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浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 中文摘要 太湖是无锡市的主要水源地之一，近年来，由于氮磷等的污染，水体富营养 化日益严重，特别在夏季，由于藻类大量繁殖，问题尤其突出。 与国内大部分城市一样，无锡市自来水厂基本采用传统常规工艺，包括混凝， 沉淀和砂滤。在原水水质达到国家有关标准( 地表水环境质量标准类) 条件下， 此工艺能够确保安全有效，但在原水水质受到污染时就存在一定问题。另外根据 新的生活饮用水卫生标准，水质控制指标由原先的4 6 项增加至1 0 6 项。基于以 上原因，迫切需要研究可靠的自来水深度处理技术，解决藻类等其他污染物问题， 使饮用水水质全面达到国家新标准，保证饮用水的安全有效供应。 本文将膜技术( 超滤膜) 和传统水处理工艺相结合，同时投加粉末活性炭， 对藻类等污染物的去除进行研究。在研究去除效果的同时，分析相关运行参数， 为实际工程设计提供依据。 通过试验发现，超滤膜在浊度和颗粒去除方面是非常优秀的，出水浊度基本 低于0 0 4n t u ，大部分都在0 0 2 一o 0 3n t u 左右，对藻类、细菌可以完全去除， 对总铁和色度也能有一定的去除率，但对t o c 、耗氧量处理效果不明显，去除率 一般小于1 0 ，对ph 、余氯指标影响不大，对锰、硬度、碱度、氨氮、总溶解 性固体、电导率指标也基本没有去除作用。通过膜前投加粉末活性炭，能提高 u v 2 5 4 、t o c 、耗氧量的去除率。 试验分别以滤后水、沉后水作为原水，结合粉末活性炭条件的投加，综合考 虑污染率、t m p 和相关操作参数，可分别选用通量9 0i m h 和6 1 1 m h 作为大型处 理系统的设计参数。粉末活性炭的投加对膜的过滤性能有一定影响，但通过清洗 可以恢复。 关键词：自来水深度处理，膜技术，运行参数，超滤 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 a b s t r a c t t a i h ul a k ei st h em a j o rs o u r c ew a t e rf o rw u x ic i t y h o w e v e r ，t h ew a t e r q u a l i t y o ft a i h ul a k eh a sb e c o m e s e r i o u s l yd e t e r i o r a t e d ，d u et ot h e e u t r o p h i c a t i o n t h ec o n v e n t i o n a if l o c c u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n s a n df i l t r a t i o n p r o c e s s e si s u s e di nm o s to fw u x iw a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h et e c h n i c sc a ne n s u r ed r i n k i n g w a t e rs a f e t yw h e nt h er a ww a t e rq u a l i t ya c c o r d i n gw i t ht h er e q u i r eo fc r i t e r i o n h o w e v e r ，i ti su n a b l et oe n s u r ef i n i s h e dw a t e rq u a l i t y ，i fr a ww a t e ri sp o l l u t e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o n t r o i t e m si nt h en e w d r i n k i n gw a t e rs t a n d a r dh a v e i n c r e a s e dt o10 6f r o m4 6 s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pan e wa d v a n c e dw a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h eu l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) a n du f - p a ct e c h n o l o g yw a s i n t e g r a t e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o dt ot r e a tt h ea l g a ep r o b l e mi nt h i st h e s i s t h er e s u l t s h o w e dt h a tu ft e c h n o l o g yh a de x c e l l e n te f f e c t i v ef o rt u r b i d i t ya n d g r a i n t h e t u r b i d i t yo ff i n i s h e dw a t e rw a sl o w e rt h a n0 0 4n t u ，m o s t l ya tt h el e v e lo f 0 0 2 - o 0 3 n t u a l g a ea n db a c t e r i aw e r er e m o v e dc o m p l e t e l y i ta l s og o t e f f e c t i v er e m o v a lo fi r o na n dc h r o m a h o w e v e r ，t o ca n dc o d m nr e m o v a lw a s i i m i t e d ，t h er e m o v a ir a t i oo ft h e mw a so n l ya b o u t10p e r c e n t t h eu f t e c h n o l o g yd i dn o ta f f e c tp ha n dc h l o r i n eo fw a t e r m a n g a n e s e ，h a r d n e s s ， a l k a l i n i t y ，t d s ，e l e c t r i cc o n d u c t i v i t ya n dn i t r o g e nd i dn o tb et r e a t e d u f p a c s y s t e mc a ni m p r o v et h er e m o v a le f f e c t i v eo fu v 2 5 4 ，c o d m na n dt o c t h e o p e r a t i n go ft h es y s t e ma l s ow e r es t u d i e d 。f l u xo f9 0i m ha n d6 1i m hw a st h e s u i t a b l eu fi o a df o rt h es o u r c eo fs a n d - f t r a t i o na n ds e d i m e n t a t i o nw a t e r r e s p e c t i v e l y t h ec a p a b i l i t yo fu fw a sa f f e c t e db yp a c ，d u et ot h em e m b r a n e f o u l i n g ，b u ti tc o u l db er e s t o r e db yc h e m i c a lc l e a n i n g k e y w o r d s ：w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t ，m e m b r a n et e c h n o l o g y ，u l t r a f i l t r a t i o n ， o p e r a t i o np a r a m e t e r 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏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谢意。 学位论文作者签名 ：哆年7 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 答字日翌：伽7 年 导师签名： 迥乞乙 签字日期：弘j 年7 月即日 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 致谢 在我的论文完成之际，深深感谢我的导师田光明教授，有了他的循循善诱， 有了他的不断鼓励，有了他的悉心指点，本论文才能在今天顺利完成。在整个在 职学 - - j 阶段，导师渊博的学识、严谨求实的治学风格、平易近人的风范、宁静致 远的处世态度使所有同学折服并受益匪浅。在此成文之际，谨向导师表示由衷的 感谢和敬意! 同时，还要感谢所有帮助教育过我的老师，感谢陪伴我一起度过这一段难忘 时光的同学! 最后向我的家人和朋友致谢，你们一直是我前进的动力! 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 1 前言 1 1 水环境状况及其对策 水是地球上一切生命赖以生存、人类生活和生产活动不可缺少的重要物质， 是不可替代的重要自然资源。我国人均占有水资源量只有2 3 5 0i n 3 ，仅为世界人 均占有量的1 4 ，同时，水资源的分布在时空上又不均匀，因此水资源非常紧张， 是世界上13 个主要贫水国之一。随着我国工业、农业和城市建设的迅速发展， 对淡水的需求量急剧增加，而由于污染造成的水质性缺水更加剧了水的供需矛 盾。水已成为制约2 1 世纪中国社会经济持续发展的重要因素n 。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 04 l m 3 ，届时水资源的短缺将更加严重。 我国的饮用水源类型有地下水、河流、湖泊和水库等，但这些水源水体都面 临或轻或重的污染威胁，使人们的饮用水安全问题成为我国许多地区迫切需要面 对和解决的重要问题。 中国水资源公报2 0 0 4 年统计，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了评价。 全国河流水质，根据1 3 0 0 条河流3 2 0 0 多个监测断面的水质资料，对13 万公里河流水质进行了评价，全年期水质总体状况是：i 类水河长占6 3 ，i i 类水河长占2 7 2 ，i l l 类水河长占2 5 9 ，i v 类水河长占1 2 8 ，v 类水河 长占6 o ，劣v 类水河长占2 1 8 。全年符合和优于i i i 类水的河长占总评价河 长的5 9 4 ，比20 0 3 年减少了3 个百分点。各水资源一级区中，西南诸河、 西北诸河、长江、珠江和东南诸河5 个区水质较好，符合和优于i i i 类水的河长占9 7 6 3 ；黄河、海河、松花江、辽河和淮河5 个区水质较差，符合和优于i i i 类水的河长占4 6 3 1 。与2 0 0 3 年相比，黄河区、辽河区、西南诸河区、 淮河区和海河区水质有所改善，西北诸河区、松花江区、珠江区、东南诸河区和 长江区水质略有下降。 省界水体水质对全国2 2 9 个省界断面的水质进行了评价，水质符合和优于 6 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 地表水i n 类标准的断面数占总评价断面数的3 9 3 ，水污染严重的劣v 类占 3 4 5 。总体来看，省界水体的水质状况不容乐观。各水资源一级区中，省界断 面水质较好的是松花江区、珠江区和长江区( 未含太湖流域) ，辽河区、太湖流 域、淮河区和海河区的省界断面水质较差。省界断面的主要超标项目是氨氮、高 锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氟化物、挥发酚、总磷等。 湖泊水质在评价的5 0 个湖泊中，水质符合和优于1 1 1 类水的湖泊有1 8 个， 部分水体受到污染的13 个，水污染严重的19 个。对4 9 个湖泊的营养状态进 行评价，1 7 个湖泊处于中营养状态，3 2 个湖泊处于富营养状态。国家重点治 理的”三湖”情况是：太湖1 6 5 的面积为i i i 类水，7 5 3 的面积为i v 类水，8 2 的面积为劣v 类水；中营养水平的面积占2 3 ，富营养占7 7 。滇池水质以 v 类为主，占评价面积的6 9 ，劣于v 类水质占评价面积的3 1 ，全湖处于富 营养状态。巢湖的东半湖巢湖市第一水厂湖区水质为i v 类，中庙湖区水质为v 类， 西半湖水质为劣v 类，湖水处于富营养状态。 水库水质在评价的3 2 2 座水库中，水质优良( 优于和符合i i i 类水) 的水库 有2 6 5 座，占评价水库总数的8 2 3 ；水质未达到1 1 1 类水的水库有5 7 座，占 评价水库总数的1 7 7 ，其中水质为劣v 类水的水库有1 4 座。主要超标项目 为总磷、总氮和高锰酸盐指数。对2 3 8 座水库的营养状态进行评价，三分之二 的水库处于中营养状态，三分之一的水库处于富营养状态。b 1 近2 0 年来，虽然我国污水的处理率在不断提高，但我国污水的年排放量仍 在大幅度增加。由于大量生产和生活废弃物未经处理排入各种水体，造成水体污 染，特别是日益突出的富营养化问题已经成为 - 3 今水环境管理中全社会关注的热 点、难点。我国已成为世界上蓝藻水华暴发最严重、水华蓝藻种类最多、分布最 广泛的国家之一。我国从南到北，特别是城市湖泊、沿海和东部湖泊以及云贵高 原湖区的湖泊蓝藻水华现象非常严重。已成为制约我国部分地区社会和国民经济 进一步发展的一个重要因素。面对日益严峻的水污染形势，如何保护水源水质， 解决城市集中式供水水源地的水质安全问题已成为事关国家安全的重大问题，也 是摆在政府和科研工作者面前的一个严峻挑战。因此，除了加强污染治理外，开 发和推广各种实用水处理技术、消除或减少污染，改善水质就成了当今社会的一 项紧迫任务。给水和排水处理应该像人身上的动脉和静脉循环血液那样，建立起 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 健康的水循环体系，才能拯救水资源，解决水危机h 1 。 水处理技术很多，膜技术就是其中一种极具潜力的新型技术。 1 2 膜分离技术 1 2 i 膜分离技术原理及特点 膜是两相之间的选择性屏障。直观地讲，它是一种高分子材料，通过压差的 作用将料液进行选择性分离的一种薄膜。任1 通过它进行的分离过程称作膜分离。 膜可以是具有渗透性的，也可是具有半渗透性的，但不能是完全不透过的。膜可 以存于两流体之间也可以附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜的厚度应比表面积 小得多。膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料 侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。1 它与传统过滤器的不同在于，膜是一个有选择性的分子筛，可以在分子范围 内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不发生相的变化和不需添加助剂7 1 。 在膜分离出现之前，已经有许多的分离技术在生产中得到应用。如蒸馏、萃 取、深冷分离等。膜分离与这些传统的分离技术相比，具有以下特点： 第一，膜分离是一个高效的分离过程。例如，氮和氢的分离，常规方法不仅 要在非常低的温度下进行，而且氢氮的相对挥发度很小；在膜分离中，用聚砜 膜分离氮、氢，分离系数为8 0 左右，聚酰亚胺膜则超过1 2 0 。 第二，膜分离过程的能耗通常比较低。大多数膜分离过程都不发生“相”的 变化；对比之下，蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附等分离过程，都伴随着从液相 或吸附相至气相的变化，而相变化的潜热是很大的。 第三，多数膜分离过程在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理。 第四，膜分离设备本身没有运动部件，工作温度又在室温附近，所以很少需 要维护，可靠度很高。 第五，膜分离工艺适应性强，处理规模可大可小，操作及维护方便，易于实 现自动化控制。n 9 1 n0 1 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 1 2 2膜技术在饮用水行业应用概况 1 2 2 1 膜技术在饮用水行业的发展 膜作为分离两相之间的一层薄膜，对穿透物质进行选择性阻拦。在二十世纪 六十年代早期，膜主要应用于取代蒸馏工艺为城市饮用水脱盐，但随着饮用水标 准日益严格，如美国s a f ed r i n k i n gw a t e ra c t ( s d w a ) 要求更严格的混浊度和 化学消毒1 ，同时美国s u r f a c ew a t e rt r e a t m e n tr u l e ( s w t r ) 要求确保对特定 病毒、细菌和原生生物的去除或失活n 如用传统处理工艺很难达到这些要求，然 而膜技术可以很容易做到这些，而不受原水水质影响。另一个影响膜技术使用的 因素是市场动力，水处理市场开放，膜价格下降，膜技术逐渐被广泛应用n 孔。 目前，超滤膜分离技术应用于原水处理存在的最大问题是膜处理过程中杂质 在膜表面产生堵塞和污染，从而造成膜透水通量的下降，导致膜处理过程的频繁 冲洗甚至换膜，使制水成本居高不下。膜透水通量随时间逐渐下降，其主要原因 是浓差极化和膜污染n 盯。截留分子量更小，抗污染能力更强的超滤膜组件的研制 和开发是超滤膜技术向更高水平发展的关键所在n 钉。 1 2 2 2 膜分类 根据材料不同，膜可分为有机膜和无机膜。和有机膜比较，无机膜有更高的 化学和温度抵抗力，但由于其易碎和昂贵，很少有商业应用。有机聚合物被广泛 用于商业制膜材料，用作活性层的聚合物主要有：醋酸纤维，聚酰胺，聚丙烯和 聚合砜等 1 6 1 。 通常我们根据分离机理进行区分，膜工艺应用于饮用水处理通常有：反渗透 ( r e v e r s eo s m o sis ，r 0 ) 、纳滤( n a n o f i1t r a tio n ，n f ) 、超滤( u 1t r a f ilt r a ti o n ， u f ) 、微滤( m ic r o f ilt r a ti o n ，m f ) 和电渗析( e l e c t o d i a l y sisr e v e r s a ，e d ) 。 主要特性见表1 - 1 n 7 1 。 9 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 表1 - 1 主要膜工艺特性 控制溶解物质 工艺机理分离 病原体有机物无机物 i f 筛分 0 o l l m 细菌| | u f 筛分 0 0 0 1 p 。m 细菌，病毒| n f筛分，扩散 0 0 0 1 1 t m细菌，病毒d b p s ，s o c s 全部 r o筛分，扩散 0 0 0 0 1 p m细菌，病毒 d i ；p ，s o c s 全部 e d 电荷 0 - 0 0 0 1 p m n o n e |全部 d b p s ：消毒副产物( d isi n f e c ti o nb y - p r o d u c tp r e c u r s o r s ) s o t s ：复合性有机物质( s y n t h e tico r g a ni cc o m p o u n d s ) 1 2 2 3 膜组件结构 膜组件是单独的操作单元，包括膜、压力支持系统、进料、浓缩液出料口， 和滤液出料口。目前市场上主要有四种类型：平板框架型、螺旋型、管状和真空 纤维8 1 。 1 2 2 4 操作模式 膜组件主要有两种操作模式，旁流式和浸入式，各有优缺点n 9 1 ： ( 1 ) 旁流式( c r o s s f l o w ) ：部分进流作为渗透液排出，而其他沿膜壁流动。 其优点是能更好控制饼层在膜体上的累积，从而能得到更稳定的流量，缺点是系 统复杂，能耗高。 ( 2 ) 浸入式( d e a d e n d ) ：对大规模的水和废水处理，旁流式运行费用高， 经济性较差。浸入式在上世纪九十年代中期被引入至工业领域，其主要特点是所 有进流作为渗透液流出，优点是设计简单，能耗低，缺点是饼层积累，引起流速 随时间降低，缩短生产周期，从而需要更频繁的周期性膜清洗幢们。 1 0 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 1 3 研究背景、内容和意义 1 3 1 研究背景 上世纪8 0 年代以来，环太湖流域工业化和城市化进程加速推进，目前以其为 核心的长三角地区已经发展成为我国重要的区域经济发展的中心之一。然而，随 着环太湖地区经济的腾飞，太湖却为之付出了沉重的代价。由于沿线工业、农业、 生活的污染，太湖富营养化日益严重，特别在夏季，由于藻类大量繁殖，问题尤 其突出。 与国内大部分城市一样，无锡市自来水厂基本采用传统常规工艺，包括混凝， 沉淀和砂滤。在原水水质达到国家有关标准( 地表水环境质量标准i i i 类) 条件下， 此工艺能够确保安全有效，但在原水水质受到污染时就存在一定问题，饮用水质 量就会对市民的健康造成风险。另外根据新的生活饮用水卫生标准，水质指标由 原先的4 6 项增加至10 6 项幢。为了确保饮水的安全，迫切需要研究可靠的自来水 深度处理技术，解决藻类等其他污染物问题，使饮用水水质全面达到国家新标准， 保证饮用水的安全有效供应。 根据前面的介绍，膜技术是饮用水处理的有效技术手段之二，其中超滤技术 能有效解决藻类问题幢2 ”1 ，活性炭吸附技术被广泛的应用于除色和脱臭处理陋钉。 本论文将膜技术( 超滤膜) 和传统水处理工艺相结合，同时投加粉末活性炭，对 藻类等污染物的去除进行研究。考察技术的去除效果，分析相关运行参数，为实 际工程设计提供依据。 相对与传统工艺，利用膜技术能完全去除水中的藻类，但主要问题是藻类引 起的膜堵塞，这阻碍了膜技术处理藻类的实际应用。根据研究，在藻类处理过程 中的膜堵塞主要是生物堵塞，藻类积聚在膜的表面，通过多个步骤和复杂过程形 成有害的生物膜，造成膜堵塞的主要问题是细胞外有机物( e o m ，e x t r a c e ll u l a r o r g a n i cm a tt e r ) 心钉n 司n 力乜引幢9 1 b 们 3 jj 。通过本次试验，研究通过选择合适的运 行参数，利用原有自来水传统混凝、沉淀等工艺作为预处理，能否解决藻类引起 的膜堵塞问题d 3 3 4 1 。 将超滤技术和粉状活性炭吸附技术进行集成，采用p a c - u f z l 2 艺来解决无锡市 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 由于藻类繁殖所产生的饮用水质恶化问题。p a c - u f 工艺具有如下特点： 容易和传统水处理工艺技术相结合。 粉末活性炭比颗粒活性炭对藻类毒素的去除更有效并且粉末活性炭可以 简单地投加到系统中。 粉末活性炭投加方式灵活，可在需要情况下投加。 完全去除藻类。 活性炭去除部分有机物污染。 1 3 2 研究的主要内容 论文主要针对无锡太湖饮用水源污染的问题开展超滤膜自来水深度的处理 研究，主要内容包括： 1 3 2 1 超滤膜处理后出水水质效果研究 主要考察： 超滤膜降低浊度效果 超滤膜对藻类及细菌去除效果 超滤膜降低总铁、色度效果 超滤膜对水t o c 、耗氧量等指标的去除效果 超滤膜对水体中多价金属离子( f e 3 + ，h l3 + ) 的去除效果 1 3 2 2 超滤膜深度处理运行管理研究 超滤膜运行的通量，回收率，维护及清洗模式研究 超滤膜污染的主要原因及合适清洗模式的确定 粉末活性炭( p a c ) 投加量及最佳模性能研究 主要目标是确定大型超滤膜水处理厂的设计最佳操作参数( 通量，回收率， 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 维护及清洗等) 。 1 3 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 2 试验设计 2 1 运行术语一一术语表 通量，跨膜压差( t l d p ) ，渗透性，回收率，反洗特性( 频次、日程表、反 洗通量、压力、反洗渗透性以及空气流量) ，膜完整性及化学清洗特性( 频次、 日程表、化学药剂及浓度) 等参数对于衡量膜的运行情况及性能至关重要。下面 将对诸多表征膜性能参数的名词进行详细描述。 通量：就是产品水透过单位面积膜的速率，通常采用加仑平方英尺天( g f d ) 作为通量单位。净通量就是考虑了反洗频次以及反洗日程表内对实际产水量的影 响后得到的实际膜通量，此外，每次维护性清洗和恢复性清洗所损失的产水也被 计算入内。瞬时膜通量则没有考虑反洗和维护性清洗产生的损失，因此读数也会 相对较高。本论文中涉及到的通量都是瞬时通量。 跨膜压差( t m p ) ：也就是使干净的水透过膜所需要的真空度。 渗透性：就是通量的一个计算参数，它与跨膜压差成反比，通常采用g f d p s i 为单位。渗透性需要进行温度校正，以消除温度对跨膜压差产生的影响。在x 摄 氏度下，渗透性的的计算公式如下： p e r m e a b i l o 逐x 。c = 凫w t 口订易f ，咖霉丁：；：1 0 2 5 扣d 回收率：就是产水量占进水量的百分比。回收率主要受通量和生产周期 长短控制，本试验膜系统只在反洗、维护性清洗和恢复性清洗过程中排放浓水。 维护性清洗：与恢复性清洗不同，维护性清洗比较频繁，所用次氯酸钠 或者磷酸的浓度也比较低，日程表也往往小于6 0 分钟。 曝气式维护性清洗：当膜表面或者膜丝间悬浮固体数量迅速增加时，需 要采用曝气式维护性清洗，在膜池全部排空前，膜池将进行累计长达2 4 分钟的曝 气。从膜池底部至顶端总共有八个液位设定值，排放一定量浓水达到每个液位设 1 4 新江大学硕士学位论文 超游膜在自来水深度址4 中的应用基础研究 定值时曝气120 秒，直至浓水全部排完 恢复性清洗：当膜污染积累到一定程度，无法达到要求的产水量时蘅要 进行一次恢复性清洗，提高膜酌渗透性“”“ 2 2 材料和方法 2 2 】材科 ( 1 ) 供试用水：论文试验用水为中桥水厂常规处理出水，水厂常规工艺主 要为沉淀加快游： ( 2 ) 试验用膜：试验呆用的膜是根据中拼水厂的水质情况，选用的g e ( z e n o n 公司) 的z w l 0 0 0 型中空纤维膜元件，材质p v d f ( 聚偏氟乙烯) ，膜孔径0 0 2u ， 膜孔总面积13 9 5 m 3 ，是一种低能耗的浸没式超滤工艺“”如图2 - 1 所示，它由 直接浸没在进水水体中的膜组件构成产水采用的是一种由外至内的过程。超滤 膜上细小的微孔确保了小颗粒物质包括隐孢子虫、贾第鞭毛虫悬浮颗粒或者其 他污染物无法透过，保证产柬的洁净 图2 - 1 中空纤维膜丝剖面图 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 2 2 2 方法 2 2 2 1 工艺 试验工艺流程图如图2 - 2 ： 图2 - 2 试验工艺流程图 试验采用浸入式膜系统，在膜箱中安装有3 个z w l0 0 0 型中空纤维膜元件， 组成处理规模为每小时处理水量约7 10 吨的中试系统，系统装有进出水浊度、 流量、温度、p h 、t o c 、跨膜压差等连续检测仪表。中试系统由膜箱、主机箱、 混凝箱、空压机、管路附件等组成部分。试验过程中定期采样，采样频次为一天 一次。项目测定方法按g b 5 7 4 9 - 2 0 0 6 生活饮用水标准检验方法1 3 8 。 2 2 2 2 膜组件 膜组件是膜系统的最小可替换单元。一片膜组件由上千根水平的中空纤维 膜丝以及两端垂直的塑料固定封头所构成。膜丝两端由封头固定住，膜组件的上 端和下端并通水，以产生由下自上垂直于膜丝的水流。膜组件的性能参数如表2 - 1 所示： 1 6 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 表2 - 1 试验膜组件参数 膜片规格( 长x 高x 宽) 6 9 0 8 0 nx6 8 5 8 mx1 0 6 7 c m ) 构造外到内中空纤维 公称膜面积 5 5 7m 2 公称孔径 o 0 2m 膜材质特殊聚合物 膜表面特性电中性亲水 最大干运输质量 1 9 3k g 典型运行跨膜压差 - 7t o - 9 0k p a 最大运行温度 4 0 运行p h 值范围 5 0 9 5 将膜组件在水平和垂直方向上排放组成膜列，在垂直方向上，标准的膜列由 三个组件构成，但在比较浅的膜池中也可以只放置两片膜的膜列。这样的膜组件 排列方式能保证膜列与实际膜池的配套，更有效地改造现有水池。膜组件就像书 本从书架中插入和取出一样可以任意从膜列中插入或者取出。每一片膜都由独立 的阀门与垂直的产水管相连接。 由一定数量的膜列浸没在一个开放式的池中就构成了膜池，进水由沿着膜池 的配水渠由下自上进入膜池。产水则由统一收集在产水管中。 2 2 2 3 中试水处理系统 试验系统采用一种简单的半间歇运行模式，过滤与反洗交替进行。在过滤期 间，产水通过真空泵产生的抽吸作用透过膜进入产水管，进水迅速补充进入膜 池，使得池内水位保持在一定高度。在产水过程中膜池内没有曝气。反洗则在每 个产水周期的末尾进行。在反洗过程中，对膜进行曝气和反冲，以将吸附在膜表 1 7 浙扛人学颤i 学位论id 滤膜存自来m “度* 理十的h * 础研究 面的固体除去，固体颗粒离开膜表面并且在曝气作用下悬浮在水体中。当反冲洗 一定时间后，将膜池全部排空，井用清水冲洗，使所有的固体颗粒被去除以恢复 膜的通透性能。然后膜池重新进水，开始下一个生产周期。 图2 3 所示是本文的超滤中试系统，中试系统由一台中试机及化学投加、自 清洗过滤器和空气压缩机等其他辅助设备构成。 2 2 24 维护性清洗 图2 - 3 超滤中试系统 维护性清洗是通过利用酸性或氧化性溶液以降低膜污染速率，延长化学清洗 的问隔时间。 维护性清洗参数包括： 清洗液及其浓度，浓度范围为o5 2og 几的磷酸或5 0 - 5 0 0 m g l 次氯 酸钠清洗液，p h 值能够适当调节，根据产品维护手册，如果有必要，可以使用 无机酸将p h 值最低降低至21 清洗液的温度，可以利用外来热水或使用换热器使水温到3 5 4o 浸泡时间，时间范围1 0 - 6 0 分钟 1 8 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 清洗频率：根据运行情况可以是每日一次，每周一次，两周一次 每次清洗的适宜曝气时间：1 卜2 0 分钟 维护性清洗时需要使用储存在反洗水箱中的产水。当将产水从反洗水箱中输 送到膜池时，通常要混合加入一些化学药剂，膜在化学溶液中浸泡一定时间，堵 塞在膜外的固体物将被溶解。然后，将清洗液从膜池中排空，并在系统恢复工作 之前用产水冲洗残留在膜表面、膜池及管道内的化学药剂物。在中试过程中，只 考虑了采用次氯酸钠( n a o c l ) 用于维护性清洗。以解决整个水管污垢问题。 2 2 2 5 化学清洗( c i p ) 随着运行时间的推移，仅靠维护性清洗仍难以阻止膜渗透性的下降，当膜的 渗透性能降低到了一定的程度，无法产生预期水量时，需要采用恢复性清洗或在 线化学清洗( c i p ) 。清洗用的化学物质类似于在维护性清洗中所采用的化学物 质。 本试验中膜化学清洗的典型程序包括将次氯酸钠溶液导入膜池，用超滤产水 将膜池注满，然后将膜在浓度为5 0 0m g l 的次氯酸钠溶液中浸透5 个小时，用进 水冲洗4 次，排空后导入浓度为1 0g l 的磷酸溶液浸泡5 小时，用进水冲洗4 次。 此操作的变换形式包括改变浸泡的顺序，改变化学浸泡液的种类，浓度和或浸 泡时间，或是加热清洗溶液。 1 9 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 3 试验过程 3 1 准备阶段卜中试试验装置的安装和启动 中试装置于2 0 0 7 年7 月1 3 日到7 月2 2 日展开相关安装工作，包括相关膜组件及 产水收集管道和储水池等的设计与安装，为续试验的进行打好基础。 在安装之前，首先要充分考虑到膜清洗液的储存、运输及处置，每天维护性 采用的n a c l 0 及化学清洗采用的n a c l o 、h 3 p o 。均准备专用容器储存，连接管道采用 p v c 管，耐酸性腐蚀。设备安装于滤池下，分别直接用管道连接滤后水和沉后水， 中间采用阀门切换。 3 2 第一阶段一滤后水膜过滤试验( 20 0 7 年7 月23 日至8 月1o 日) ( 水厂普通快滤池出水的膜处理试验) 2 0 0 7 年7 月2 3 日，对滤后水开始进行测试。水厂滤后水平均浊度为0 1 8n t u 。 在通量为4 0l m h 时，回收率为9 5 。每天用浓度为10 0m g l 次氯酸钠进行维 护性清洗以尽量减少污垢，防止膜系统可能的污染。在此期间，通过分析跨膜压 差( t m p ) 变化来监测膜的污染速率，并分析较高通量下运行的可行性。 一周后，改变操作条件，调节通量到7 1l m h ，回收率提高到了9 6 。通 常反洗通量与过滤通量相同，但本试验中反洗通量仍维持在上一阶段的4 0l m h 。 一个月后( 8 月2 日) ，再次改变操作条件，通量及反洗通量都增加至9 0i m h ， 继续保持9 6 的回收率。运行4 天后( 2 0 0 7 年8 月6 日) ，再将通量提高到10 5 l m h ，回收率由9 6 提高到9 6 5 。反洗通量仍为9 0l m h 。) 2 0 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 3 3 第二阶段一沉后水膜过滤试验( 20 0 7 年9 月1 5 日一20 0 7 年9 月 3 0 日) ( 水厂沉淀池出水的膜处理试验) 为了考察膜系统对较差水质水的处理效果，以无锡中桥自来水厂沉淀池出水 作为中试系统进水，在这段时间内没有加入粉末活性炭。中试试验在三个不同通 量条件下进行，在逐步提高测试通量的同时对各项产水水质参数进行分析。 2 0 0 7 年9 月2 1 日，中试试验在初始通量4 6l m h ，回收率9 5 的情况下进行。 2 0 0 7 年9 月2 4 日，通量值提高到6 1l m h ，回收率维持在9 5 。2 0 0 7 年9 月2 6 日， 通量值提高到7 1l m h ，回收率依然保持不变。2 0 0 7 年9 月3 0 日，通量值降回到6 1 1 m h 。 3 4 第三阶段：结合粉末活性炭的膜过滤试验( 20 0 7 年1o 月15 日一 20 0 7 年1 1 月15 日) 3 4 1阶段3 a 一沉淀出水加粉末活性炭 阶段3 a 在运行期间向沉淀池出水投加不同剂量的荷兰n o r it 粉末活性炭， 经过混凝箱后进入中试系统。在该中试试验阶段，通量值保持恒定，这样当膜遇 到剂量不同或类型不同的粉末活性炭时，可以分析各个水质参数。该阶段的中试 程序操作概要列在表3 - 1 中。 浙江大学硕士学位论文 超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 表3 - 1 阶段3 a 操作参数 日程表通量( 1 m h )回收率( )源水粉末活性炭 1 0 1 5 - 1 0 1 7 6 l9 5 沉淀水l o m g l 活性炭 1 0 1 7 - 1 0 1 8 6 19 5沉淀水2 0 m g l 活性炭 1 0 1 8 - 1 0 2 4 6 19 5 沉淀水3 0 m g l 活性炭 1o 2 4 - 10 2 96 19 5 沉淀水1 5 m g l 活性炭 10 2 9 - 10 3 06 19 5 沉淀水1 0 m g l 无锡 1 0 3 0 - 1 0 3 1 6 l9 5 沉淀水 2 0 m g l 无锡 1 0 3 1 - 1 1 1 6 19 5 沉淀水3 0 m g l 无锡 1 1 1 - 11 2 6 19 5 沉淀水1 5 m g l 无锡 3 4 2 阶段3 b 一滤后水投加粉末活性炭 阶段3 b 在操作上与阶段3 a 类似，在滤后水投加无锡中桥水厂提供的粉末 活性炭，经过混凝箱后进入中试系统。在这个中试试验阶段，通量值保持恒定， 以测试各水质参数。这一阶段的中试程序操作概要列在表3 - 2 中。 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 表3 - 2 阶段3 b 操作参数 日程表通量( 1 m h )回收率( )源水粉末活性炭 1 1 2 - 1 1 3 6 19 6 过滤水1 0 m g l 活性炭 1 1 3 - 1 1 4 6 19 6 过滤水2 0 m g l 活性炭 1 1 4 - 1 1 5 6 19 6过滤水 3 0 m g l 活性炭 1 1 5 - 1 1 6 6 19 6 过滤水1 5 m g l 活性炭 1 1 6 - 1 1 7 6 19 6过滤水2 0 m g l 无锡 1 1 7 - 1 1 8 6 19 6 过滤水1 0 m g l 无锡 1 1 8 - 1 1 9 6 1 9 6过滤水15 m g l 无锡 1 1 9 - 1 1 1 0 6 19 6过滤水3 0 m g l 无锡 1 1 10 - 1 1 1 1 6 19 6 过滤水2 0 m g l 活性炭 1 1 1 1 - 1 1 12 6 19 6 过滤水3 0 m g l 活性炭 1 1 1 2 - 1 1 1 3 6 19 6过滤水 2 0 m g l 活性炭 1 1 13 - 1 1 1 6 6 19 6 过滤水1 0 m g l 活性炭 浙江大学硕士学位论文超滤膜在自来水深度处理中的应用基础研究 4 结果与讨论 4 1 常规处理工艺部分指标去除效果分析 表4 - 1 中桥水厂常规工艺水质检验统计表 项目 氨 氮( m g l )耗氧量( m g l ) 日期 沉淀 沉淀水 滤后 滤后水 出厂 出厂水总去 源水去除率去除率去除率除率源水出厂水 去除率 水水水 ( ) ( )( ) ( ) ( ) 7 2 30 5 90 1 7 7 1 20 1 5 1 1 80 0 4 7 3 3 9 3 28 2 0 2 5 0 6 9 5 7 - 2 40 8 4 o 1 48 3 30 0 75 0 oo 0 52 8 69 4 07 0 02 o o7 1 4 7 2 50 4 9 0 1 66 7 3o 1 41 2 50 0 65 7 18 7 87 5 01 9 07 4 7 7 2 60 4 10 0 88 0 5o 0 8o 0o 0 53 7 58 7 86 5 02 1 06 7 7 7 2 70 3 8 0 1 26 8 4o 1 2o oo 0 74 1 78 1 6 5 9 01 8 06 9 5 7 2 80 3 9 o 0 97 6 9o 0 54 4 40 0 34 0 09 2 3 5 3 01 4 07 3 6 7 2 90 4 50 1 17 5 60 0 82 7 3o 0 62 5 o8 6 7 5 2 01 8 06 5 4 7 3 00 3 5o 0 2 9 4 3 0 0 20 00 0 2o o9 4 3 5 1 01 5 0 7 0 6 7 3 1 0 3 50 0 7 8 0 o0 0 6 1 4 3o 0 35 0 09 1 44 8 01 8 0 6 2 5 8 10 4 10 0 6 8 5 4o 0 5 1 6 7o 0 34 0 09 2 74 0 0 1 2 07 0 o 8 20 4 2o 0 8 8 1 00 0 4 5 0 00 0 32 5 09 2 94 1 0 1 5 06 3 4 8 30 3 80 0 4 8 9 5 0 0 4o o0 0 4o 08 9 53 9 0 1 4 06 4 1 8 - 40 3 5 0 0 68 2 90 0 43 3 30 0 4o o8 8 63 7 01 3 0 6 4 9 8 50 4 4o 0 6 8 6 40 0 60 oo 0 26 6 7 9 5 53 9 01 4 06 4 1 8 60 3 7 o 0 68 3 80 0 43 3 3o 0 32 5 o9 1 92 9 01 7 04 1 4 8 70 4 3 o 0 58 8 4o 0 5o 00 0 42 0 09 0 74 7 01 6 06 6 o 8 - 80 4 0 0 0 49 0 oo 0 25 0 o0 0 20 o9 5 o 6 7 01 7 07 4 6 8 90 5 0 0 0 49 2 o