（环境工程专业论文）超滤膜污水回用装置的开发与应用研究.pdf

摘要 摘要 本课题通过以超滤膜为核心的三种组合工艺( 砂滤一超滤；微絮凝砂滤一超滤：砂 滤一炭滤一超滤) 对城市污水厂二级出水的处理研究，试验结果表明超滤出水的浊度、 c o d c r 、色度等水质指标明显优于城市生活杂用水规范标准，可以作为部分行业的工业 用水。超滤对浊度有很高的去除率，达到9 6 左右；对c o d c ，的去除率与原水浊度有关： 浊度越高，对c o d e r 去除率越高。 三种组合工艺对氨氮、总磷、u v 2 5 4 都有一定的去除率。对氨氮的去除率不稳定， 且去除效率都比较低，小于2 0 。微絮凝直接过滤一超滤对总磷的去除效果最优，去除 率平均为3 8 。砂滤一炭滤一超滤对u v 2 5 4 去除效率最高，为6 5 ；微絮凝直接过滤一 超滤稍次之，为4 8 。 超滤膜灭菌不仅可以有效的避免在灭菌过程中致癌副产物的产生，而且灭菌效果很 好，出水中细菌总数小于5 0 个m l ，大肠杆菌小于3 个1 0 0 m l ，优于各类中水水质规 范要求。 超滤浓缩液的水质取决于回收率和原水水质。在进水在c o d c r 在5 0 m g l 左右时， 浓缩液的c o d c t 小于1 0 0 m g l ，达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的二级标准。 膜污染是影响超滤膜正常运行的重要因素，膜污染可以减低膜的渗透通量，从而 降低工艺的产水率。原水的预处理对控制膜污染的降低有重要作用，通过试验发现微絮 凝砂滤和炭滤能够有效的去除水中的胶体及部分有机物，减小膜污染， 从而使膜通量 在运行过程中变化较小，降低相对较慢。快速水力正冲洗能够有效的阻止泥饼在膜表面 沉积，从而减小膜的渗透通量的降低。快速正冲洗的操作条件如时间间隔，冲洗历时， 冲洗压力对冲洗效果的影响不同。合理的确定冲洗的操作因子可以减小冲洗水量，提高 产水率。在本试验中，对快速冲洗的时间间隔、历时、冲洗压力对膜渗透通量的变化影 响做了试验研究，确定水力冲洗的操作因子为：冲洗的时间间隔3 0 分钟，历时2 分钟， 冲洗压力0 1 5 m p a 。 当水力清洗不能有效地恢复膜的渗透通量，膜渗透通量明显降低或膜压差增大到一 定值时，用化学清洗法恢复膜的渗透通量是一种有效的方法。本试验中，采用3 0 0 m g l 的次氯酸钠溶液为清洗剂。试验中发现清洗效果良好，膜通量能够有效恢复。清洗后， 华南理工大学硕士毕业论文 膜通量能够达到视始膜渗透通量的9 8 。 运行成本是限制膜技术在污水回用中应用的重要因素，膜操作的主要运行费用是能 耗和膜的更换费用。在本中试条件下，砂滤一超滤工艺运行费用为1 9 9 元m 3 ，能耗和 膜的更换费用分别为1 0 2 元，m 3 和0 9 5f v _ j m 3 ；微絮凝砂滤一超滤工艺运行费用为1 3 l 元m 3 ，能耗和膜的更换费用分别为o 6 8 元，m 3 和o 5 8 元m 3 ，砂滤一炭滤一超滤工艺 运行费用为1 3 3 元，m 3 ，能耗和膜的更换费用分别为0 6 6 元t m 3 和0 5 7 元，m j 。 关键词：超滤：污水回用；膜污染：微絮凝直接过滤；g a c ；运行成本 i i a b s t r a c t t h e e x p e r i m e n t so ft r e a t i n gt h ee f f l u e n tf r o ms e w a g es e c o n d a r yt r e a t m e n tp l a n tb yt h r e e u l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) h y b r i dp r o c e e s ：f i l t r a t i o n u l t r a f i l t r a t i o n a n dm i c r o f l o c c u l a t i o nd i r e c t f i l t r a t i o n - u l t r a f i l t r a t i o n ，f i l t r a t i o n g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ( g a c ) a d s o r p t i o n - u l t r a f i l t r a t i o n w e r ec a r d e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f l u e n tf r o mu fm e e tt h es t a n d a r df o rs e w a g e r e u s ea n dc a nb eu s ei ns o m ei n d u s t r ys e c t u fr e m o v e st u r b i d i t ya p p r o a c ht o9 6 ：t h e r e m o v a lo fc o d c ri sr e l a t e dw i t ht h ev a l u eo ft h e t u r b i d i t y ：t h eh i g h e r t h et u r b i d i t y ，t h em o r e e f f e c t i v ec o d dr e m o v a l a l lt h et h r e eh y b r i dp r o c e s sc a nr e m o v es o m ea m m o n i a n i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o ra n d u v 2 5 4 ，t h er e m o v a lr a t i oo ft h ea m m o n i a n i t r o g e ni si n s t a b l ea n d l o w t h em i c r o f l o c c u l a t i o n d i r e c tf i l t r a t i o n - u fc a nr e m o v et o t a lp h o s p h o r e f f e c t i v e l y ，a p p r o a c h t o3 8 ；t h er e m o v a l o f u v 2 5 4 b y t h ef i l t r a t i o n - g a c - u fi sh i g h e rt h a nt h er e m o v a lb yt h eo t h e r s a p p r o a c ht o6 5 ；t h er e m o v a lo fu v 2 s 4b yt h em i c r o f l o c e u l a t i o nd i r e c tf i l t r a t i o n - u fi s s l i g h t l yl o w e r t h a nb yt h ef i l t r a t i o n - g a c u f ， a p p r o a c h t o4 8 a p p l y i n gu f i nt h ed i s i n f e c t i o nc a i la v o i df o r m a t t i n gt h m sa n dr e m o v em o r et h a n9 9 b a c t e r i aa n de c o l i r a ww a t e rq u a l i t yh a v eac r i t i c a li m p a c to nt h eu fc o n c e n t r a t et r e a t i n g w h e nt h ec o d ao ft h er a ww a t e ri sa b o u t5 0m e l t ，t h ec o d e fo ft h ec o n c e n t r a t eo ft h eu f i sl e s st h a n1 0 0 m g l i tm e e t s t h es t a n d a r do fs e w a g ee m i s s i o n ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) m e m b r a n ef o u l i n gi sac r i t i c a lf a c t o ri m p a c t i n go nt h eu f s y s t e mm n n i n g ，m e m b r a n e f o u l i n gr e s u l t s i nt h e p e r m e a t ef l u xf a i r i n g a n dr e d u c e st h ep r o d u c t i v i t yo fu fs y s t e m m i c r o f l o c c u l a t i o nd i r e c tf i l t r a t i o na n d ( g a c ) a d s o r p t i o ne n h a n c e st h er e m o v a lt h ec o l l o i d s a n do r g a n i c sa n dr e d u c e st h em e m b r a n ef o u l i n g ，s ot h ep e r m e a t ef l u xf a l lr e l a t i v es l o w l y b e c a u s ef a s tw a t e rw a s h i n gc a np r e c l u d em u dc a k ef r o ms u b s i d i n go nt h es u r f a c eo f m e m b r a n e ，i tc a l la b a t et h ep e r m e a t ef l u xf a l l i n gt os o m ed e g r e e t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s s u c ha sw a s h i n gi n t e r v a l ，w a s h i n gp e r i o da n dt r a n sm e m b r a n ep r e s s u r ed i f f e r e n c eh a v e d i f f e r e n te f f e c to np e r m e a t ef l u x i ft h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r ef i x e do ni nr e a s o n ，t h e p r o d u c t i v i t yo fw a t e r c a nb ei m p r o v e d ，i nt h i ss t u d y ，t h er e a s o n a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa l e w a s h i n gi n t e r v a l ：3 0 m i n u t e s ；w a s hp e r i o d ：2 m i n u t e s ，t r a n s m e m b r a n e p r e s s u r e i i i 华南理工大学硕士毕业论文 d l h e r e n c e ：o 1 5m p a w h e nw a t e r w a s h i n g c a nn o tr e s t o r et h ep e r m e a t ef l u x p e r m e a t ef l u xf a i l i n gr e m a r k a b l e o rt r a n sm e m b r a n ep r e s s u r ed i f f e r e n c ei n c r e a s et oc e r t a i nv a l u e ，c h e m i c a lc l e a n i n gc a l l r e s t o r et h ep e r m e a t ef l u xe f f e c t i v e l y i nt h ee x p e r i m e n t ，3 0 0 m g ln a c i oi su s e da sc h e m i c a l c l e a n i n ga g e n t t h ep e r m e a t ef l u xc a n r e s t o r et o9 8 o ft h eo r i g i n a la f t e r c l e a n i n g t h eo p e r a t i o nc o s ti st h em a i nl i m i t a t i o nw h i c hm e m b r a n ea p p l i e st op r a c t i c ei ns c a l e i t m a i n l yi n c l u d e se n e r g ya n dm e m b r a n er e p l a c e m e n tc o s t i nt h i ss t u d y ，t h eo p e r a t i o nc o s to f t h ef i l t r a t i o n - u fi s l 。9 9y u a n m 3 ，e n e r g ya n dm e m b r a n e r e p l a c e m e n t c o s ti s1 0 2y u a n m 3 a n d0 9 5y u a n m 3r e s p e c t i v e l y ；t h eo p e r a t i o nc o s to ft h em i c r o f l o c c u l a t i o nd i r e c tf i l t r a t i o n u fi s1 3 1y u a n | 恭e n e r g ya n dm e m b r a n e r e p l a c e m e n t c o s ti s0 6 8 y u a n | 釜a n d0 5 8y u a n m 3r e s p e c t i v e l y 。t h eo p e r a t i o nc o s to f t h ef i l t r a t i o n g a c - u fi s l 3 3y u a n | 蠢，e n e r g ya n d m e m b r a n e r e p l a c e m e n t c o s ti s0 6 6 y u a n m 3a n d0 5 7y u a n m 3r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：u l t r a f i l t r a t i o n ； s e w a g er e u s e ； m e m b r a n ef o u l i n g ： m i c r o f l o c c u l a t i o nd i r e c t f i l t r a t i o n ：g a c ： o p e r a t i o n c o s t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 毽冀。 日期：娜产月吵日 学位论文版权使用授权书 本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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名； 导师签名： 纠翟干 倦夕晦 日期：如铲妇9 日 日期：渺仁年乡月，7 日 和 第章绪论 第一章绪论 1 1 我国水资源缺乏及污水回用状况 1 1 1 我国水资源缺乏现状 近年来，随着我国工业化和城市化的进展，人们逐渐认识到水资源的日益短缺和水 污染日益加剧已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。在水资源方面，我国长期平 均年降雨量为2 6 7 万m 3 k m z ，是世界平均值的8 1 ，而且每年大约以1 2 7 m m 的速度 减少。人均水资源为全世界人均量的1 4 ，尤其是我国北方，可用水资源每年人均不到 全国平均值的1 2 。由于地表水不足，只能过量开采地下水。中国平地的地下水位几乎 都在逐年下降。华北平原的地下水位每年平均下降1 5 米。1 9 8 5 年以来，黄河年年发生 断流，而且断流时间越来越长，1 9 9 7 年断流时间长达2 2 6 天。预计到2 l 世纪中叶，我 国总的用水量从目前的5 0 0 0 多亿m 3 增加到8 0 0 0 多亿m 3 ，占我国可用水资源的2 8 l l l 。 按照国际惯常经验，一个国家用水量达到水源可利用量的2 0 ，极易产生水危机，这将 成为2 1 世纪影响我国经济可持续发展的重要因素。 随着经济的高速增长，大量的工业和生活污染物排放到环境中，给水体带来越来越 严重的污染。全国约有1 3 的工业废水和4 5 的生活废水未经处理就直接排入水体。 对全国七大水系及内河的1 1 0 个重点河段调查表明，符合地面水环境质量指标一类和二 类的仅占3 2 ，属三类的占2 9 ，四五类的占3 9 ，全国近1 7 亿人的饮用水受到不同 程度的污染。经过对全国5 3 2 条河流监测，其中4 3 2 条受到污染，污染率达到8 2 。另 外，全国1 3 的水体不适宜鱼类生存，l 4 水体不适宜灌溉，l 2 的城镇水源不符合 饮用水标准，7 9 的居民的饮用水是受污染的嘲。恶化的水质也大大增加了社会获取水 资源的成本。 1 1 2 污水处理回用的途径与概况 城市污水处理回用包括再生和利用两个环节，污水利用的条件是拟回用水必须满足 相应的水质要求，因此，通常需要对回用水加以处理。城市污水处理厂二级处理出水的 华南理工大学硕士学位论文 利用有两种形式；直接回用和间接回用，间接回用是从水体的整体考虑，在上游取水净 化供城市使用，产生的污水经污水处理厂净化后排入水体下游，回归于水体，再经一定 河段的自然的净化，为下游城市或地区利用。只要在水体自净容量的限度内，这种方式 仍是水资源可持续利用的重要途径。直接回用则是经过人工强化处理和消毒等措施后， 将再生水回用于工农业及市政等用水目标，对节约水资源、促进城市可持续用水具有重 要意义。 污水处理回用的途径主要有以下几种： l 污水处理回用于工业 工业用水根据用途的不同，对水质要求的差异很大，水质要求越高，水处理费用也 越大。理想的回用对象应该是用水量较大且对水质要求不高的部门，符合这种条件回用 对象包括如下： ( 1 ) 工业间接冷却用水，其对水质要求，如碱度、硬度、氯化物以及锰含量等，城 市污水的二级处理水均能满足，水量也大，占工业总用水量的3 0 以上，因此是城市污 水工业回用的首选对象。 ( 2 ) 工艺低水质用水，包括冲洗、冲灰、除尘、直冷、产品用水，其用水量占工业 用水总量的3 7 5 0 。 ( 3 )工业其他用水，如原料用水、生产工艺用水、生产过程用水等，回用水质必须 符合相应的工业用水水质标准。 2 污水处理回用农业灌溉 经处理后的城市污水，其水质满足灌溉要求，达到我国农田灌溉水质标准( g b 5 0 8 4 9 2 ) ，即可用于农业灌溉。如果城市污水处理厂周围是农田，污水处理厂的出水用于 农田灌溉是最好的途径，并且可将二级污水处理厂的出水的氮、磷指标放宽。 3 污水回用于城市居民生活及市政杂用 市政、环境、娱乐、景观、生活杂用水也是污水处理后出水回用的主要去向。生活 杂用水和市政用水中的绿化用水可属景观用水，其水质要求相近，对病原体的要求相对 严格些。 4 污水回用于地下水回罐 城市污水处理厂的二级出水经深度处理达到一定水质标准后回灌于地下，水在流经 一段距离后同原水源一起作为新的水源开发。这种回用途径要求污水处理程度高，循环 复用的周期长，但可提供较高的质量的源水，它既可减少污水的排放。又可减少原有水 2 第一章绪论 资源的开发量，充分体现了小量化、无害化、资源化的可持续原则。 用于地下水回罐的的污水水质是人们长期以来关注的问题。为了防止地下水的污 染，地下回罐水必须满足一定的要求，主要控制参数为微生物学质量、总无机物量、重 金属、难降解有机物等。其水质要求取决于地下水的用途、自然和卫生条件、回灌过程 和含水层对水质的影响等条件。回灌水应符合以下2 个基本条件： ( 1 ) 回灌后不会引起区域地下水的水质的变化和污染； ( 2 ) 不会引起井管或滤水管的腐蚀和堵塞。 在水资源日益匮乏的今天，污水回用已是大家的共识。将处理的市政污水用于间接 饮用与直接工业回用，以及工业水循环再利用，已经成为拓展现有水供应的有效方法和 缓解水资源缺乏的重要手段。 在我国，花费大量投资建设了城市污水处理厂，但经过处理后的再生水并没有得到 充分利用，有的地区甚至还将处理后的再生水与未经处理的污水混入一起同流合污，有 的地区没有将再生水合理再用却直接排入大海造成淡水资源的浪费。因此，在城市污水 处理决策中应充分考虑污水的再生利用。城市污水处理厂出水可用作农业用水、市政杂 用水、工业冷却用水、工业生产用水、地下水补充等；另一方面，城市污水处理厂出水 也可看作是水文循环的组成部分，将合乎质量要求的出水排放到河流水体中，使河流水 体能维持或变成供下游使用的原水源，不仅经济可行，而且可减少风险并发挥河流自净 能力。 在我国的城市污水处理技术政策中，提倡各类规模的污水处理设施按照经济合理和 卫生安全的原则，实行污水再生利用。发展再生水在农业灌溉、绿地浇灌、城市杂用、 生态恢复和工业冷却等方面的利用。城市污水再生利用，应根据用户需求和用途，合理 确定用水的水量和水质。污水再生利用，可选用混凝、过滤、消毒或自然净化等深度处 理技术。因此，缺水城市和水环境污染严重的地区，在规划建设远距离调水之前应积极 实施城市污水再生利用工程，同时做好非投资性或低投资性的节水减污工作。 城市污水再生利用规划建设要依照客观需要和实际可能的原则，按照远期规划确定 最终规模，以现状水量及用水需求为主要依据确定实旋规模。城市污水再生利用技术选 择与工程实施要考虑国情、实际条件和用户需求，城市污水再生利用规模、处理程度、 处理流程、输水方式、再生水质、使用用途的选择上，既要满足要求，又要经济合理。 目前城市污水再生利用应着重于农业灌溉、市政杂用、景观水体、生活杂用、工业冷却、 生态环境和补充地表水。 华南理工大学硕士学位论文 城市污水再生处理工艺应根据处理规模、水质特性、再生水用途及当地的实际情况 和要求，经全面技术经济比较后优选确定。工艺选择的主要技术经济指标包括：再生处 理单位水量投资、再生处理单位水量电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维 护难易程度、总体经济与社会效益等。 城市污水再生利用的工程设计，应对再生水水源的现状水质特性、污染物构成进行 详细调查或测定，做出合理的分析预测；应切合实际地并安全可靠地确定再生水水源水 质和再生处理水质要求，采用不同的单元工艺组合，优化工艺设计参数 目前，污水回用技术越来越广泛地应用在工业、农业、市政绿化及冲车业等领域。 面传统的污水回用工艺( 主要包括混凝，沉淀，过滤等工艺) 不能有效地去除有机污染 物，使废水变成满足要求的干净水；同时还存在效果不稳定，采用氯消毒会产生有害的 消毒副产物等问题。因此发展研究安全稳定的污水回用处理工艺十分必要。 1 2 膜法水处理技术与污水处理回用 1 2 1 膜分离技术的原理 r o 和n f 是通过溶解一扩散机理进行溶质分离的。6 0 年代l o n s d a l e 和r i l e y 等人 在假定膜是无缺陷的理想膜的基础上提出了溶解扩散模型来描述反渗透过程的。该模型 假定溶剂和溶质首先都溶解在均质的微孔膜的表皮中，然后在非耦合形成的化学位梯度 下，从膜的上游向下游扩散，再从膜下侧解吸，实现溶剂和溶质透过膜的渗透。从这一 过程来看，溶剂和溶质在膜中的溶解和扩散系数是该模型的主要参数。 从单纯的扩散过程中，其溶剂的扩散可以用菲克定律来描述： ，。：一d w 孕( 1 - - 1 ) 式中c 。是水在膜中的浓度；d 。是水在膜中的扩散系数。 如果溶剂在膜中的浓度服从亨利定律，那么溶剂的化学位为： 印。：一r t d l n c 。：一r t ：d _ c w ( 1 - - 2 ) o ” 则由式( 1 1 ) 和( 1 - - 2 ) 可得 4 ，。：盟盟。盟孥( 1 - - 3 )” r td xr t 疋 在等温条件下 a l t 。= r t l n a 。+ k a p( 1 - - 4 ) k a i i = 一r t l n a 。 ( 1 - 5 ) 护等( 卸- l - 1 ) 叫印_ ) ( 1 - - 6 ) 式中丑= 等是膜的纯水渗透系数；卸是压差； 兀膜两边渗透压的变化；瓦是 膜的厚度；k 是溶剂的偏摩尔体积；。膜两侧的化学位差。 对于溶质的扩散而言，由压力差引起的化学位差极小，溶质的渗透通量几乎都是在 浓度梯度的推动下产生的。即： ，。一d , d c , _ - d s 百a c s ( 1 - - 7 ) 小哗。竿_ a ( c p - c , ) ( 1 - - 8 ) 式中a = 一d s k s 。见是溶质扩散系数，k s 是常数；c ，、c r 分别是渗透液 中和原料液中的溶质的浓度。 m f 和u f 主要是通过筛分机理进行物质分离的。1 9 3 6 年，j d f e r r y 首先对筛分机 理进行了分析。他假设膜孔为圆孔形，颗粒为球形，推导出颗粒p 通过半径r 。孑l 的分 数。考虑到流体渗透通过膜，这一表达式后来经修正用于颗粒的慢速运动。膜对颗粒的 截留率可以用本式进行估算。此式为无因次半径九= r 毋p 0 。函数： p = 1 ( 1 - 2 ) 2 2 - ( 1 - 2 ) 2 g筹( 1 _ 9 ) 式中g 是拖曳系数。一般情况下可以通过下式进行计算： g = e x p ( - 0 7 1 4 6 a , 2 ) ( 1 1 0 ) 如果考虑到瞳孔中速率分布不同，可以用下式进行计算 华南理工大学硕士学位论文 g = l 一2 1 0 4 2 + 2 0 9 一0 9 5 分( 1 1 1 ) 考虑到孔壁附近的静电排斥力和色散力，通过对模型进行迸一步修正得到一个更加 符合实际情况的模型。这个模型可用于颗粒以对流和扩散方式通过膜或有弹性的高分子 通过分子级圆柱的受力情况。将描述颗粒截留率的物理筛分模型进行扩展以运用描述高 分子化合物的截留率的一种简单方法是用分子的水力学半径代替颗粒半径。分子水力学 半径表达式中的经验常数可以通过一系列数据的拟合而得到。对于大分子材料，其水力 学半径常与其分子量有关，这一关系可以通过下式表达： 口。= z ，( 肘) “ ( 1 1 2 ) z ，和z ：是经验常数。其中z 。包含几何尺寸的信息。分子的尺寸按式( 1 1 2 ) 所描述的 方式进行计算，由筛分机理可以预测，有机化合物的截留率将随分子量的增大而增大。 1 2 2 膜技术的特点 以压力为推动力的膜分离技术有r o 、n f 、u f 以及m f 。 膜分离技术的特点是能提供稳定可靠的水质，出水水质仅仅依据孔径的大小，与原 水水质以及运行条件无关。 膜分离的性能可根据膜的孔径或截留分子量( m w c s ) 来评价。具有较小孔径或 m w c s 的膜可以去除较小分子量的污染物。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 5 x l f f 2 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准。 ( 1 ) r o r o 运行压力高，为l i o m p a ，能耗大，截留性能良好，对二级出水的脱盐率达 9 0 以上；水的回收率7 5 左右时，c o d 和b o d 的去除率8 5 左右，细菌去除率接近 1 0 0 。同时反渗透对氯化物，氮化物，也有优良的脱除性能。 由于r o 的运行成本较高，限制了该工艺在污水回用领域的应用，主要回用于饮 用水和对脱盐要求很高的工业用水。实践证明，r o 完全可以将出水水质提高到饮用水 水平，污水经r o 处理后回用于饮用水是完全可行的。 ( 2 ) n f n f 介于反渗透和超滤之间，能阻碍大分子通过又不需较高的操作压力，在0 5 1 6 第一章绪论 m p a 压力下实现较高的水通量。可以阻挡分子量大于2 0 0 的分子，直接除去一切病毒、 细菌、和寄生虫，同时大幅度减低溶解有机物，它可以除去9 0 。9 5 的t h m ，8 5 。9 5 的硬度和大于7 0 的一价离子，在软化水的同时减少了总溶解固体，而传统处理即使加 上软化工艺也不能除去总溶解固体，对溶解的有机物去除也很小。 由于n f 操作压力低而产水量大，运行费用远比反渗透便宜，它只用反渗透1 4 到 1 3 的压力，可产2 3 倍的水量，因此在城市污水回用领域倍受关注。其回用水可以用 于地下水回灌，和对水质和脱盐要求较高的工业用水，如石油、化工行业用水。 ( 3 ) u f u f 的运行压力为0 1 - 0 5m p a ，孔径范围为0 0 0 1 0 1 1 t m ，可截留水中绝大部分的 悬浮物、胶体和细菌，其作用明显优于以除浊为目的的传统工艺。超滤能有效的去除大 分子，如腐殖酸和富里酸，对二级出水的c o d 的去除率在5 0 左右，但是无法去除t h m 的前驱物。在超滤膜的分离过程中，除了膜的孔径大小外，膜的表面的化学性质对水中 杂质的截留有重要作用，其荷电作用和吸附作用对高价离子的去除有重要作用，因此超 滤过程能去除一部分离子，使水的硬度有所降低。 u f 工艺的出水水质稳定，水质明显优于传统工艺。是当今水工业领域内应用最广 的膜技术。在污水回用中有很大的应用市场，目前，在污水回用的各个领域如地下水回 灌、城市市政用水、工业循环冷却水，工业直接用水等均有应用。印染行业和造纸行业 用水对水的总盐量要求不高，但是对色度和浊度要求相对较高，超滤出水可以完全符合 这两个行业的用水要求。地下水回灌为了保证地下水免受污染，尤其是重金属离子超标， 要求金属离子在一定范围内。超滤出水的水质在一般情况下都可以满足要求。 ( 4 ) m f m f 的运行压力为0 0 5 0 1m p a ，孔径范围为0 1 1 0 9 m ，可截留水中绝大部分的 悬浮物、部分细菌和大分子物质。m f 对浊度的去除效果接近于u f ，但是灭菌消毒作用 却没有u f 效果可靠。并且m f 对水中的有机物的去除效率很低，仅在2 0 以下，其混 凝m f 组合工艺对水中的有机物的去除率在4 0 左右。 m f 的操作压力低，透水量很大，操作运行费用很低，因此是所有膜过程中应用最 普遍、销售额最大的一项技术，其年销售额大于所有膜工艺销售额的总和，随着水资源 日趋紧张及社会生活水平的提高，饮用水生产和城市污水处理回用成为两个潜在的大市 场。m f 出水水质虽然较u f 出水水质差，但是仍优于传统深度处理工艺。出水可回用 于工业循环冷却水，及工业工艺低水质用水，包括洗涤、除尘、直冷等，城市市政杂用 7 华南理工大学硕士学位论文 水。我国天津纪庄子污水处理厂采用微滤+ 臭氧工艺处理二级出水作市政杂排水用，水 质符合回用要求，拟收水费为1 3 4 元。值得注意的是：对于二级出水c o d 较高( 接近 1 0 0 m g l ) 或出水质不稳定的情况下，m f 不能完全保证出水c o d 达到回用水标准，在 设计前应做中试实验。 虽然，u f 和m f 都是多孔膜，前者的孔径比后者小，但是在实际应用中超滤过程 可以较长时间的运行，并且使用寿命比微滤膜高许多倍。这是因为m f 是一种静态过滤， 随着时间的延长，溶液中的不溶物，被微孔膜截留在膜表面上和微孑l 中，引起水流阻力 不断增大，透水率不断下降，直到微空全被阻塞，水通量变零为止。超滤过程则不然， 超滤过程是动态过程。在超滤进行时，由泵给予溶液的推动力，在膜的表面产生两个分 力：一个是垂直于膜面的法向力，在它推动下，使水分子透过膜面与被截留物质分离； 另一个是与膜面平行的切向力，在它的作用下，把被截留的物质冲开，并随着液流被排 出。这样在超滤膜的表面不易产生浓差极化，不易形成吸附沉淀层。所以超滤过程随着 时间的延长，透水率的衰减比较缓慢，超滤运行周期相对较长。 由于微滤膜的孔径大，相对于超滤膜来说它的比流动阻力是较小的。在实际运行时， 虽然开始时比阻力小，膜通量大，但随着运行时间的延长，膜的比阻力会迅速增加，甚 至超过超滤膜，所以从膜通量的稳定性来看，超滤膜要比微滤膜优越得的多。 目前在选择m f 、u f 、n f 、r o 作回用水工艺这个问题上仍有争论，主要内容包括 产水率、运行费用和水质。澳大利亚水处理专家a o g e f a n e 通过的实践与调查得出不同 的回用水工艺的运行费用与水质的关系。如下图1 1 图1 1 操作费用与水质的关系 f i g 1 一l t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo p e r a t i o nc o s ta n dw a t e rq u i l t y 8 第一蕈绪论 注：图中c 1 是传统的砂滤+ 消毒工艺；c 2 = c 1 + 离子交换工艺。 水质标准为对浊度+ 色度+ 病原体+ 金属离子的百分去除率，最大值为4 0 0 。 从图l 一1 可以看出，膜工艺不仅出水水质明显优于传统工艺，在经济上亦日益具 有竞争性。 1 2 3 膜法水处理技术在污水处理与回用领域的研究应用概况 膜技术被誉为“二十一世纪水处理技术”，随着膜技术的发展，膜技术应用于污水 回用过程中以其分离装置简单、操作容易、易自控和维修、处理污水效果好等特点，成 为主要的处理单元，得到日益广泛的研究和应用。如m a n u e lp d e lp i n o 等介绍了使用连 续微滤+ 反渗透( c m f + r o ) 处理回用生活污水的多种例子【3 。w i l fm a r k 等人进行了 超滤+ 反渗透( u f + r o ) 处理回用生活污水的研究【4 】。d b h a t t a c h a r y y a 等人采用超滤再 生洗衣店和洗浴废水得到非饮用水；e r c h r i s t e n s e n 等人认为超滤对生活污水和工业废 水回用有重大的潜能【5 】。韩国和日本学者对u f 处理回用生活污水也进行了广泛的研究， 结果表明：u f 处理城市下水二级处理水能够得到高级的再生水，可以作工业用水、杂 用水、灌溉用水、建筑用水等。当前世界各国都在力图运用膜技术改进饮用水制备技术， 如日本的x 1 p ) ! & 和新x 1 p ) ! 计划f 6 】对微滤、超滤和纳滤等膜技术在除菌、去浊、去大 分子胶体、农药、异味等方面的作用进行了深入的研究和肯定；美国弗洛里达州采用纳 滤膜软化技术制备饮用水，该法有效地去除了致癌物、t h m 前体、t o c 、细菌等，且 同时能保留许多水中对人体有益的元素【7 】。 鹾安建筑科技大学针对二级生物处理后的机场污水，使用u f 和微滤( m f ) 的工艺 进行处理，发现对浊度的去除率能达到9 9 ，对有机物的去除率分别为8 0 矛n 4 5 7 0 【8 l ， 并认为混凝和活性炭吸附作为超滤的预处理能有效的降低膜污染【9 】。中南理工大学通过 对生活污水的膜法回用试验，认为超滤在处理回用生活污水方面在技术和经济上是完全 可行的【l 。 u f 技术具有出水水质稳定，膜通量大，耐污染，操作压力相对较小，投资少等优 点，备受水处理界的关注。u f 在降低污水厂二级出水的浊度、色度、c o d 等指标的同 时，进水中的悬浮固体、胶体和可溶性高分子物质会聚集在膜表面，使膜表面溶质的浓 度高于主体溶液中的浓度，从而形成浓差极化现象。这不仅使膜通量急剧减少，更易引 起溶液中某些溶质在膜表面上的沉淀，堵塞膜孔或使膜的品质劣化，如降低膜的亲水性 9 华南理工大学硕士学位论文 等。为减轻膜污染，除了对超滤进水进行预处理，如在超滤前加精密过滤器、混凝等以 外，如何有效地清洗超滤膜，消除吸附层造成的膜孔堵塞，恢复膜的性能尤为重要。u f 在净水处理中最主要的作用是固液分离，因而如何将所要去除的杂质特别是溶解性的有 机物转化成固相是充分发挥膜分离作用的关键。因此，混凝或粉末活性炭常和膜分离组 成联用工艺流程。投加混凝剂和粉末活性炭的主要目的是去除低分子量的天然有机物， 这是因为这部分有机物不仅是三氯甲烷等三致物的前驱物，而且往往是造成膜污染的主 要因素。适当的预处理能大大延长膜工作周期，减少反冲洗次数，使膜使用寿命延长， 制水成本下降。混凝的目的是利用混凝剂将小颗粒悬浮胶体结成粗大矾花，以减小膜阻 力提高透水通量；通过混凝剂的电中性和吸附作用，使溶解性的有机物变为超过膜孔 径大小的微粒，使膜可截留去除之，以避免膜污染。w i e s n e r 等人的研究表明【1 1 ，当胶 体表面的电位为零时，膜过滤的阻力最小，透水通量最大。这是因为此时所形成的矾 花尺寸最大的缘故。丹保等人的试验表明【l2 1 ，将混凝作为u f 膜的预处理，可以提高 后续的膜过滤的透水通量，并认为存在最佳投药量使透水通量最大。混凝剂最佳投加量 与原水水质等许多因素有关。但要获得最大的透水通量，必须严格控制混凝条件，必然 使膜分离操作运行管理复杂化。混凝不能有效地防止膜污染，这是由于混凝主要去除 大分子量有机物，而无法去除低分子量的天然有机物。混凝所去除的有机物，u f 基本 上都能截留去除。许多研究者将粉末活性炭( p a c ) 与u f 或m f 联用，组成吸附一固液 分离工艺流程进行净水处理。p a c 可有效吸附水中低分子量的有机物，使溶解性有机 物转移至固相，再利用m f 和u f 膜截留去除微粒的特性，可将低分子量的有机物从水 中去除，更重要的是，p a c 还可有效地防止膜污染。l o s e p h 等人【1 3 】通过电子显微镜观 察发现p a c 会在膜面上形成一层多孔状膜，它吸附水中有机物，不仅去除有机物而且 可以避免膜污染。这层p a c 膜较松软，反冲洗会很容易将它去除。同样，y u j u n g c h a n g 应用氧化铁微粒和u f 联用的方法来去除水中的有机物 1 4 o 试验表明，这种方法能使t o c 去除率大大提高，使膜免受污染。氧化铁微粒的作用和p a c 一样，积累在膜表面，起 了一种保护膜的作用。这层膜既可使膜本身免遭污染，反冲洗时又容易将有机物洗脱， 使透水量恢复。p a c 粒径范围一般在1 0 5 0 0 um ，大于膜孔径几个数量级，因而不会堵 塞膜孔径。l a i n e 将颗粒活性炭和u f 膜组合，利用颗粒活性炭去除低分子量的溶解性 有机物” 。试验表明，这种组合能提高出水水质。久保对臭氧+ 膜分离以及臭氧+ 生物活 性炭+ 膜分离的工艺流程进行研究【1 6 1o 臭氧氧化的作用是将有机物低分子化，因此作为 膜分离的预处理是不适合的。但臭氧能将溶解性的铁和锰氧化，生成胶体并通过膜分离 1 0 第一章绪论 加以去除，可以提高铁锰的去除率。此外，臭氧氧化可以去除异臭味。将生物活性炭置 于膜分离前面，膜分离仅仅起了截留微生物和活性炭的作用，对提高出水水质毫无帮助。 田井将生物膜处理和膜分离组合进行试验1 7 】。结果表明，生物膜处理无助于出水水质的 提高，但与直接膜过滤相比，能缓解透水通量的下降。 1 3 研究内容 试验分为三种工艺组合：一是砂滤一超滤；二是微絮凝砂滤一超滤；三是砂滤一炭 滤一超滤。 本课题研究内容是 研究三种组合工艺对降低污水处理厂二级出水c o d c r 、浊度、色度、氨氮、总磷、 细菌总数及大肠杆菌总数的去除效果。 确定超滤浓缩液合理的处置方式。 比较三种组合工艺的预处理对超滤组件膜渗透通量及膜污染影响。 比较快速冲洗的操作参数对膜渗透通量变化的影响。 比较分析三种超滤组合工艺的操作运行费用。 1 4 研究目的及意义 本论文通过对城市污水二级处理出水进行u f 深度处理研究，对“预处理一超滤” 试验装置的性能进行检验；通过对运行控制参数加以优化，为该装置工程应用确立基本 参数，并为开发超滤膜污水回用定型产品提供试验依据。 这项研究对推广膜技术对城市生活污水的再生利用，对我国污水回用工作，对缓解 水资源危机，对开发新水源，促进地区经济走可持续发展的道路具有重大意义。 华南理工大学硕士学位论文 第二章超滤膜组合工艺的水质处理效果 2 1 超滤膜组合工艺重要单元的原理及特点 超滤膜组合工艺由预处理系统及超滤膜组件构成。超滤膜组件配有冲洗系统。预处 理系统由砂滤、微滤等单元组合而成，并视源水的水质情况酌情增加絮凝或炭滤工艺。 2 1 1超滤 超滤是以压力为驱动力，利用超滤膜不同孔径分离液体中的杂质的过程。1 8 6 1 年就 有人提出了超滤的概念。1 9 6 5 年，首先有美国的亚米糠( a m i c o n ) 公司开发成功中空 纤维超滤膜【1 8 1 ，并投放