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膜分离技术在污水回用中的应用 摘要 篮睑童是用天然或人工合成膜以外界能量或化学位差做推动力，对双组分 或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯、富集的方法。膜分离技术是高新 技术领域中一门正处于蓬勃发展的新技术，它在水处理中的应用日益引起人们 的关注。将透丛皇l 理后回用，是一个很好的苞盔蕴施，必将成为一个新的市场。 根据水回用目的的不同要求达到标准不同，可采取不同处理方法，本课题采用 了膜分离法对城市污水二级出水进行了深度处理。 试验采用了活性炭吸附、预过滤、膜过滤的工艺路线。用聚丙 烯微滤膜和混纤微滤膜进行试验，着重研究了膜的运行参数( 时间、 压力、流量) 以及膜污染及其清洗问题，并确定了一种高效的清洗 技术，使膜的通透能力恢复到9 8 。经该工艺处理后的出水水质皆 优于生活杂用水标准，确定了其回用的可行性。 关键词：微滤膜污水回用膜污染膜清洗 。；j ：j 瑟瑟蓉l t h e a p p l i c a t i o n o fm e m b r a n e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y i nw a s t e w a t e rr e u s e a b s t r a c t m e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi saw a yt h a tm a k e u s eo ft h eo u t s i d ee n e r g y o rt h ec h e m i cp o t e n t i a ld i f f e r e n c ea si m p e t u s ，a n ds e p a r a t e ，c l a s s ，p u r i f ya n d e n r i c hs o l u t ea n di m p r e g n a n ti nt h es a v a g em e m b r a n eo rt h ec o m p o u n dm e m b r a n e i t i sad e v e l o p i n gn e wt e c h n o l o g y i th a sb e i n ga t t e n d e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no f m e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s w a s t e w a t e r r e u s ei sag o o dm e a s u r eo fs a v i n gw a t e r i tw i l lb ean e wm a r k e t a c c o r d i n gt o d i f f e r e n ti n t e n t sa n dd i f f e r e n ts t a n d a r d so fw a s t e w a t e rr e u s e ，m e m b r a n es e p a r a t i o n t e c h n o l o g y i sa p p l i e dt oa d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a c t i v ec a r b o na d s o r p t i o n ，p r e f i l t r a t i o n ，m e m b r a n ef i l t r a t i o na r ea p p l i e di n t h i st r i a l t h e p a r a m e t e r s a n dm e m b r a n ef o u l i n ga n dm e m b r a n ec l e a n i n go f p o l y p r o p y l e n e m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ea n dm i x e df i b r i nm i c r o f i l t r a t i o n m e m b r a n ei si n v e s t i g a t e d a n da ne f f e c t i v ec l e a n i n gp r o c e d u r ei sp r o p o s e d t h e p e r m e a b i l i t yo fm e m b r a n ec a nb er e h a b i l i t a t e d o v e r9 8 o fi t si n i t i a l r e u s e f e a s i b i l i t yi sc o n f o r m e d i nt h i st r i a i k e yw o r d s ：m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，w a s t e w a t e rr e u s e ，f o u l i n go fm e m b r a n e c l e a n i n go f m e m b r a n e ，。，；磊蕊i ，。粥纛j 臻融 r 致谢 学业将毕，回想三载求学生涯，我深感有幸受到尊敬的导师一 朱宛华教授的悉心指导。这三年来无论是在学业上还是在生活上都 得到了朱老师的指导、关怀和帮助，使我受益非浅。导师渊博的知 识、严谨的治学态度、忘我的工作精神使我终生难忘。导师毫无保 留的诲人气度使得我对科学和人生的知识有了长足的进步，将是学 生终生学习的楷模! 谨在此向导师致以最衷心的感谢! 同时，衷心感谢周元祥副教授和彭书传副教授，在我课题试验 研究过程中所给予的无私帮助和提出的宝贵意见。 衷心感谢安徽国祯环保节能科技股份有限公司的蹇兴超先生， 在课题试验研究过程中给予的帮助，以及在试验经费上给予的支 持，保证了试验的顺利进行。 对在试验研究过程中给予我帮助的合肥工业大学资源与环境 工程学院中心实验室的各位老师以及张再利、袁守军、刘洋、冯军 会等同学表示深深谢意! 最后，衷心感谢李会海同学的大力支持和帮助! 王萍 2 0 0 2 5 一勰巍囊。驻銎 插图清单 图1 1 二级处理后面加微絮凝和过滤 图1 2 二级处理后面加接触氧化法和砂滤池 图1 3 二级处理后面加混凝澄清过滤 图1 - 4 二级处理后面加滤池和活性炭吸附 图1 5 二级处理后面加超滤膜装置 图2 1 压力驱动的膜工艺的分类及其对应的被分离粒子的大小 图2 2 物质透过膜的传递 图2 3 边界层中的传质及浓差极化 图3 1 试验工艺流程 图3 - 2 试验装置实物照片 图3 3 试验用膜 图4 1 活性炭膜滤器过滤阶段进、出水c o d 的历时变化 图4 2 活性炭膜滤器过滤阶段c o d 去除率 图4 3p p m k 4 膜滤器过滤阶段进、出水c o d 的历时变化 图4 - 4p p m k 4 膜滤器过滤阶段c o d 去除率 图4 5p p m k 3 膜滤器过滤阶段进、出水c o d 的历时变化 图4 - 6p p m k 3 膜滤器过滤阶段c o d 去除率 图4 7c m - k 2 膜滤器过滤阶段进、出水c o d 的历时变化 图4 8 c m k 2 膜滤器过滤阶段c o d 去除率 图4 - 9 试验进、出水c o d 的历时变化 图4 1 0 试验c o d 总去除率 图4 一l1 活性炭膜滤器过滤阶段进、出水n h 3 - n 的历时变化 图4 一1 2 活性炭膜滤器过滤阶段n i - 1 3 - n 去除率 图4 1 3p p m k 4 膜滤器过滤阶段进、出水n h 3 - n 的历时变化一 图4 1 4 p p m - 膜滤器过滤阶段n h 3 n 去除率 图4 1 5p p m k 3 膜滤器过滤阶段进、出水n h 3 - n 的历时变化 图4 1 6 p p m k 3 膜滤器过滤阶段n h 3 - n 去除率 图4 1 7c m k 2 膜滤器过滤阶段进、出水n i l 3 - n 的历时变化 图4 - 1 8 c m - k 2 膜滤器过滤阶段n h 3 - n 去除率 图4 1 9 试验进、出水n h 3 - n 的历时变化 。墨型：! ：二一一 t ： o 蘧激蠢盔壮 心愿矗m埔加n m勰凹凹凹如如儿孔弛弛弘弘弘弭弘弘弱弘弘 图4 2 0 试验n h 3 - n 总去除率 图4 2 1 活性炭膜滤器过滤阶段进、出水t p 的历时变化 图4 2 2 活性炭膜滤器过滤阶段t p 去除率 图4 - 2 3 p p m i 4 膜滤器过滤阶段进、出水t p 的历时变化 图4 2 4 p p m k 4 膜滤器过滤阶段t p 去除率 图4 2 5p p m k 3 膜滤器过滤阶段进、出水t p 的历时变化 图4 2 6 p p m k 3 膜滤器过滤阶段t p 去除率 图4 2 7c m k 2 膜滤器过滤阶段进、出水t p 的历时变化 图4 。2 8c m k 2 膜滤器过滤阶段t p 去除率 图4 。2 9 试验进、出水t p 的历时变化 图4 3 0 试验t p 总去除率 图5 1 微孔膜各种截留作用示意图 图5 - 2 活性炭膜滤器的压力差a p 。随时间t 的变化规律 图5 3p p m ，k 4 膜滤器的压力差a p ：随时间t 的变化规律 图5 - 4p p m k 3 膜滤器的压力差a p 。随时间t 的变化规律 图5 - 5c m k 2 膜滤器的压力差a p 随时问t 的变化规律 图5 - 6 流量q 随时间t 的变化规律 图5 7 活性炭膜与新膜对比照片 图5 - 8p p m 膜与新膜对比照片 图5 9 p p m k 3 膜与新膜对比照片 图5 1 0c m - k 2 膜与新膜对比照片 图5 1 1 污染后的膜与新膜对比照片 。! ：羔：。一。 一巍蠢纛。囊濂鬃；i 。誊囊i 。l 弘卯”粥粥粥如如们“拍钾钾档钙的如 表格清单 表1 1 世界上几项污水回用的大型工程4 表1 2 我国城市污水回用工程实例5 表1 3 城市污水回用分类6 表2 1 膜科学发展里程碑l l 表2 - 2 膜过程的发展1 2 表2 3 几种主要膜分离的特点1 5 表3 - 1 试验用膜基本参数2 4 表3 - 2 试验材料设备一览表2 5 表3 。3 试验用水水质2 6 表3 - 4 水质标准2 7 表4 1 总大肠菌群、细菌总数的检测4 2 表4 2 检验报告4 1 表4 3 原始液中细菌含量对过滤效果的影响4 2 表4 4 试验出水水质4 2 表5 - 1 膜污染的分析鉴定方法4 5 表5 2 反冲洗时间与反冲洗后流量之间的关系5 6 表5 3 反冲洗压力与反冲洗后流量之间的关系5 6 表5 - 4 清洗时间与清洗后流量之间的关系5 7 表5 5 清洗压力与清洗后流量之间的关系5 7 表5 - 6n a c i o 溶液浓度与清洗后流量之间的关系5 7 表5 7 清洗时间与清洗后流量之间的关系5 8 表5 - 8 清洗压力与清洗后流量之间的关系5 8 表5 - 9 h n 0 3 溶液浓度与清洗后流量之间的关系5 8 一：i 皇坠。 + ；菇畿磊。搿。如积。美蕊i l+ ；女蕊。：蠢觚，。j 。自稚h 。童鍪i 霪 合肥工业大学硕士学位论文 第一章污水的回用 1 1 水资源的现状】 随着人类的不断进步和社会生产力的高速发展，人们逐渐认识到水并不是 取之不尽，用之不尽的资源，水资源紧缺是2 1 世纪人类面临的最严峻的问题。 地球上的总水量有1 3 8 6 x 1 0 ”m 3 ，其中有1 3 3 8 x 1 0 ”r n 3 在海洋里，占9 6 5 ； 1 7 6 在冰川、冻土、雪盖中，呈固体状态，约有2 4 3 6 x 1 0 1 6 m 3 ；还有1 7 在 地下，为2 3 4 x l o i s m 3 ：余下不足o 0 2 分散在湖泊、江河、生物和大气之中， 约有2 0 4 x 1 0 ”m 3 。在全球总水量中，淡水只占2 5 2 ，而这些淡水中的6 8 7 分布在人迹罕至的南极、北极和高山上，3 1 分布在地下，只有0 3 分布在湖 泊、江河等地面。全球陆地上的降水每年只有1 1 9 万亿m 3 ，它是人类可利用水 量的理论极限。但全世界对水的需求每2 1 年就翻一番，达到目前每年4 1 3 万 亿m 3 。全世界只有1 4 人群饮用到合乎标准的清水，l 3 的人口得不到安全用 水，而且缺水的形势日趋严重，争夺水资源将同争夺土地资源和石油资源一样， 可能成为下一轮国家间爆发战争的缘由。 我国水资源总量并不少，但人均占有水资源量却很低，是世界1 3 个贫水国 之一。年均降水量只有6 3 0 m m ，低于全球陆地面积年均降水量( 8 8 0 m m ) ，年均 水资源总量为2 8 l 万亿m 3 ，居世界第六位，但按1 9 9 8 年1 2 4 8 亿人口计算， 人均占有水量仅为2 2 5 l m 3 ，是世界人均水平的四分之一，居世界1 4 9 个国家的 第1 1 0 位。按国际上的通行标准，人均占有水资源2 0 0 0 m 3 为严重缺水，人均 占有水资源1 0 0 0 m 3 为最低标准，由此可见我国属于水资源短缺的国家。据统 计，我国城市每年缺水6 0 亿m 3 ，在全国6 6 6 座建制市中，有近4 0 0 座城市缺 水，日缺水量达1 0 0 0 万m 3 以上。缺水导致水费上涨，如威海市城市居民现按 每人每月2 m 3 水配额供应，超过配额部分按4 0 元m 3 收费。据美国经济学宾 莱斯特布朗预测，2 0 2 0 年我国将缺水3 0 0 多亿m 3 。到2 0 3 0 年中国工业用水 将从每年5 2 0 亿m 3 增加到2 6 9 0 亿m 3 ，届时水资源的短缺将更加严重。 一方面我国水资源严重短缺，一方面水资源污染日益严重。大量工业废水 不达标外排，绝大部分生活污水不经处理直接排放，广大农村地区不合理使用 化肥、农药等农用化学物质，对地表水影响日趋严重。1 9 9 5 年全国废水排放量 达3 6 5 2 亿m 3 ，占世界污水排放总量的8 6 ，造成全国7 0 0 余条大中河流中 的近l 2 遭受污染，其中7 0 余条河水受污染严重而失去使用价值。据国家 环保总局统计，1 9 9 8 年全国废水排放量为3 9 5 亿吨，生活污水占排放总量的 4 9 1 。大量污水未经处理就排入江河湖泊、海域，造成湖泊富营养化严重， 赤潮灾害增多。中国环境状况公报报道，目前7 8 的城市河段不适宜作饮 - l ，氯瓤。p 。o 。潮壤 合肥工业大学硕士学位论文 用水源，5 0 的城市地下水已受到污染。由于水污染，破坏了环境，水资源利 用率降低，加剧了水荒，人民健康受到威胁，工农业生产受到损失。据估计， 我国每年因水污染所造成的经济损失已达4 0 0 亿元i l 。可以说污染到了触目惊 心，非治理不可的程度。 另一方面，在城市用水中，工业用水占8 0 。而工业用水浪费问题严重， 表现之一是输水方式落后，水损失率高。据1 9 9 6 年供水年鉴统计，工业输水 过程中水损失率高达2 0 ，1 9 9 7 年工业用水在输送途中损失了2 0 0 0 多万m 3 ， 而日本在1 9 9 2 年的输水损失率仅l o ；再就是工业耗水量大，国内加工吨油 的水消耗量是国外的近5 倍，钢铁是国外的4 - 5 倍，啤酒是国外的2 - 6 倍，发 电是国外的2 倍，造纸是国外的2 2 5 倍；另外工业用水的重复利用率低，一 般只有3 0 ，德国高达6 4 ，日本为6 0 。 1 2 污水回用概况 要缓解水资源短缺，主要途径有：第一，改变生产结构，革新生产工艺及 装备，调整用水方式，提高水的重复利用率，最大限度地节约用水；第二，远 距离跨区域调水，以丰补缺，改变水资源分布不均的自然状况：第三，将城市 污水资源化，回用城市污水。但目前世界各国都将城市污水回用作为解决缺水 问题的首选方案，这主要是因为废水资源化与回用有很多优点。城市污水回用 指的是，生活和工业污水经过处理后，作为工业、农业或市政用水的水源。城 市污水中只含有0 1 的污染物质( 而海水含盐3 5 ) ，可就近而得，易于收集， 再生处理比海水淡化成本低，基建投资比远距离引水经济的多。并且能节约宝 贵的新鲜水，缓和工业与农业及工业与城市的用水矛盾，实现“优质水优用， 差质水差用”的原则，也可减轻或避免长距离输水问题。因此，无论从经济角 度，还是生态资源角度讲，污水回用都是开辟新的水资源的重要途径。 1 2 1 国外污水回用的研究及应用现状s 】 国外在二三十年代开始实践城市污水回用技术。在1 9 5 0 年，美国污水研 究者俱乐部利用模型进行了污水深度处理实验研究，其成果1 9 6 5 年用于加利 福尼亚州南塔湖污水处理厂，处理能力为2 8 4 0 0 m 3 d 1 7 】。目前，美国加州有2 0 0 多个污水回用厂，它们为8 5 0 多个用户提供回用水( 非饮用水) ，每年回用水 量约3 3 1 0 8 m 3 ，回用水中的1 4 被回灌到地下，1 9 9 5 年美国加州总循环水的 2 7 用于地下回灌。洛衫矶地区由于海水的盐渍化和水源缺乏，早在1 9 7 2 年就 建成了当时世界最大的深度处理水厂2 1 世纪水厂，2 l 世纪水厂最大产水 量为5 6 8 0 0 m 3 d ，处理工艺为投加石灰使磷沉淀，再用空气将水中的氨吹走， 然后经过滤和活性炭吸附，最后用氯消毒。1 9 9 1 年9 月开始过滤出水经反渗透 藤溢l是瓿 | | ： 鱼墨三些查兰塑兰苎竺! ! ! 羔 处理，出水水质更好。该水厂包括一个5 6 7 7 5m 3 d 的高级污水回收厂、一个 1 8 9 2 5m 3 d 的反渗透脱盐厂。该工程基建费( 1 9 7 2 年) 为1 2 0 0 万美元，运行 费每吨水0 1 美元，每吨水总电耗2 5 度。2 1 世纪水厂把目前可能得到的最高 级生产性装置技术应用到世界上最大的污水回收厂中，被认为是2 l 世纪许多 缺水城市通过污水回收解决供水问题的典型。目前，美国有3 5 7 个城市回用污 水，再生回用点5 3 6 个。全国城市污水回用总量约为9 4 1 0 3 m 3 a ，其中包括： 污灌用水、景观用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及回灌地下水和娱 乐养鱼等多种用途。其中灌溉用水为5 8 x 1 0 9 m 3 a ，占总回用量的6 0 ：工业 用水占总用水量的3 0 ，城市生活等其它方面的回用水量不足1 0 1 1 “2 。 作为缓解水危机的途径之一，日本早在1 9 6 2 年就开始回用污水，7 0 年代 东京、名古屋和大阪等城市就已将城市污水处理后回用于工业，促进了日本6 0 至7 0 年代工业的复兴。他们将生物处理后的污水经凝聚、快速砂滤、臭氧化， 然后用粒状活性炭吸附，发现出水可达到世界卫生组织饮用水标准。他们利用 三河岛污水处理厂二级出水经深度处理后供给东京都江东地区工业水道，一直 至今。近年来，日本环保部门对二级处理厂提出脱氮除磷要求，使二级处理出 水水质更为优良，再生水用于居民区、商业区和学校的杂用，包括用于厕所冲 洗、绿化灌溉、景观用水、美化城市环境等。 以色列早在6 0 年代时，便把污水回用列为一项国家政策，在全国八个配 水节点中都把污水作为水资源的平衡水量。以色列通过将城市污水厂出水漫流 过滤到沙丘进行土壤含水层处理，并储存于含水层，再通过回用井和输水管网 到达灌溉区，水质很好，可不受限制地对各种作物灌溉，工程规模达1 3 5 亿 1 0 3 m 3 a 。其生活污水的回用率已达1 0 0 。以色列的城市污水主要回用于农业 利用、工业利用和进入国家总输水干管满足于饮用水源的回用系统。 在德国，l a n g e n 市为解决地下水位下降问题，采用就近污水处理厂的二 级出水经曝气、沉淀、砂滤池过滤、臭氧氧化、活性炭吸附等措施深度处理后， 通过土壤渗滤补充地下水，该设施于1 9 7 9 年投入运行。 前苏联是水资源比较丰富的国家，但他们的污水回用规模也很大，莫斯科 东南区设有专用的工业水系统，将处理后的城市污水回用于工业企业，有3 6 家工厂用污水总量达5 5 x 1 0 5m 3 d ，年获利很大。 南非联邦不但工业使用再生水，而且在约翰内斯堡市，每日自来水1 1 1 0 5 m 3 d 的8 5 是加入的城市再生水，开创了使用污水回用到饮用水方面的先例 i 2 2 。 世界上几项污水回用的大型工程如表1 - 1 所示。 - 3 - 。 r 4 f ： ：然# 墨烈。，。t ”巍黟 合肥工业大学硕士学位论文 表1 - 1世界上几项污水回用的大型工程 t a b l ei - iaf e w g r e a tp r o j e c t so f w a s t e w a t e r r e u s ei nt h ew o r l d 序号国家工厂或项目名称回用量( 1 0 4 m 3 d )用途 1 美国马里兰州伯利恒纲铁公司 4 0 1炼钢冷却水 2以色列达恩地区2 7 4灌溉 3美国加州奥兰治和洛杉矶2 0 0工业冷却 4 波兰费罗茨瓦夫市 1 7 0 灌溉、地下水回灌 5美国密执安市1 5 9灌溉 6墨西哥联邦区1 5 5 灌溉花园 7 沙特阿拉伯利亚德市1 2 0石油提炼、灌溉 8美国 内华达州动力公司 1 0 2 火电厂冷却水 9 日本东京 7 1 工业用水 1 2 2 我国污水回用的研究及应用现状 m s ，2 3 ，2 4 1 我国从“六五”开始进行城市污水回用方面的研究工作。1 9 9 0 年把“污水 净化与资源化技术研究”列为“八五”国家科技公关计划。沿海城市大连污水 回用示范工程于1 9 9 2 年投产运行，它将城市污水处理厂出水经混凝沉淀过滤 后，回用作工业冷却水。水量每天1 0 0 0 0m 3 d ，售价每吨0 3 元，而大连1 9 9 3 年工业水价每吨0 6 元。污水回用比从碧流河引水可节约投资2 3 。回用水的成 本不超过0 4 元m 3 ，每年可创产值1 5 亿元。大庆乘风庄污水处理厂的二级处 理水，经深度处理后直接注入地下，作为石油开采用水。 太原市以北郊污水处理厂为依托工程，以太原钢铁公司为用户，经深度处 理后的污水回用于太原钢铁工业的冷却水取得突破性成果。 中国市政工程华北设计研究院给排水设计研究所，与协作单位泰安市污水 处理厂和泰安市园林管理处，对城市污水回用于景观水体进行了研究，取得满 意结果。 山东即墨市田横岛是一个观光渡假的旅游胜地，岛上水资源严重不足，为 解决这一问题，将污水经预处理和地下渗滤处理后，可达到饮用水标准，经一 段稳定运行后，抽取作为清洁水补充水，成本也很低。 目前，我国城市污水的回用率还很低，但是西方发达国家已经有了许多成 功的实例。近年来，我国每年排放的废水总量约3 6 5 亿m 3 ，其中约7 0 为工 业废水。工业废水处理率虽达7 0 左右，但其中只有3 0 左右的处理设施的出 水能达到标准。我国城市废水处理率不到1 0 。根据中国2j 世纪议程提 年 ，舢蕊 合肥工业大学硕士学位论文 出的目标，到2 0 1 0 年我国城市污水处理率达到4 0 5 0 ，缺水城市和地区以 及中小城市污水再生利用率达到3 0 - - 4 0 t 2 5 1 。 目前，我国城市污水回用的工程实例如表1 - 2 所示。 表1 - 2我国城市污水回用工程实例 t a b l e1 - 2 e n g i n e e r i n ge x a m p l e so f d o m e s t i c w a s t e w a t e r r e u s e i n c h i n a 回用工程地点规模回用场所及用途深度处理工艺 ( m 3 d ) 太原化工集团公司水厂一期化工厂、循环冷却 2 4 0 0 0颗粒填料生物接触 山西古交市镇底污水厂3 0 0 0污水厂锅炉补充氧化、过滤、加氯 水 山东莱i t 市污水厂2 0 0 0 0冷却水 气浮、颗粒填料生物 辽宁盘锦沥青厂 1 0 0 0工业用水 接触氧化、过滤、加 氯 气浮、臭氧氧化、颗 北京焦化厂3 0 0 0工业用水粒填料生物接触氧 化、过滤、加氯 太原北郊污水厂1 0 0 0 0钢铁厂、高炉冷却a 2 ，o 法二级处理、 加氯 大连市春流河污水厂 1 0 0 0 0化工厂等、冷却水过滤、加氯 青岛市湛山污水厂4 8 0海水养殖厂、洗涤混凝沉淀、过滤、加 氯 1 3 污水回用方式及常用的回用技术 1 3 1 污水回用方式 污水经处理净化后，回用于农业、工业、市政用水、景观、绿化用水及杂 用水等等，不但可以弥补水资源的缺乏，而且也减轻了水环境污染。 污水回用的方式主要包括城市生活用水和市政用水：工业和农业用水：地 下水回灌；景观和娱乐用水等。具体见表l 一3 1 2 6 1 。 - 5 - o 罐i & 。 翻。 滋叛嚣蕊。；一 合肥工业大学硕士学位论文 表1 - 3 城市污水回用分类 t a b l e1 - 3 c a t e g o r i e so f m u n i e i p a l r e u s e 污水回用的分类出水要求应用 二级，过滤，消毒 景观用水：公园、操场、 城 无限制 b o d s 1 0 m g l ，浊度 2 n t u ， 校园、防火、建筑、喷泉、 残余c 1 2 ：1m g l ，p h ：6 - 9 ， 艺术蓄水池 建筑中用水：厕所冲洗水、 市 粪大肠菌 n d 1 0 0 m l 空气调节水 使 二级，消毒，高速公路中间分隔带、高 用 b o d s 3 0 m g l ，t s s 3 0 m g l ，尔夫球场、墓地、居住地 受限制粪大肠菌 2 0 0 1 0 0 m l ，区、绿化带 残余c 1 2 ：1m g l ，p h ：6 9 二级，过滤，消毒人们消费的成熟的农作物 食用农作 b o d s l o m g l ，浊度 2 n t u ，和生吃食物 农 物残余c 1 2 ：1m g ，l ，p h ：6 9 ， 村 粪大肠菌 n d 1 0 0 m l ， 非食用农二级，消毒草料、纤维、种子作物、 使 作物和经 b o d s 3 0 m g l ，t s s 3 0 m g l ，牧草、商业养殖厂、草地、 用 过加工可 残余c 1 2 ：1m g l ，p h ：6 9 ，商业水产养殖 消费的食粪大肠菌 2 0 0 1 0 0 m l 用农作物 二级。过滤，消毒湖、游泳池、制雪用水 娱 无限制b o d s l o m g l ，浊度 2 n t u ， 残余c 1 2 ：l m g l ，p h ：6 9 ， 乐 粪大肠菌 n o 1 0 0 m l ， 用 二级，消毒钓鱼、划船和其他非接触 受限制 b o d s 3 0 m g l ，t s s 3 0 m g l ，娱乐活动 水 残余c 1 2 ：1 m g l ，p h ：6 9 ， 粪大肠菌 2 0 0 1 0 0 m l 根据场地要求而定： 用于开发污水创造人工湿 环境用水 p h 、溶解氧、大肠菌、氮 地，加强自然湿地和提供 溪水流量 地下水回灌、海水入侵控 地下水回灌根据场地特性 制、地面下沉控制 二级，消毒冷却系统用水、锅炉进水、 工业回用 b o d s 3 0 m g l , t s s 3 0 m g l ，建筑用水和冲洗用水 粪大肠菌 2 0 0 1 0 0 m l 。 混合于城市水补充水库、 饮料回用根据软饮料水的要求 管道对管道的补充 蛾，l 。j 、c 。：；蟹盘。 二 t 越 鑫菇基菇。搿矗始她、j 遴，蓬 合肥工业大学硕士学位论文 目前，国外利用生活污水二级处理出水回用的方式有下列几种： 1 用于工业冷却、生产工艺及锅炉用水； 2 用于冲厕、绿化、冲洗汽车等； 3 _ 哿城市二级污水处理厂的出水储存于断流的河道中，作为城市自来水厂 的水源。 我国目前应用最多的是浇洒绿地道路、洗车、冲厕等杂用水和农田灌溉、 地下水回灌等，也有用作冷却水甚至锅炉补给水。 1 3 2 常用的污水回用技术 回用水质的主要指标是悬浮物、溶解性有机物、氮、磷及一些特殊物质。 根据用途不同，对回用水质的要求也不一样，因此对处理方法的选择也不同。 污水回用的关键是污水处理技术，污水处理技术按其机理可分为物理法、 化学法、物理化学法和生物化学法等。通常污水回用技术需多种污水处理技术 的合理组合，即各种水处理方法结合起来深度处理污水，这是因为单一的某种 水处理方法一般很难达到回用水水质的要求。 常用的污水回用技术包括传统处理( 混凝、沉淀过滤) 、活性炭吸附、臭 氧氧化和土地渗滤等【2 7 】。 国外采用的方法主要有：混凝沉淀过滤法、活性炭吸附法、超滤膜法、微 絮凝过滤法、接触氧化过滤法、生物快滤池法、离子交换、反渗透、臭氧氧化、 氮吹脱、折点加氯等。 我国采用的方法主要有：混凝、沉淀、过滤的常规工艺、微絮凝过滤法以 及生物接触氧化后纤维球过滤、生物炭过滤等。 图1 1 图1 5 是几种典型的处理流程【2 8 】。 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 i 竺卤一回一圆 一i 混凝i l 过滤l l 清水池l 一出水 图1 - 1二级处理后面加微絮凝和过滤 f i g u r e1 - 1a d d i n g m i c r o - f l o c c u l a t i o na n df i l t r a t i o na r e rt h es e c o n d a r yt r e a t m e n t 空气 i 兰竺兰区函一囤一圈一出水 ，l 接触氧化池l 一l 砂滤池卜- l 清水池l + 出水 图1 - 2 二级处理后面加接触氧化法和砂滤池 f i g u r e1 - 2a d d i n gt h et o u c h e d - o x i d a t i o nm e t h o da n d t h es a n df i l t e ra r e rt h es e c o n d a r yt r e a t m e n t - 7 - 。一二- 。 吐0 菇纛蕊矗i 双戳氛i 。缸j 避。l 合肥工业大学硕士学位论文 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 型竺七盍卜卧 一塑堡卜一i 塑鎏卜一 c 1 2 匝三卜水 图1 - 3 二级处理后面加混凝澄清过滤 f i g u r e1 - 3a d d i n g t h ef l o c c u l a t i n gc l a r i f i e df i l t r a t i o na f t e rt h es e c o n d a r yt r e a t m e n t 二级处理出水 活性炭吸附塔 再生设备 图1 4 二级处理后面加滤池和活性炭吸附 f i g u r e1 - 4a d d i n g t h ef l t r a t i o na n dt h ea c t i v ec a r b o na d s o r p t i o n a f t e rt h es e c o n d a r yt r e a t m e n t 二级处理出水 图1 - 5 二级处理后面加超滤膜装置 f i g u r e1 - 5a d d i n g t h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n em o d u l ea r e rt h es e c o n d a r yt r e a t m e n t 运用混凝、沉淀过滤对二级出水进行处理，可去除浊度7 3 8 8 ，悬浮 物6 0 7 0 ，色度4 0 6 0 ，b o d 5 3 1 - 7 7 ，c o d 2 5 4 0 ，总磷2 9 - 9 0 。 据研究表明，该法不能去除氨氮。 活性炭是一种多孔性含碳物质，具有发达的微孔构造和巨大的比表面积， 它包括许多种具有吸附能力的碳基物质，可有效的去除色度、臭味，能除去水 中大多数的有机物污染物和某些无机物，包括某些有毒的重金属。但二级出水 中也含有不被活性炭吸附的有机物，例如蛋白质的中间降解物( 如氨基酸) ， t e 原有的有机物更难于被活性炭吸附【”j 。 臭氧能有效的去除水中杂质所造成的色、嗅、味，其脱色效果比氯和活性 炭都好。臭氧能降低出水浊度，起到良好的絮凝作用，提高过滤滤速或延长过 滤周期。但由于二级出水成分复杂，存在许多难以被臭氧氧化的有机物( 如长 链饱和脂肪酸) ，而且臭氧直接氧化具有高度的选择性，与有些有机物的反应 4 1 - 一一i 塑一 ，、意婚i 麓j 巍、缓瓤， 合肥工业大学硕士学位论文 速度太慢或难以反应。如臭氧氧化芳香族化合物部分或全部消失，不饱和脂肪 酸减少或消失，对长链饱和脂肪酸无效，而醛与短链饱和脂肪酸出现或增加p “。 土地渗滤也叫土壤含水层处理，它使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗透以利 用土壤中生长的大量微生物对水中污染物质进行降解去除以净化水质的方法。 此法处理费用便宜，不需地表贮存设施，使水参与水文循环，缓解了饮用水和 其他都市污水回用的心理障碍。该方法投资省，处理效果好，对有机物尤其是 对有机氯化物和氨氮有较好的去除效果。但它的缺点是占地大，不易管理。 综上所述，各类常规方法均有不足之处。近来，一度被认为昂贵的膜法正 变得越来越经济，具有越来越强的竞争力，膜分离技术在污水深度处理中的应 用越来越广泛。 微滤可去除包括细菌、病毒和寄生生物在内的悬浮物。反渗透可以降低水 的矿化度，并可除去总溶解固体。超滤已被用于除去大分子，如腐殖酸。由于 目前进城市污水处理厂的污水水质普遍偏低，才使二级处理出水和中水处理出 水水质基本上能符合国标中生活杂用水的水质标准，随着人们生活水平的提高 和对中水回用水质要求的提高，如用于工业的工艺用水及用作洗车和洗涤，就 对中水中的细菌( 如鞭毛虫、隐孢子虫) 、病毒、挥发性气体提出要求，像国 外成千个中水回用实例那样，中水处理工艺已要求采用膜处理技术，包括连续 式微过滤( c m f ) 和反渗透( r 0 ) 。由国外实践经验表明，用反渗透和超滤处 理二级出水不仅能除去悬浮固体和有机物，而且能除去溶解的盐类和病原菌 等，得到高级的再生水，可作为工业用水、杂用水、灌溉用水、建筑用水等。 膜分离工艺装置紧凑，操作方便，占地小，出水水质稳定可靠，般不需消毒， 处理效率高。随着膜制造工艺的提高，膜材料价格下降，膜分离技术的应用前 景将十分广阔。 1 4 城市污水回用的经济效益 i s , 3 j 城市污水回用与开发其他水源相比在经济上的优势： 1 比远距离引水便宜。将城市污水处理到可以回用做杂用水的程度，其基 建投资只相当于从3 0 公里外引水；若处理到可回用做较高要求的工艺用水， 其投资相当于从4 0 - 4 5 0 公里外引水。而我国水资源分布不均衡，对于西北部贫 水的城市，如果从东南部水资源丰富的地区引水，引水距离至少为上百公里， 甚至达到上千公里，工程是十分浩大的。 2 比海水淡化工程经济。城市污水所含杂质少于o 1 ，而且可用深度处理 方法加以去除，而海水则含有3 5 的溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污 水二级处理出水的3 5 倍以上。因此，无论基建费或单位成本，海水淡化都超 每 t j 二= 血。“ 藕矗一，。、。蠢毹耋 合肥工业大学硕士学位论文 过污水回用。 3 不仅节约了宝贵的水资源，而且节约了排污费用。目前，大部分城市污 水都是直接排放人江河湖泊，不仅污染环境，而且国家要收取相应的排污费， 这对于城市的发展来说也是不小的负担。以一个年产2 万吨合成氨厂为例，使 用处理后的污水作为循环冷却水及其他工艺用水，每年可节水3 0 0 万m 3 ，减少 排污费2 4 万元，直接经济效益1 0 0 万元。再以南方某炼油厂为例，采用处理 后污水作循环冷却水，可节约新鲜水3 2 万m 3 a ，减少排污3 2 万m 3 a ，两项节 约费用4 0 6 万元a ，除去投资费用每年可获经济效益2 0 6 万元。 壅、l ：。，、 - 1 0 - 二二! _ 口。 ：溢童溢。巍。s 斌罄繇。i 矗麓灌 合肥工业大学硕士学位论文 第二章膜分离技术 2 1 膜分离技术的发展概况 关于膜技术发展历史可以从两个方面来看，即膜科学发展和工业进展。一 些值得一提的有里程碑价值的工作见表2 1 。 表2 - 1 膜科学发展里程碑 t a b l e2 - 1t h el a n d m a r ka b o u tt h ed e v e l o p m e n to f m e m b r a n es c i e n c e 观察现象渗透：n o l l e t ，1 7 4 8 年 电渗析：r e u s s ，1 8 0 3 ，p o r r e t ，1 8 1 6 透析：g r a h a m1 8 6 1 关联式扩散：f i c k l 8 5 5 渗透压：v a n t h o f f , 1 8 7 7 电解质传递：n e m s t p l a n c k ，1 8 8 9 理论探索渗透压：e i n s t e i n ，1 9 0 5 膜电位：h e n d e r s o n ，1 9 0 7 膜平衡：d o n n a n ，1 9 1 1 反常渗透：s o l l n e r ，1 9 3 0 不可逆热力学：k e d e m ，k a t c h a l s k y ，1 9 6 4 传递模型 离子膜：t e o r e l l ，1 9 3 7 ，m a y e r ，s i e v e r s ，1 9 6 4 孔模型：s c h m i d ，1 9 5 0 ，m e a r e s ，1 9 5 6 溶解扩散模型：l o n s d a l e ， 1 9 5 6 1 7 4 8 年法国学者阿贝诺伦特( a b b e n o l l e t ) 发现，水能自然的扩散到装 有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，开始了对膜过程的研究。但 由于受到人们认识能力和当时科技条件的限制，过了1 0 0 多年后，1 8 6 4 年才成 功研制成人类历史上第一片人造膜亚铁氰化铜膜。直到1 9 5 0 年朱达( j u d a ) 制成了具有实用价值的离子交换膜后，这才大大促进了合成膜技术的发展，并 且首先在扩散渗析和电渗析领域中得到应用。1 9 5 3 年美国里德( r e i d ) 教授开 始进行反渗透研究。1 9 6 0 年洛布( l o e b ) 和索里拉金( s o u r i r a j a n ) 教授制成 了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜，真正为以反渗透、微滤、超滤和 纳滤膜为主体的现代膜工业奠定了基础，并引起全球范围内的广泛关注。反渗 透设备的研究主要是对各种形式的膜组件的研制。1 9 6 1 年美国h e v e n s 公司首 先提出管式膜组件的制造方法。1 9 6 5 年美国加里福尼亚大学( u c l a ) 制造出 蠡i 鼗 合肥工业大学硕士学位论文 用于苦咸水淡化的管式反渗透装置。1 9 6 4 年美国通用原子公司研制出螺旋式反 渗透组件。1 9 6 7 年美国杜邦( d u p o n t ) 公司首先研制出以尼龙一6 6 为膜材料的 中空纤维膜组件，1 9 6 7 年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“p e r m a s e p b 一9 ” 中空纤维膜组件，从此有机膜分离技术得到迅猛发展。近3 0 年来，作为一门 新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，新的膜过程不断地得到开发研究，如 渗透汽化、膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜 及生物膜等过程的研究工作不断深入。这些合成膜技术主要应用在四大方面： 分离( 微滤、超滤、反渗透、电渗析、气