（环境工程专业论文）超滤膜工艺处理低浊度水运行效果的中试研究.pdf

中文摘要 常规处理工艺的使用是基于水源地能够提供良好的原水水质，并且执行的是 要求相对较低的饮用水卫生标准。但随着城市化进程的加快，一方面水资源的短 缺和污染问题日益严重，另一方面人们对用水水质不断提出新的更高的要求，其 中浊度值趋向于越来越低，而传统常规处理工艺已经不能满足这一要求，因此必 须寻求其它更加安全可靠、经济可行的饮用水处理技术。超滤膜用于饮用水处理 作为一项新技术近年来发展迅速。超滤技术的显著优点是处理效果优异，处理出 水水质稳定。本试验以原水浊度较低的滦河水为水源，探讨将超滤膜技术用于处 理低浊度水的可行性。在水厂原有传统工艺的基础上，进行超滤膜替代滤池的试 验研究和超滤膜处理滤池出水的试验研究，分析两种工艺的处理效果、运行费用 及膜组件的运行稳定性，进而对两种工艺的可行性进行分析。 混凝一沉淀一超滤工艺具有良好的浊度去除功能，试验结果表明在不同的 水质期内，原水水质不断变化的情况下，超滤膜出水水质稳定可靠，超滤膜对浊 度的平均去除率为9 2 9 5 ，平均出水浊度为0 0 7 4 n t u ，去除效果大大优于砂滤 池。对c o d m i i 和u v 2 5 4 有也有一定的处理效果，平均去除率为1 7 8 和1 1 4 3 ， 出水c o d r 岫和u v 2 5 4 平均值为1 6 6 m g l 和0 0 3 1 锄。超滤膜对微生物有良好 的去除作用，出水不经消毒即可基本满足生活饮用水卫生标准的要求。对t o c 、 氨氮、铁、铝以及三卤甲烷均有一定的去除效果。超滤膜中试设备可连续安全运 行，平均产水率为8 6 1 7 ，运行费用为0 2 8 1 元m 3 。 混凝沉淀砂滤一超滤组合工艺同样具有良好的处理效果，超滤膜对浊度 的平均去除率为5 8 5 2 ，出水平均浊度为0 0 7 3 n t u ，出水平均c o d m n 值为 1 3 6 m g l ，平均u v 2 5 4 为0 0 2 4 c m - 。采用超滤膜处理砂滤池出水未检测出大肠菌 群，微生物指标更加安全。膜出水t o c 及氨氮值低于处理沉淀池出水，其余各 项指标均能满足生活饮用水卫生标准要求。超滤膜处理砂滤池出水阶段的平均产 水率为9 3 0 4 ，运行费用为0 1 6 9 元m 3 。 对超滤膜处理效果的影响因素进行了研究，结果表明，低温低浊期超滤膜出 水浊度相对偏高；膜通量大小对超滤膜的处理效果基本没有影响；助凝剂的种类 只能改变膜迸水的水质，对膜出水水质的影响无明显规律；膜进水预氯化有助于 膜出水中c o d m n 和u v 2 5 4 的降低。 研究结果表明，混凝一沉淀砂滤超滤工艺虽较混凝一沉淀超滤工艺增 加了滤池的运行成本，但出水水质得到了进一步提高，膜设备运行费用下降了近 4 0 。因此建议在原有水厂的升级改造中优先使用超滤膜处理砂滤池出水工艺。 关键词：超滤膜；滦河水：浊度；有机物；微生物；去除率；运行成本 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s si sb a s e do nt h eu s eo fw a t e rr e s o u r c e st ob ea b l et o p r o v i d eag o o dq u a l i t 、ro fr a ww a t e r , a n dt h ei m p l e m e n t a t i o ni st or e q u i r ear e l a t i v e l y l o wd r i n k i n gw a t e rh e a l t hs t a n d a r d s h o w e v e r , w i t ht h ea c c e l e r a t e d p r o c e s so f u r b a n i z a t i o n , w h i l ew a t e rs h o r t a g e sa n dw o r s e n i n gp o l l u t i o np r o b l e mi nt h eo t h e r p e o p l eh a v em a d en e w u s eo fw a t e ra n dh i 曲e fw a t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，w h i c ht e n d t og e tl o w e ra n dl o w e rt u r b i d i t yv a l u e s ，w h e r e a st h et r a d i t i o n a lc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t p r o c e s s e sc a nn ol o n g e rm e e tt h i sr e q u i r e m e n t , t h e r e f o r em u s tf i n do t h e r ，m o r es e c u r e ， r e l i a b l e ，e c o n o m i c a l l yv i a b l ed r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e st om e e tt h ec u r r e n t w a t e rs u p p l yn e e d si nt h ea r e a u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e sf o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t a san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s u l t r a f i l t r a t i o ns i g n i f i c a n t t r e a t m e n te f f e c ta d v a n t a g ei se x c e l l e n t ，d e a l i n gw i t hw a t e rq u a l i t ya n ds t a b i l i t y i nt h i s s t u d y , al o wt u r b i d i t yo ft h ew a t e rf o rl u a nf i v e rw a t e rt oe x p l o r et h eu l t r a - m e m b r a n e t e c h n o l o g yf o rt h et r e a t m e n to fl o wt u r b i d i t yw a t e r , t h ep o s s i b i l i t yo fw a t e re x i s t i n go n t h eb a s i so ft r a d i t i o n a lc r a f tt oc a l t yo u tu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ef i l t e rt e s ta l t e r n a t i v e r e s e a r c ha n du l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n tf i l t e r st h ep i l o ts t u d y , a n a l y s i s o ft r e a t m e n te f f e c t so ft w op r o c e s s e s ，r u n n i n gc o s t sa n dt h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo ft h e m e m b r a n em o d u l e s ，t h u st h ef e a s i b i l i t yo ft w ok i n d so fp r o c e s s e sf o ra n a l y s i s c o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n u l t r a f i l t r a t i o nh a sag o o dt u r b i d i t yr e m o v a l f u n c t i o n si nd i f f e r e n tw a t e rp e r i o 文t h er a ww a t e rq u a l i t yt oc h a n g i n gc i r c u m s t a n c e s ， u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ee f f l u e n tq u a l i t yi ss t a b l ea n dr e l i a b l e , t h ee f f l u e n tt u r b i d i t yo f l e s st h a n0 1 n t u ，t h ea v e r a g ew a t e rt u r b i d i t yd e g r e e0 0 7 4 n t u 。r e m o v a le 硒c i e n c y i sm u c hb e t t e rt h a nf i l t e rp r o c e s s r i g h tc o d m 。h a v ec e r t a i nt r e a t m e n te f f e c t ，w i t ha n a v e r a g er e m o v a lr a t eo fl7 8 a n dt h ee f n u e n tc o d m ba v e r a g e1 6 6 m g l u v 2 5 4 r e m o v a lr a t eo f1 1 4 3 o na v e r a g e , t h ee f f l u e n ta v e r a g eo f0 0 3 1e r a 。1 u l t r a f i l t r a t i o n m e m b r a n ef o rr e m o v a lo fm i c r o - o r g a n i s m sh a v eag o o dr o l ei nt h ew a t e rw i t h o u t s t e r i l i z a t i o nc a nb a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fd r i n k i n gw a t e rh e a l t hs t a n d a r d s o ft o c ，a m m o n i an i t r o g e n , i r o n a l u m i n u ma n dt r i h a l o m e t h a n e sr e m o v a lt h e r ei sa c e r t a i ne f f e c t t h ei n d i c a t o r sc a nm e e td r i n k i n gw a t e rh e a l t hs t a n d a r d s o fm e m b r a n e w a t e rw i t hp r o - c h l o r i n ec h e m i c a ls t a t eo fw a t e rq u a l i t yal i r l eb e t t e rt h a nn o n w o r k i n g c o n d i t i o no ft h ew a t e rq u a l i t yo fp r e - c h l o r i n a t i o n u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e si n c e n t i n u o u ss a f eo p e r a t i o no ft e s te q u i p m e n t , w i t ha na v e r a g ep r o d u c t i o nr a t eo f 8 6 17 w a t e r , r u n n i n gc o s to fo 2 81y u a n m j c o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n s a n df i l t e r s - u l t r a f i l t r a t i o nc o m b i n e dp r o c e s sa l s oh a sa g o o dt u r b i d i t yr e m o v a le 伍c i e n c y , t h ea v e r a g ee f ! f l u e n tt u r b i d i t yo f0 0 7 3 n t u f i l m c o d m nv a l u eo ft h ea v e r a g ew a t e r1 3 6 m g l ，a na v e r a g eo fu v 2 5 4t o0 0 2 4 c m - 1 u s eo fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n ts a n df i l t e rd o e sn o td e t e c t c o l i f o r mb a c t e r i a , c a nb em o r ee f f e c t i v eg u a r a n t e eo fm i c r o b i o l o g i c a li n d i c a t o r so f m e m b r a n ew a t e rs e c u r i t y t o ca n da m m o n i a e a ln i t r o g e ni nt h ev a l u eo fm e m b r a n e w a t e rt r e a t m e n ts e t t l i n gp o n d st h ew a t e rt h a nw h e nt h el o w - w a t e rp r o d u c t i o n t h e r e m a i n i n g i n d i c a t o r sa r ea b l et om e e tt h e d r i n k i n gw a t e rh e a l t h s t a n d a r d s u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n ts e t t l i n gp o n d s ，t h ea v e r a g es t a g eo fw a t e r p r o d u c t i o nr a t eo f9 3 0 4 o p e r a t i n gc o s t so f o 16 9y u a n m o nc o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n - u l t r a f i l t r a t i o nt e c h n i q u ea n dc o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t i o n s a n df i l t r a t i o n - u l t r a f i l t r a t i o np r o c e s sc a r r i e do u tac o m p r e h e n s i v e c o m p a r i s o no ft h ef i l t e r ，w h i c ho n l yi n c r e a s e do p e r a t i n gc o s t s ，b u tw a t e rq u a l i t yh a s b e e nf u r t h e ri m p r o v e d ，t h et o t a lo p e r a t i n ge x p e n s e sa l s od e c r e a s e dn e a r l y4 0 t h e r e f o r ep r o p o s e du p g r a d i n go ft h ee x i s t i n gw a t e rt r e a t m e n tp l a n tt og i v ep r i o r i t yt o t h eu s eo fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n ts a n df i l t e rt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e ；l u a n h ef i v e r ；t u r b i d i t y ；o r g a n i c s ； m i c r o o r g a n i s m ；r e m o v a l e f f i c i e n c y ；r u n n i n gc o s t s 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：麟 日期： 夕年；月矿日 授权书 本人同意将所著硕士学位论文 诎缎黼中杆雾 丧谗艰z 功她理卿瘩袖 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北 宝建篁工猩堂院盟究生处行使。上述授权的范围包括：j 匕塞建篁 王狸堂医自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 j 匕宝建篁王猩堂院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期年。 论文作者：乏孑农 化义1 7 二石：夕牙印屯 ( 签章) 历。砗歹月，。日 作者联系方式： 地址：掘斩昌枢氟如凌帽摩材大街b 编：护力叫矿 电话：传真： 手机：房j 纠p 歹占“歹 电子信箱：址) ( d 眇勿、勿n 北京建筑工程学院硕上学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 绪论 低浊度水一直是自来水厂净水工艺中的一项技术难题，通常采用增加混凝剂 的投加量和投加高分子助凝剂的方式来改善混凝效果，但效果较差【1 1 。在我国由 于新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 将原有的浊度标准由低于3 n t u 改为低于1 n t u ，因此许多水厂需对原工艺中混凝、沉淀、过滤各个处理环节的 运行参数进行调整，但有些水厂出水仍难达到1 n t u ，此外常规处理工艺中过滤 技术对细菌、大肠菌群和粪大肠菌群的处理作用有限，滤池出水后仍需投加大量 消毒剂，以使微生物学指标达标，这样又可能导致出水中消毒副产物超标。美国 环保署( u s e p a ) 研究表明，将出厂水浊度降低至0 5 n t u ，可大大降低原虫的 传播危险，浊度低于0 3 n t u ，原虫去除率达9 9 ，浊度低于0 1 n t u ，去除率 可达9 9 9 。传统意义上的常规净水处理工艺条件下，大多数水厂出厂水的浊度 只能控制在1 n t u 以下，有些水厂甚至还难以达到，这样的浊度对去除两虫是不 安全的，两虫残存于水中的可能性还比较大【2 】。 随着环境的恶化，水源水的有机污染越来越严重，新的生活饮用水卫生标准 把作为有机污染指示的耗氧量定为小于3 m g l ( 特殊情况 5 m g l ) ，而常规处 理工艺对有机污染物的去除作用比较有限。因此为了满足新的生活饮用水卫生标 准的要求，必须对常规处理工艺进行改造或应用新的处理工艺。 超滤膜用于饮用水处理作为一项新技术近年来发展迅速。超滤技术的显著优 点是处理效果优异，能有效去除浊度、病毒、原生虫类等污染物；处理出水水质 稳定；处理系统占地面积小；运行维护简单，容易实现自动化【3 】。本试验以滦河 水为水源，探讨将超滤膜技术用于处理低浊度水的可能性。 1 1 1 常规水处理工艺的局限性 目前大多数国内净水厂所采用的饮用水净化技术都是常规饮用水处理工艺。 这种常规处理工艺主要以去除水源水中的浊度、控制水介细菌性及病毒性传染病 北京建筑- t 程学院硕士学位论文 第一章绪论 为目的，主要由混凝一沉淀一过滤一氯消毒单元组成【4 】。通过投加混凝剂，使水中 的胶体和细小悬浮物相互聚合，形成大的絮体颗粒，再通过沉淀池加以沉淀分离。 过滤则进步截留沉淀后水中残留的杂质，降低水的浊度。采用消毒来灭活水中 的致病微生物。该工艺流程具有投资省、运行稳定、维护管理简便等优点，但是 对有机物特别是溶解性的有机物去除效果较差。在工业化发展的初期，由于天然 水体受到人类活动带来的污染较少，饮用水处理的目标仅仅是去除水中的泥沙和 胶体物质，以及少量的微生物，水源在经过常规工艺的处理后就能够达到人们对 饮用水的基本要求。而伴随着工业化的大发展和城市化进程的加速，以及现代农 业大量使用的化肥和农药，生活污水、工业废水、农田径流、大气降尘等进入天 然水体，越来越多的天然水体遭受到了严重的污染，出现了除泥沙、胶体物质和 病原微生物以外的更多有害物质，如贾第虫和隐孢子虫( 两虫) 问题，水蚤、红 虫问题，藻类污染加剧及臭味、藻毒素问题，此外还有水的生物稳定性问题，内 分泌干扰物问题等【4 】。 常规处理工艺的使用是基于水源地能够提供良好的原水水质，并且执行的是 要求相对较低的饮用水卫生标准。在目前的水质条件下，常规处理工艺只能解决 上述部分污染物的问题，存在一定的局限性。 1 1 2 新的水质标准对传统工艺提出了挑战 国家标准委和卫生部联合发布的强制性国家标准生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 - 2 0 0 6 ) 和1 3 项生活饮用水卫生检验方法于2 0 0 7 年7 月1 日起实施。这 是2 1 年来首次对1 9 8 5 年发布的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 进行修订， 规定指标由原标准的3 5 项增至1 0 6 项。新生活饮用水卫生标准增加了7 l 项水质指标。其中微生物学指标由2 项增至6 项，增加了对蓝氏贾第虫、隐孢子 虫等易引起腹痛等肠道疾病、一般消毒方法很难全部杀死的微生物的检测；毒理 学指标中无机化合物由l o 项增至2 l 项，有机化合物由5 项增至5 3 项，增加了 对净化水质时可能产生二氯乙酸等卤代有机物质、存在于水中藻类植物中的微囊 藻毒素等的检测；感官性状和一般理化指标由1 5 项增加至2 0 项。并且，还对原 标准3 5 项指标中的8 项进行了修订。 2 北京建筑t 程学院硕七学位论文第一章绪论 常规指标中对浊度的标准由原来的s 3 n t u 改为s 1 n t u ，新增对耗氧量的要 求c o d m n _ 3 m g l ，细菌总数由原来的 1 0 0 c f u m l 改为_ 8 0 c f u m l ，总大 肠菌群则由9 个l 提高到每1 0 0 m l 水样中不得检出【5 1 。水质标准的提高给常规 处理工艺带来了新的挑战。 一方面水源的水质不断在恶化，而另一方面由于生活水平的提高人们对饮用 水水质不断提出更高的要求，常规工艺已经无法解决这一矛盾，因此该工艺的合 理性和适用性值得重新考虑，迫切需要研发出新的更安全更有效的饮用水净化工 艺。 1 1 3 现有新的处理技术存在的问题 由于传统工艺出现的上述问题，该工艺处理效果已经不能很好的满足新生活 饮用水卫生标准，因此近些年来在传统工艺的基础上增加了一些新的处理措施， 如活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭技术等。 1 1 3 1 活性炭吸附 活性炭按照外观形式可以分为粒状炭( g a c ) 和粉状炭( p a c ) 两种。粒状炭 通常用于对水的深度处理【6 l ，如活性炭滤床吸附过滤，吸附饱和后的活性炭还能 够再生重复使用。粉状炭一般用于饮用水的预处理，在对原水进行混凝时投加到 原水中，在吸附水中有机物后经过沉淀后去除。 活性炭作为一种具有较强吸附能力的多孔性物质，依靠其表面的物理吸附 作用，如范德华力等，对水中的弱极性有机物质和非极性有机物有较强的吸附能 力，对水中的多种污染物质有很好的去除作用，可以有效去除引起臭味的物质， 对芳香族化合物、农药等有很好的吸附能力；活性炭在高温制备过程中，在其表 面可以形成很多官能团，这些官能团对水中的离子有很好的化学吸附作用，如汞、 镉、铅、铬等，其作用机理是由络合螯合作用产生的。但活性炭也有一定的使用 局限性，例如在处理三卤甲烷类物质时，活性炭的吸附容量较低，对消毒副产物 前体物的去除作用也很有限，根据相关试验研究，在饮用水处理中活性炭吸附去 除的有机物，其分子量主要分布在5 0 0 - - - 1 0 0 0k u 之间【7 1 ，分子量超过这一范围的 有机物则难以进入活性炭的微孔吸附区；此外，饮用水的原水中分子量较小的物 质大都含有较多的羟基、羧基等，有较强的分子极性，属于非极性吸附剂的活性 3 北京建筑工程学院硕上学位论文第一章绪论 炭对此类极性分子的吸附作用较差。 1 1 3 2 臭氧氧化 臭氧由于其具有很强的氧化功能，能够氧化分解水中的有机污染物【8 1 ，臭氧 最早应用于水处理技术中是作为消毒措施使用的，但伴随着地表水源的有机污染 的加重，臭氧技术又被用作为水中有机污染物的去除措施。臭氧可以分解多种有 机物并且能够除色、除臭。但是在水处理中，臭氧的投加量十分有限，不可能彻 底把有机物分解成h 2 0 和c 0 2 ，其中间产物仍存在于水中，经过臭氧氧化后的 有机物上往往增加了羟基、羧基等，其生物降解性能被大大的提高，如果得不到 后续的的处理，就会引起微生物的繁殖f 9 】。此外，经过臭氧处理后的原水再进一 步进行加氯消毒时，臭氧氧化时产生出的某些臭氧化中间产物又容易与氯发生反 应，生成更多的三卤甲烷类物质【1 0 1 ，增加了水的致突变性。因此，在饮用水的 处理过程中，臭氧化通常不会被单独使用，一般用臭氧化代替原有的预氯化，或 是在活性炭床前采用臭氧化，与活性炭的联合使用【l l 】。 1 1 3 3 生物活性炭 生物活性炭深度处理技术是利用生长在活性炭上的微生物的生物氧化作用， 从而达到去除污染物的目的【1 2 1 。生物活性炭深度处理技术的前提是应避免预氯 化处理。该技术利用微生物的氧化作用，可以增加水中溶解性有机物的去除率， 延长活性炭的再生周期减少运行费用，并且水中的氨氮可以被生物转化为硝酸 盐，减少了氯化消毒的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量【1 3 1 。 1 1 3 4 现有新的处理技术存在的问题 活性炭、臭氧及生物活性炭深度处理技术虽然对有机物有较好的去除效果， 但也有其局限性，臭氧系统设备较昂贵，能耗较大，运行费用较高，维护管理也 比较复杂；活性炭吸附饱和后的再生问题，一直难以得到满意的解决；活性炭及 生物活性炭出水浊度不稳定，有时甚至比滤池出水浊度还高。因此，虽然这些技 术在国外已被广泛应用，但在我国目前经济实力还有限的条件下，显然很难普遍 推广应用，且这些技术也解决不了低浊度水的处理问题。 1 1 4 本课题研究的目的 随着城市化进程的加快，一方面水资源短缺和水污染问题日益严重，另一 4 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 方面人们对用水水质不断提出新的更高的要求，其中浊度值趋向于越来越低，而 传统常规处理工艺已经不能满足这一要求，因此必须寻求其它更加安全可靠、经 济可行的饮用水处理技术，来适应目前给水领域的需求。超滤膜因其独特的技术 优点，已越来越多地用于饮用水处理。 新的水质标准实施以后，许多水厂都将面临处理工艺的优化改造，而目前 对超滤膜的研究多数是针对新建水厂的，超滤膜在原有水厂工艺基础上的应用研 究几乎没有，并且目前我国还缺乏大型膜处理工程运行稳定性的研究。 针对上述问题和低浊度水处理效果差的难题，本课题拟在原水浊度较低的水 厂处理工艺的基础上，进行超滤膜替代滤池的试验研究和超滤膜处理滤池出水的 试验研究，分析两种工艺的处理效果、运行费用及膜组件的运行稳定性，进而对 两种工艺的可行性进行分析。 本试验可为现有水厂提供工艺改造方向，并可积累膜组件运行稳定性的经 验。为类似水厂的新建和改造提供可参考的工艺参数和技术支持。课题具有一定 的理论意义和实际应用价值。 1 2 国内外超滤膜技术的应用研究现状及发展趋势 1 2 1 膜工艺的基本原理及膜的种类 1 2 1 1 膜的工作原理 膜是一种分子级分离过滤作用的介质【1 4 】，当溶液或混和气体与膜接触时，在 压力下，或电场作用下，或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另外一些物质 则被有选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离， 这种分离是分子级的分离。 1 2 1 2 膜的种类 根据操作压力不同，膜工艺可以分为反渗透、纳滤、超滤和微滤等。分离膜 包括：反渗透膜( o 0 0 0 1 0 0 0 5 i lm ) ，纳滤膜( 0 0 0 1 - 0 0 0 5um ) ，超滤膜( o 0 0 5 - 0 1pi n ) ，微滤膜( o 1 li lm ) 等【1 5 1 。在饮用水的深度处理中，国内用得比较多 的是反渗透膜，但是反渗透是海水淡化和超纯水制备的工艺，除操作压力高，能 量消耗大以外，由于处理水“纯度 过高，使水中的矿物质和对人体有益的离子 也不能保留，所以用这样的方法净水是否适当，已成为目前争论的一个问题。与 北京建筑t 程学院硕七学位论文第一章绪论 反渗透相比，超滤和微滤方法由于操作压力低，能量消耗小，近年来在国外作为 常规处理的替代方法或深度处理方法用得越来越多，其中超滤的应用研究更多受 到关注【1 6 1 。 1 2 2 超滤膜工艺的技术特性 超滤是一种常见的膜分离技术。它是介于微滤和纳滤膜之间的一种膜过程， 膜孔径范围为0 0 0 5um ，加11 tm ，操作压力为0 0 3 1 m p a 【1 7 1 。超滤主要用于去除 致病菌、病毒、胶体和大分子有机物。广泛地用于电子、电泳漆、饮料、食品化 工、医药、环保和物质回收等各个领域。虽然超滤膜的应用时间不长，但因其具 有独特的优点，已成为当今世界膜分离技术领域中独树一帜的重要单元操作技 术。当超滤膜分离技术用于饮用水处理时，具有以下特殊的性质： ( 1 ) 超滤膜工艺不仅能够保证出水水质稳定，而且受进水水质波动的影响小【1 8 1 。 ( 2 ) 可以减少混凝剂的投加量，同时由于超滤膜对微生物的截留作用，还可以大 大减少消毒剂的投加量，从而减少了消毒副产物的产生。同时超滤膜过滤还 可以去除部分或全部的有机物，减少了有机物与氯产生消毒副产物的机率， 这两方面的作用能够减少消毒副产物的产生【1 9 1 。 ( 3 ) 超滤膜出水的生物稳定性好。经过超滤膜过滤可以去除原水中的微生物，保 证了出水的卫生安全性，达到了消毒的目的，与传统的加氯或臭氧消毒方法 相比，提高了出水的生物稳定性，同时减轻了饮用水管网的二次污染 2 0 , 2 。 近年来，包括英国在内的部分欧洲国家以及美国都发生数起由贾第虫 ( g i a r d i a ) 和隐抱子虫( c f 汁o s p o r i d i 啪) 等寄生虫引起的肠道传染病【2 2 1 。这些寄生虫 体积极小，只有3 1 0 | lm ，并且对氯消毒有很强的抵抗力。美国1 9 8 9 年制定的 地表水处理规划( s w t r ) 要求对贾第虫的去除率达到3 - 1 0 9 ( 9 9 9 ) ，对病毒的去除 率达到4 - 1 0 9 ( 9 9 9 9 ) 。传统的水处理方法是很难达到这一要求的【2 3 2 4 】。而超滤对 隐饱子虫和贾第虫的去除率可达到5 1 0 甙9 9 9 9 9 ) ，对病毒的去除率达到 8 - 1 0 9 ( 9 9 9 9 9 9 9 9 ) t 2 5 2 6 1 。有研究表明在1 0 0 0 l 超滤膜出水水样中，未检测出细 菌和其它微生物【2 7 1 。 由于以上特点，超滤技术被认为是达到高质量高可靠性的饮用水净化技术之 6 北京建筑1 二程学院硕上学位论文第一章绪论 1 2 3 超滤技术的研究与应用进展 1 2 3 1 国内对超滤技术处理饮用水的研究动态 近年来，超滤膜工艺在饮用水处理中的研究和应用发展非常迅速。与传统 工艺相比，超滤膜的显著优点是，相对来说对原水水质波动适应能力较强，出水 水质受原水水质情况波动影响较小。但是，由于超滤膜只能截留分子量较大的有 机污染物，而原水中的溶解性有机物、分子量较小的有机物、溶解性盐和金属离 子的去除率较低。所以许多专家学者着重研究了超滤与其他工艺的组合工艺，以 增强超滤膜对此类污染物质的去除效果。其中粉末活性炭超滤联用工艺、混凝 超滤联用工艺等在国内外研究的比较多，也取得了一定的成果 2 引。 活性炭超滤联合工艺 哈尔滨工业大学的张捍民、王宝贞等人对粉末活性炭与超滤膜联用去除饮用 水中污染物的研究表明：增加原水中投入的粉末活性炭浓度，会提高该工艺对 c o d m n 、酚、u v 2 5 4 的去除效果；p a c 的加入还可以进一步提高超滤膜对c o d m n 指数和n h 3 n 的去除能力，但是对u v 2 5 4 的去除的效果有待进一步的研究【2 9 1 ； 同时，p a c 的加入可以缓解膜污染，对超滤膜维持在高比通量条件下的运行，能 够起到很好的作用。 混凝超滤联合工艺 通过对原水进行混凝预处理可以有效提高超滤膜的膜通量，改善膜的过滤性 能并可以提高膜出水水质。西安建筑科技大学王晓昌等人利用腐植酸作为试验研 究对象，以混凝一超滤组合工艺进行了试验研究【3 0 l 。从试验结果可以看出，与直 接使用超滤膜过滤原水的工艺相比较，混凝超滤膜组合工艺对溶解性的天然有 机物的去除率较高，特别是对分子量低于6k i l 的有机物的较常规超滤膜工艺时 的去除率有了进一步的提高。混凝预处理使得分散的小分子有机物聚集在微絮凝 体上，减轻了由于小分子污染物在膜孔中吸附所引起的膜污染；通过在膜表面沉 积的这些微絮体形成滤饼层来过滤污染物，从而使超滤膜维持较高的膜比通量。 目前对于混凝一超滤膜联合工艺的特点和膜污染控制方法的研究还不够深入，因 此对该工艺的污染物去除机理上应作进一步的深入研究。 其它工艺 同济大学的董秉直等人采用中试规模的微絮凝砂滤超滤装置处理淮河原 7 北京建筑工程学院硕上学位论文第一章绪论 水，重点考察预处理条件如滤速和混凝剂投加量的变化对后续膜处理性能的影响 f 3 1 1 。试验结果表明该工艺对c o d m n 的处理效果随着混凝剂投加量的增加而提高； 在混凝剂投加量大于4 m g l 的条件下，滤速的变化与砂滤池出水的c o d m 和出 水浊度无明显对应关系，而当投加量为4 m l 时，较高的滤速则会影响到砂滤 出水的水质，出水浊度和c o d m n 增加，但经过后续超滤膜对污染物的截留，膜 出水水质仍然能够满足要求。 刘萍采用强化混凝超滤膜组合工艺对湘江水进行了试验研究，通过加入不 同的混凝剂a 1 2 ( s 0 4 ) 3 18 l i e o 、f e 爿2 1 3 及p a c ，比较了三者对于湘江水的处理效 果的影响【3 2 1 ，结果表明，混凝剂的种类与用量对水中污染物质的去除和膜过滤 性能有很大的影响。 1 2 3 2 国外对超滤技术处理饮用水的研究动态 国外对超滤和其他工艺组合研究得也比较多，对于粉末活性炭超滤联合工 艺( p a c + u f ) ，许多学者已经进行了广泛的研究，认为它很有希望替代现有的常规 水处理工艺，并且是能有效去除有机物的膜工艺之一。c a n s d m e 等人提出将一 定量的粉末活性炭( 6 - - 1 5 r a g l ) 投加到u f 膜装置的循环水流中，组成吸附固液分 离工艺流程来处理饮用水【3 3 1 。p a c 可以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u f 膜截留去除微粒的特性，可将低分子量有机 物从水中去除。而且，p a c 可有效防止膜污染。l o s e p h 等人通过电子显微镜发现 p a c 在膜面上形成一层多孔膜，它不仅吸附去除水中的有机物，而且还可以避免 膜污染，这层p a c 膜较松软，反冲洗时很容易被去除掉。 l a i n e 等提出将颗粒活性炭( g a c ) 与超滤膜组合，利用颗粒活性炭去除低分 子量的溶解性有机物【蚓，实验证明，g a c u f 组合工艺也能提高出水水质。w a t a r u n i s h i j i m a 等人采用臭氧生物活性炭超滤工艺处理富营养化湖水的试验研究。结 果表明，臭氧可以将难降解的有机物转化为易于降解的有机物，将非溶解性的有 机物氧化成溶解性的有机物，为生物活性炭所吸附，大大降低了超滤膜的有机物 负荷，使超滤膜的工作周期大大增加，反冲洗次数减少。当他们将臭氧一生物活 性炭置于超滤膜之后时，则由于超滤膜去除了非溶解性有机物( p o c ) 和部分溶解 性有机物( d o c ) ，大大延长了生物活性炭的工作周期【3 5 】。 8 北京建筑t 程学院硕上学位论文第一章绪论 1 2 3 3 超滤技术在水处理中的应用概况 近年来，超滤膜工艺在水厂中已经得到了一定的应用，但处理的规模还很有 限。目前全世界已运行了数座日处理水量达2 0 万m 3 以上的的应用超滤工艺的净 水厂，使用超滤膜工艺的水厂总处理水量为8 0 0 余m 3 3 6 】。 北美地区现有2 0 0 余座超滤膜工艺水厂，日处理水量累计已达到了3 0 0m 3 。 在美国现有4 2 座日处理能力在1 0 0 0 0 m 3 以上的自来水厂，占美国总自来水供应 量的2 5 ，并且许多老水厂改造项目和新建的净水厂项目中已经越来越多地采 用超滤膜工艺。 亚洲地区超滤膜技术也不断得到更为广泛的使用，日本的超滤膜产水能力已 接近4 0 0 x1 0 4 m 3 d ，新加坡已建成使用了一座处理能力为2 7 5 1 0 4 m 3 d 的大型 水厂。在欧洲，超滤工艺在水厂中的应用也较为广泛，日处理能力达到l 万m 3 以上的水厂已有3 0 多座。英国目前有1 0 0 多家水厂在使用超滤膜技术，总的产 水能力目前已达到日处理1 1 0 万m 3 。新加坡、澳大利亚、荷兰、英国和以色列 使用超滤工艺净化自来水的处理量分别占其自来水总供水量的1 2 o ，4 0 ， 3 1 ，2 0 和1 2 【3 7 1 。 我国将超滤用于城市水厂的起步较晚，在2 0 世纪9 0 年代中期才开始了超滤 水处理的试验室研究。目前，超滤技术用于城市水厂还主要限于中试规模的试验 研究和小规模的示范工程【3 引。 1 2 4 超滤技术研究与应用中存在的问题 超滤膜技术在试验研究和具体使用中还存在以下问题： ( 1 ) 超滤膜的制造成本较高，而膜使用寿命较短，折旧费用较高，加大了超滤 膜工艺的运行成本。 ( 2 )与常规工艺相比，超滤膜物理清洗和化学清洗的频率较高，为了延缓膜污 染，降低运行费用，需要针对原水水质优化超滤膜工艺的运行条件，进一 步降低工艺过程中的能耗。 ( 3 )目前我国超滤技术应用还很有限，虽然有部分新建水厂已开始应用，但对 大中型水厂的改造应用还鲜有报道。对于超滤膜的试验也主要着重于机理 的探讨，试验规模较小，运行时间也较短。 9 北京建筑1 = 程学院硕士学位论文第一章绪论 鉴于以上原因，本研究拟采用超滤膜工艺对滦河原水进行长时间的中试试 验，优化超滤膜工艺运行参数，具体的工程需根据原水水质状况进行有效的试验 论证，中试规模较长时间连续运行的试验研究可以有效论证超滤膜工艺处理不同 原水的使用价值，同时还可以发现该工艺在运行中存在的问题，为实际水厂的工 艺改造提供技术储备。 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文第- 二章课题研究的内容及试验方法 课题研究的内容及试验方法 2 1 课题研究的内容 试验在天津泰达净水厂进行，该水厂以“引滦入津”的滦河水为主要水源，表 2 1 为滦河原水在三个不同水质期内主要水质指标1 0 年来的平均值【3 9 1 。 表2 1 滦河水在不同水质期下的主要水质指标 水质指标低温低浊期常温常浊期高温高藻期 范围均值范围均值范围均值 温度( ) 0 2 3 51 43 2 2 3 71 3 22 2 1 2 8 12 5 9 浊度( n t u ) 1 0 8 3 8 91 7 61 4 l 1 0 0 55 1 l4 2 2 2 1 79 0 2 p h8 2 8 8 5 78 4 l7 8 5 8 5 9 8 2 27 5 3 8 4 47 9 6 c o d m 。( m g l ) 3 3 4 23 8 02 7 5 93 7 42 7 q 73 7 7 氨氮( m g l ) 0 1 3 o