1 ) 占地面积大、运行维护复杂； ( 2 ) 运行可靠性差，不能充分保证处理后出水水质，进而影响到r o 系统 的正常运行； ( 3 ) 在处理过程中需要投加大蹙的化学药剂。 与传统处理工艺相比，微滤技术足以膜上微孔为过滤屏障，有效去除悬浮 物和微生物且无需在处理水中投加药剂，操作运行简单，自动化的膜清洗技术 天津大学硕士学位论文第二章开发区污水再生利用项目 电保证了连续微滤( c m f ) 工作的长期稳定。c m f + r o 工艺流程见图2 - 2 。 c l z混凝剂 二级生化 出水昏园一蒂雩 图2 - 1 传统工艺流程图 c 1 2 n h 4 0 h气水反洗清洗剂 c 1 2 级生化 出水 雪l 圈一圈一甭当 反洗废水 图2 2c m f + r o 工艺流程图 美国u s f i l t e r 公司在8 0 年代初就开始膜过滤技术的开发和研制工作，其中 该公司生产的m e m c o rc m f 系统以其具有的高效分离性和可靠性为反渗透滤 膜的长期稳定运行提供了一个安全保障。 m e m c o rc m f 系统是由微滤膜柱、压缩空气系统和反冲洗系统以及p l c 自控系统四大部分组成。膜材料为p p 。微滤膜孔径0 2 9 m ，单根膜柱表面积为 1 5 m 2 。2 0 。c 时单根微滤膜柱水流量为1 2 6 m 。 除微滤本身的一些特性外，m e m c o r c m f 系统还具有一些独特的优点： ( 1 ) 系统占地少，可以在现有的建筑物内安装，安装费用低； ( 2 ) 模块式设计有利于膜组件的更换、修补和增容； ( 3 ) 利用空气对滤膜进行反冲洗，提高膜分离效果和膜组件的使用寿命； ( 4 ) 在线膜完整性测试，在任何时问均能保证出水水质： ( 5 ) 采用内置故障诊断，保证系统的全自动运行。 此次开发区污水再生利用工程选择了该公司生产的m e m c o r 微滤膜进行 天津大学硕十学位论文 第二章开发区污水再生利用项目 中问试验。2 0 0 0 年1 2 月至2 0 0 1 年1 1 月，污水网用中间试验进行了近1 年。试 验证明在开发区采用连续微滤对污水进行脱盐反渗透的预处理，技术是可行的。 由于所得出的结论与建议以实验研究数据为依据，科学合理，具有很强的说服 力，得到了众多专家的肯定。 2 4 再生水利用工程 2 0 0 2 年底开发区再生水利用工程天津丌发区新水源一厂建设完工。 2 0 0 3 年3 月1 日正式向再生水用户供水。 新水源一厂采用1 0 台m e m c o rc m f 设备作为r o 系统的预处理装置，最大 处理量2 9 8 8 0 m 3 d 。r o 系统2 套，生产再生水1 0 0 0 0m 3 d 。 经c m f 设备处理后的水分成两部分，一部分进入反渗透设备进行脱盐处理， 处理后水通过再生水管网输送到用户，另一部分作为景观用水流入丌发区人1 ： 湖。流程示意见图2 3 。 黼污水一日一圈一圈一且舨绿伽水 l 一景观用水 图2 3 开发区再生水利用示意图 大津大学硕士学位论文 第三章课题研究目的和内容 第三章课题研究目的和内容 3 1 课题的研究背景 2 0 0 3 年3 月开发区再生水利用一期工程正式运行，可生产再生水l 万m 3 d 。 经过一一年多试运行及正式生产，运行效果良好，取得了令人满意的成果。使开 发区水的重复利用率达到2 0 。 由于天津开发区再生水利用一期工程的成功实践，使得以膜技术为核一心的 再生水成套回用技术在我国得以进一步发展，引领了污水回用领域全新的技术 主导方向，缩小了与先进国家的差距。 我国目前污水再利用工艺几乎都是采用传统“老三套”方法。“老三套”方 法虽然工艺成熟、有现成的设计参数和建设规范，但也存在明显缺点，即：占 地面积大，处理效果一般。 天津开发区新水源一厂以示范工厂证明c m f + r o 膜处理工艺具有明显的优 点： ( 1 ) 工艺流程非常简单，预处理工艺更简便。从污水处理厂出水到高品质 纯净水，如此简单的工艺流程是传统工艺无法比拟的。 ( 2 ) c m f + r o 污水深度处理工艺出水水质良好，受进水水质波动影响很小。 c m f 在去除悬浮固体的同时，能去除绝大多数的细菌，c m f 出水水质优于传统 “老三套”工艺的处理水质，r o 出水完全达到了工业纯净水的标准。 ( 3 ) c m f + r o 工艺技术自动化程度极高，运行管理非常简便，几乎不需要 手工操作，大幅度减轻操作人员的劳动强度，降低了运行成本。 ( 4 ) c m f + r o 工艺装置采用模块式设计，便于增容，适用于水厂建设的灵 活性和分期性而且对厂房建筑的要求很低，是传统工艺难以做到的。 鉴于以上优点，在成功引进国外先进设备建设了国内第一座双膜法 ( c m f + r o ) 污水脱盐深度处理示范工程，在总结分析了国外设备在生产实际 运行中的状况、再生水水质、制水成本、产水标准等相关数据之后，在有关政 府部门的支持下，天津泰达新水源科技开发有限公司与天津膜天膜工程技术有 限公司，在吸收和消化国外先进设备关键技术的基础上，2 0 0 3 年联合开发和研 制出了具有广泛市场前景的国产c m f 工艺装置。 2 0 0 4 年初膜天膜公司在开发区污水处理厂完成了自行设计的c m f 设备的安 装。利用该设备作为开发区污水处理厂现有r o 系统的预处理装罱，进行国产 天津大学硕十学位论文第三章课题研究目的和内容 c m f 设备的生产性工程实验。 3 - 2 课题研究内容 本课题通过研究国产c m f 膜系统稳定、高效运行的工艺条件，探索优化国 产c m f 膜系统的工艺参数。为利用国产膜处理技术进行污水再生利用开展一些 基础性工作。主要研究内容： 1 ) 研究污水处理厂二级出水经国产c m f 设备处理后水质情况，确定满足 r o 装置进水要求的运行条件和工艺参数。 2 ) 研究不同工况( 如温度、进水条件等) 对国产c m f 设备产水率的影响。 3 ) 研究国产c m f 膜的清洗方式、清洗周期，探讨国产c m f 膜系统的经济 运行模式。 4 ) 进行国产c m f 设备的成本分析及经济评价。 3 3 课题研究目的 在本课题中，国产c m y 设备首次在污水处理中使用，并与r o 装置配合净 化污水回用于工业、园林绿地和市政、生活杂用，进一步降低了对于排放水体 的污染，提高了水的附加值和利用率，大大缓解了水资源缺乏的局面，实现了 “环保”和“水资源利用”两大产业的双赢。 本课题研究的目的在于研究经济、安全的污水再生利用技术，摸索出适合 国产c m f 设备运行的工况条件，探讨、优化凶产c m f 膜系统高效、稳定运行 的工艺参数和工艺条件，形成完整的自主的工艺技术体系，提高国产设备的市 场竞争力，促进污水处理新技术的推广。 天津大学硕士学位论文第四章实验装置与分析方法 第四章实验装置与分析方法 4 1 实验装置及运行 本实验利用膜天膜公司设计的c m f 设备作为现有r o 系统的预处理装置 进行国产c m f 设备的生产性实验。 4 2 国产c m f 设备的组成 国产c m f 设备处理污水能力为5 0 0 0 m 3 d ，最大产水量为4 8 0 0 m 3 d ，水回 收率大于9 5 。整套设备由主机系统、供水系统、自控系统、反冲洗系统、化 学清洗系统和供气系统组成。 处理出水 原 进 图4 1 国产c m f 装置示意图 反洗水罐 主机系统由4 台m t - c m f 6 2 5 设备组成，每台设备都能独立运行。每台设 备有膜组件2 5 个，膜组件为中空纤维外压式膜组件，单根膜组件膜面积为4 2 m 2 。 2 0 时单根微滤膜柱设计流量为2 0 m 3 h 。 供水系统由供水泵以及管路、阀门等组成。在4 台设备并联运行中，供水 泵采用变频恒压的供水方式，保证c m f 主机的运行压力不因运行设备台数的变 化及供、产水水量的变化而变化，防止了对膜的冲击，减少膜损坏的可能。 自控系统由p l c 、现场显示仪表和计算机等组成。其作用是对装置运行与清 天津大学硕士学位论文 第四章实验装置与分析方法 洗进行自动控制和监测。 反冲洗系统由反洗泵及相应管路、阀门组成，作用是在膜组件污染后对其 进行在线清洗，保证膜组件正常、高效运行。 化学清洗系统包括酸洗泵、碱洗泵及相应管路阀门等，作用是当c m f 膜污 染较为严重时，投加药剂对膜系统进行有效的清洗。 供气系统包括空气压缩机、压缩空气储罐及相应管路阀门等，作用是a ) 在 系统反沈过程中提供压缩空气；b ) 为系统的气动阀门提供动力。 4 3 国产c m f 设备与进口c m f 设备的不同点 膜天膜公司在此次安装的国产c m f 设备上采用了多项自主丌发的新技术： 1 ) p v d f 中空纤维膜组件 国外m e m c o rc m f 系统膜材质采用的是p p ，而膜天膜公司生产的国产 c m f 设备膜材质为p v d f 。 p v d f 膜是一种性能优异的分离膜，在室温下不被酸、碱、强氧化剂和卤素 所腐蚀，脂肪烃、醇、醛等有机溶剂对它也无影响，耐污染性能极佳2 ”。j f 常 运行条件下的p s 范围为2 1 0 ，使用清洗药剂的p h 范围可由1 至1 3 。 p v d f 中空纤维膜组件是膜天膜公司在国内率先推出，也是目前在国内唯一 形成产业化生产规模的膜组件。 国产c m f 设备与进口c m f 设备所使用的膜材料及相应指标的比较见下表。 表4 一l 国产c m f 与进口c m f 膜指标的比较 c m f 膜指标单位 国产c m f进口c m f 膜材质 p v d fp p 2 0 时膜设计通量 l m 。h4 7 68 4 0 膜孔径 u mo 2 o 2 中空纤维外径 u m1 0 0 05 5 0 中空纤维内径 p