（土木工程专业论文）以超滤为核心组合工艺处理微污染黄河水中试研究.pdf

。：“：j 一 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：趟 日期：j d 舰、彦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒錾窒 新躲托嗍帕。 1 i 1 j- 摘要 捅斐 随着水体污染日益严重，传统的水处理工艺已难以满足日益严格的饮用水水 质标准。研究开发经济、高效、绿色的饮用水处理技术，成为当今我国水处理研 究者亟需解决的主要方向。超滤工艺可以有效截留致病微生物和颗粒物，充分保 障水质安全，是新一代饮用水处理技术与工艺。 本论文以黄河水为研究对象，考察了不同预处理工艺与中空纤维超滤膜联用 对黄河水库水中污染物的净化效果及跨膜压差的变化规律，并考察了采用新型粉 末活性炭回流技术的高密度沉淀池与超滤组合工艺对微污染黄河水的处理效能， 为超滤技术在自来水厂的工程应用提供了有价值的参考。 研究结果表明，以超滤膜为核心技术的组合工艺对浊度、有机物、藻类和细 菌等污染物均表现出良好的去除效果。对于黄河水库水，混凝高锰酸钾、混凝 粉末活性炭、混凝高锰酸钾粉末活性炭及混凝剂混合池投加高锰酸钾，超滤膜 前投加粉末活性炭四种预处理工艺都可以不同程度地提高组合工艺对污染物的 去除率，减缓跨膜压差的增加，其中混凝剂与混合池投加高锰酸钾、超滤膜前投 加粉末活性炭与超滤组合工艺中，超滤膜跨膜压差增长最缓慢，能够有效的控制 膜污染，提高了超滤膜的运行效率。 通过新型粉末活性炭回流高密度沉淀池超滤净水组合工艺处理微污染黄河 水的中试研究结果表明，向沉淀池中投加粉末活性炭并采用回流污泥可以提高污 泥浓度，有效地改善对浊度物质和有机物的去除效果。高密度沉淀池超滤组合 工艺对控制消毒副产物的生成以及水体中嗅味物质的效果很好，可以有效保证出 水水质安全。 选择合适的反冲洗时间及反洗强度可以减缓膜污染。研究结果表明，氢氧化 钠碱洗+ 柠檬酸酸洗是一种清洗超滤膜的有效方法，膜运行压力的恢复率可达 9 6 。 综上所述，以超滤膜为核心的组合工艺是一种高效的饮用水处理技术，是一 种有巨大研究价值和应用i ；i 景的饮用水深度处理技术，可以全面保障饮用水的生 物安全性和化学安全性。 关键词：超滤膜；饮用水；粉末活性炭；高密度沉淀池；黄河水 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 i i ，引 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o ni s g e t t i n gw o r s e ，t h e c o n v e n t i o n a l d r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e sc a t ln o tm e e tt h em o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n to ft h ed r i n k i n gw a t e rq u a l i t y s t a n d a r d s oi ti sa np r i n c i p l ed i r e c t i o n sn e e dt os o l v et h a tr e s e a r c ha n dd e v e l o p e c o n o m i c a l ，e f f i c i e n ta n dg r e e nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u ef o ri n v e s t i g a t o ri n o u rc o u n t r y u l t r a f i l t r a t i o nb e c o m en e wg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fd r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n t ，b e c a u s ei tc a l lw i t h h e l dp a t h o g e n i cm i c r o o r g a n i s ma n dp a r t i c l e sa n da s s u r e d r i n k i n gw a t e rs a f e t y t h ed i s s e r t a t i o nt a k e sy e l l o wr i v e rw a t e ra sr e s e a r c ho b j e c t s ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t si ny e l l o wr i v e rr e s e r v o i rw a t e ri nd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n t p r o c e s s e sc o m b i n e dw i t hu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ea n dt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo f u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ed i s s e r t a t i o na l s os t u d i e dt h et r e a t m e n t e f f i c i e n c yw i t hm i c r o p o l l u t e dy e l l o wr i v e r w a t e rb yn e wp a cr e f l u x e d h i g hd e n s i t y s e t t l i n gt a n k 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 s ，i tc a l lb eg i v es o m ev a l u a b l eb e h a v i o r a l e x p e d e n c ea b o u tu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g yf o re n g i n e e r i n ga n da p p l i c a t i o n o fw a t e r w o r k s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et r e a t m e n tb yc o m b i n e dp r o c e s s e sb a s e d o n u l t r a f i t r a t i o ns h o w e dg o o dr e m o v a le f f i c i e n c yi nt u r b i d i t y ，o r g a n i cp o l l u t a n t s ，a l g a e a n db a c t e r i a t h e p r e t r e a t m e n tp r o c e s s e s i n c l u d i n gc o a g u l a t i o n - k m n 0 4 ， c o a g u l a t i o n p a c ，c o a g u l a t i o n - k m n 0 4 一p a c ，c o a g u l a t i o n k m n 0 4 i n t ot h em i x i n g c h a m b e ra n dp a ci n t ot h ew a t e rt a n kb e f o r et h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ec a ni m p r o v e r e m o v a lo fp o l l u t a n t sw i t hv a r y i n gd e g r e e sb yc o m b i n e dt e c h n o l o g ya n ds l o wt h e s p e e do ft r a n s m e m b r a n ep r e s s u r e ，e s p e c i a l l yt h ew a t e rt r e a t m e n tc o a g u l a t i o n k m n 0 4 i n t ot h em i x i n gc h a m b e ra n dp a ci n t ot h ew a t e rt a n kb e f o r et h eu l t r a f i l t r a t i o n m e m b r a n ec o m b i n e dw i t hu fm e m b r a n ec a nc o n t r o lm e m b r a n ef o u l i n ge f f e c t i v ea n d s l o wd o w nt h et m po fu fm e m b r a n e i ti m p r o v e dt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fu f t h r o u g ht h ep i l o t - s c a l es t u d yo fm i c r o p o l l u t e dy e l l o wr i v e r w a t e rt r e a t m e n tb y n e wp a cr e f l u x e d - h i g hd e n s i t ys e t t l i n gt a n k 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 s w ec a n f i n dt h a tp u t t i n gp a ci n t os e d i m e n t a t i o nt a n ka n dr e f l u xo fs l u d g ec a nb ei m p r o v et h e s u s p e n d e d m a t t e rc o n s i s t e n c eo fm i x e dl i q u o ra n dr e m o v a lo ft u r b i d i t ya n d o r g a n i s m i ta l s os h o w e dt h a tt h ec o m b i n e dp r o c e s sc a nc o n t r o ld b p sa n do d o r s u b s t a n c e se f f e c t i v e ，m a k es u r et h es e c u r i t yo fw a t e rq u a l i t y i nt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fu l t r a f i l t r a t i o n ，c h o o s i n gs u i t a b i eb a c k p u l s et i m e a n dd e n s i t yc a l ls l o wd o w nm e m b r a n ef o u l i n g w h e ni r r e v e r s i b l ep o l l u t i o nt oa i i i 北京丁业大学- l = 学硕士学位论文 s i g n i f i c a n te x e n t ，u l t r a f i l a t i o nm e m b r a n en e e dt oc h e m i c a lc l e a n i n g ，s oa st or e s u m e m e m b r a n ef l u x ，t h er e s u l ts h o wt h a ti ti sag o o dm e t h o df o rw a s h i n gu l t r a f i l a t i o n m e m b r a n eb yn a o hc a u s t i cw a s ha n dc i t r i ca c i dp i c k i n g t h er e c o v e yr a t eo ft m pi s 9 6 i ns u m m a r y , t h et r e a t m e n tb yc o m b i n e dp r o c e s s e sb a s e do nu l t r a f i l t r a t i o ni sa h i 曲l y - e f f i c c i e n td r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t i ti sag r e a tr e s e a r c hv a l u ea n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t st e c h n o l o g yo fd r i n k i n gw a t e rp r o f u n d i t yt r e a t m e n t i ta l s oc a np r o v i d e c o m p r e h e n s i v ec o v e r a g e f o r d r i n k i n gw a t e ri nb i o l o g i c a l s e c u r i t ya n dc h e m i c a l s e c u r i t y k e yw o r d s ：u l t r a f i l a t i o n ；d r i n k i n gw a t e r ；p a c ；h i g hd e n s i t ys e t t l i n gt a n k ；y e l l o wr i v e r w a t e r i v 弋 、 i fl，一 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 常规水处理工艺1 1 1 2 黄河源水污染变化趋势2 1 1 3 新水质标准实施2 1 2 膜技术发展及其在饮用水处理中应用3 1 2 1 膜技术在饮用水处理应用现状3 1 2 2 超滤在地表水处理中应用研究及发展4 1 2 3 超滤去除水中污染物5 1 3 课题介绍6 1 3 1 课题研究意义6 1 3 2 课题研究内容6 1 3 3 课题研究方法和技术路线7 第2 章试验装置及试验方法9 2 1 超滤膜组件9 2 1 1 超滤过程9 2 1 2 超滤膜9 2 1 3 超滤膜组件9 2 1 4 以膜单元为核心组合工艺及其工程应用1 0 2 2 试验装置1 2 2 2 1 黄河水库水超滤膜组合工艺装置1 2 2 2 2 高密度沉淀池与超滤膜组合工艺装置一1 3 2 3 试验仪器及分析方法1 4 2 3 1 浊度测定1 4 2 1 3 2c o d m n 测定14 2 3 3u v 2 5 4 测定1 5 2 3 4 细菌测定1 5 2 3 5 藻类计数15 2 3 6 叶绿素a 测定。1 5 2 3 7 嗅味物质的测定一1 6 2 3 8 消毒副产物测定1 7 - l l 北京丁业人学工学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼詈曼量暑曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅量曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼 2 4 本章小结1 7 第3 章超滤膜处理黄河水库水试验研究1 9 3 1 引言1 9 3 2 预处理工艺与超滤组合试验研究1 9 3 2 1 试验方法1 9 3 2 2 预处理工艺对跨膜压差影响。2 0 3 2 3 预处理工艺对水中污染物去除影响。2 1 3 3 混凝一超滤组合工艺试验研究2 4 3 3 1 试验方法2 4 1 3 3 2 不同混凝剂投量对污染物去除影响2 4 3 3 3 投加助凝剂对污染物去除影响。2 7 3 3 4 混凝剂及助凝剂对跨膜压差影响2 9 3 4 本章小结3 1 第4 章高密度沉淀池与超滤膜组合工艺试验研究3 3 4 1 引言3 3 4 2 试验装置及试验方法3 3 4 2 1 试验装置3 3 4 2 2 试验水源3 3 4 3 粉末活性炭对组合工艺去除污染物效果影响3 4 4 3 1 粉末活性炭投量对浊度去除一3 4 4 3 2 粉末活性炭投量对有机物去除3 5 4 3 3 粉末活性炭投量对嗅味物质去除3 5 4 4 最优工况下组合工艺对污染物去除效果3 7 4 4 1 组合工艺对浊度去除3 7 4 4 2 组合工艺对c o d m n 去除3 8 4 4 3 组合工艺对藻类去除3 9 4 4 4 组合工艺对微生物指标去除4 0 1 、 4 5 本章小结4 1 第5 章超滤组合工艺控制消毒副产物4 3 5 1 消毒副产物4 3 5 1 1 影响消毒副产物生成因素。4 3 5 1 2 游离氯消毒生成消毒副产物4 3 5 1 3 消毒副产物生成控制技术背景4 4 5 2 试验装置及试验方法4 5 5 2 1 试验装置4 5 目录 5 2 2 试验条件及药剂4 5 5 3 组合工艺对消毒副产物控制效果4 5 5 3 1 组合工艺对三卤甲烷控制效果一4 5 5 3 2 组合工艺对三氯乙醛的控制效果。4 6 5 3 3 组合工艺对卤乙酸控制效果4 7 5 4 组合工艺对消毒副产物生成势控制效果4 9 5 4 1 组合工艺对三卤甲烷生成势控制效果5 0 5 4 2 组合工艺对三氯乙醛生成势控制效果一5 1 5 4 3 组合工艺对卤乙酸生成势控制效果5 2 5 5 本章小结5 5 第6 章超滤工艺运行特性研究5 7 6 。1 超滤膜污染及防治5 7 6 1 1 超滤膜污染过程一5 7 6 1 2 超滤膜污染防治5 7 6 2 超滤膜反冲洗5 7 6 3 超滤膜化学清洗及恢复能力评价5 8 6 3 1 化学清洗药剂选择5 8 6 3 2 化学清洗方式比较一5 8 6 3 3 超滤膜产水率分析5 9 6 4 超滤系统的运行费用分析6 0 6 5 本章小结6 0 结论。6 1 参考文献6 3 攻读学位期间发表的学术论文6 7 致谢6 9 个人简历7 1 t 北京工业大学丁学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 1 1 1 常规水处理工艺 欧美的一些城市在1 9 世纪时常常爆发霍乱、伤寒、细菌性痢疾等传染病， 为有效地控制这种因水源污染而导致的疾病的蔓延，开发了过滤净水技术( 如慢 滤技术) 。到2 0 世纪，净水技术由单纯的过滤技术逐渐发展成为混凝、沉淀、过 滤和消毒的常规净水工艺。 饮用水净水工艺经过1 0 0 多年的发展，大致经历了3 个阶段： 第一阶段：2 0 世纪以前，因饮水不洁，在城市经常暴发强烈的水介细菌性 传染病等，给人们的生命健康造成了极大的危害，因此开发出了第一代城市饮用 水净化工艺，即混凝、沉淀、过滤、氯消毒工艺【l 】。目的是为了去除饮用水中的 悬浮物、胶体、颗粒物、灭活水中的致病微生物等。目前该工艺在保证饮用水安 全方面发挥了很好的作用，通常称之为第一代饮用水净化工艺，目前国内大多数 水厂仍采用此常规工艺。 第二阶段：在1 9 6 9 年，美国联邦污染控制部门从新奥尔良c a r r o l l t o n 水厂检 出3 6 种有机物，其中5 种为致癌物质，3 种为损害动物肝脏的有毒物质，之后 人们开始关注水体中存在的微量有机污染物问题，这些有机污染物通常具有以下 特点：种类多、浓度低和危害大。7 0 年代中期，研究人员发现，消毒工艺所采 用的氯气，会与水中的天然有机物反应，生成大量消毒副产物如t h m s 、h a a s 等，这些消毒副产物是对人体健康有毒害作用的致癌物，常规水处理工艺不能对 其进行有效的控制和去除，在此背景下发展了臭氧一活性炭深度处理工艺l l j ，即 在第一代工艺后增加臭氧一活性炭深度处理，可称作第二代城市饮用水净化工 艺。截止到8 0 年代，人们已从水体中检测到2 2 0 0 多种微量有机物。 第三阶段：进入9 0 年代以后，新的水体污染物被检出，并引起人们的关注。 首先，水体中出现了“两虫”，即贾第虫和隐孢子虫，还有一些搞抗氯性细菌如 军团菌等，第二代水处理工艺受到极大挑战。1 9 9 3 年美国维斯康辛州爆发了大 规模的隐孢子虫病，导致4 0 万人感染，1 0 0 多人死亡。之后，英国、澳大利亚、 日本等国的水体中也相继检测出该类病原菌和发生致病菌污染事件。我国水体中 也存在“两虫”隐患，给居民饮水健康带来了较大危害。国家新颁布的生活饮用 水卫生标准也对饮水中“两虫”的数量作了规定，要求小于1 个1 0 l 。与此同时， 近年来的研究表明，臭氧氧化会产生一种强致癌物质一溴酸盐。美国和我国的生 活饮用水卫生标准已对该物质作了严格限制。以超滤膜为核心的饮用水深度净化 工艺是一种新的、更加有效的水处理技术，其最大的特点是对水中微粒、胶体、 北京 业人学工学硕士学位论文 细菌和部分病毒能彻底去除，还能对水中的嗅味、色度、d b p s 前体物和其他有 机物都有效的去除。 因此，在我国环境急剧恶化，饮用水源污染的跨时代发展，日益严格的饮用 水水质标准，水厂常规工艺需进行更新换代改造的情况下，对以超滤膜为核心的 第三代饮用水净化工艺 2 1 的研究，并使其尽早的投入生产运行，迫在眉睫。 1 1 2 黄河源水污染变化趋势 黄河干流2 0 年来水质明显下降，从2 0 世纪8 0 年代初的均为优于i i i 类水质， 恶化为目前近6 0 的河长劣于i i i 类水质，且有近1 0 的河段处于v 类和劣v 类。 从河长来看，黄河干流除刘家峡以外，其他河段均受到不同程度的污染。根据 ( ( 2 0 0 4 年黄河流域水资源质量公报，黄河干流及2 7 条主要支流的8 3 个重点监 测断面中，有7 2 3 的断面水质劣于地表水环境质量i i i 类标准，其中：类占 1 9 3 ，v 类占9 6 ，劣v 类水高达4 3 4 。干流3 2 个监测断面中，6 5 6 的断 面水质劣于地表水环境质量i i i 类标准，其中：i v 类占4 0 6 ，v 类占1 5 6 ， 劣v 类占9 4 。严重污染区段主要分布在兰州、石嘴山、包头、潼关至三门峡、 小浪底至花园口等河段。主要支流5 1 个监测断面中，7 6 5 的断面水质劣于地表 水环境质量i i i 类标准，其中：、v 类均占5 9 ，劣v 类占6 4 7 。渭河、汾 河、蟒沁河等支流污染尤为严重。黄河流域2 9 个省界监测断面中，7 2 4 的断面 水质劣于地表水环境质量i 类标准，其中：i v 、v 类水质断面分别占2 0 7 、 1 0 3 ，劣v 类则高达4 1 4 。7 0 的沿黄城市集中饮用水水源地不能满足水质 标准要求。由于受到各种因素的制约，从近期来看，黄河水质污染变化趋势不容 乐观。 1 1 3 新水质标准实施 饮用水水质关系到人体的健康，对社会的稳定和发展也有很重要的意义。随 着科学技术的进步和社会经济的发展，人们越来越关注饮用水的安全性，随之饮 用水水质指标也正逐步提高。 2 0 0 1 卫生部j 下式发布了生活饮用水卫生规范( s e 法监发 2 0 0 1 1 6 1 号) ， 饮用水水质检测指标增加至9 6 项，其中常规检验项目3 4 项，非常规检验项目 6 2 项，标准限值要求有所提高。2 0 0 5 年，建设部颁布了最新的城市供水水质 标准( c j t 2 0 6 2 0 0 5 ) ，总检测项目达1 0 1 项，其中常规检测项目4 2 项，非常 规检测项目5 9 项。2 0 0 6 年卫生部颁发和实施了新的生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，与g b 5 7 4 9 1 9 8 5 相比，水质指标由原来的3 5 项增加到1 0 6 项， 修订了8 项，其中微生物指标由2 项增至到6 项，饮用水消毒剂由1 项增至5 3 项，感观症状和一般化学指标由1 5 项增至2 0 项。新的规范对供水水质提出了更 高的要求，促使水厂必须完善水处理工艺，以适应新的水质要求。 2 第1 章绪论 综上所述，为应对原水水质污染现状，保证新的城市供水水质标准，对水厂 老系统进行升级改造，增加深度处理工艺是非常必要的。 1 2 膜技术发展及其在饮用水处理中应用 1 2 1 膜技术在饮用水处理应用现状 膜技术作为饮用水处理的一个独立工艺，是水处理领域近2 0 年来最重要的 技术突破，超滤( u f ) 和微滤( ) 技术为其中很重要的一个组成部分。美国 科罗拉多州于1 9 8 7 年建成了世界上第一座外压式中空纤维聚丙烯膜净水厂，处 理地面水；法国a m o n c o u r t 市于1 9 8 8 年建成了日处理能力2 4 0m 3 的醋酸纤维素 中空纤维膜分离净水厂；荷兰于1 9 8 9 年建成了日处理能力1 2 0 0 m 3 的超滤膜净水 厂【3 j ；从1 9 9 2 年开始，日本开始对超滤和微滤的饮用水处理工艺进行大规模的 研究。 目前，全球正在运转和建设中的采用膜技术的饮用水处理厂日处理总规模达 4 1 1 1 0 4 吨，其中已运转的日处理量超过1 1 0 4 m 3 的水处理厂，美国有4 2 个，欧 洲有3 3 个，大洋洲有6 个，规模最大的在法国，日处理能力为1 4 万吨。英国近 期即将投产的一个1 6 x 1 0 4 m 3 d 的膜工艺水厂。日本准备在横滨建设一个日处理 规模为2 0 x 1 0 4 膜水厂。 2 0 0 2 年，全世界m f 和u f 装置的生产能力为4 9 1 7 x 1 0 6m 3 d ，2 0 0 3 年全世 界装机生产能力达到了1 0 x 1 0 6m 3 d 。以这种速率增长，在今后的几年内m f 和 u f 过程的总装机生产能力将超过反渗透( r o ) 和纳滤( n f ) 生产能力的总和。 m f 和u f 技术在水处理中的应用如图1 1 所示。在北美洲把m f 和u f 用于 r o 预处理的增长速度最快，其次是欧洲、中东和非洲【4 】。随着m f 和u f 的成 本的降低，使膜工艺取代传统的水处理工艺成为可能。 m f 和u f 技术在饮用水方面的应用增长最快，其主要原因是成本大幅度下 降，从而增强了膜法与传统方法的竞争力。图1 2 为全世界应用m f 和u f 技术 的地区分布情况，其中北美占5 8 ，欧洲占3 2 ，其次是中东和非洲。 国内有广东东莞等8 家水厂采用全自动m f 设备，日产水量为2 4 2 1 0m 3 ，水 厂规模从l om 3 d 到1 0 0 0 0m 3 d 不等。2 0 0 5 年国内第一座1 1 0 4m 3 d 的超滤水厂 在苏州市木椟镇投入运行，。 膜组件中卷式和中空纤维的膜过滤面积最大，管式和中空纤维最适合于饮用 水处理工艺，而不适合含有大量的浊度和悬浮物质的水体。目前在膜分离饮用水 厂所使用的多为中空纤维膜，少数使用无机膜。 随着生活饮用水卫生标准被提高，促进了u f 和m f 价格的下调和可以反冲 洗的大型中空纤维膜组件与系统的发展。 3 北京t 、止大学t 学硕士学位论文 其他4 - 、 工业1 1 太 欧洲 图1 - 1 全世界m f 和u f 技术图1 2 全世界m f 和u f 的地区 在水处理中的应用情况 分布 与此同时，u f 膜价格在逐渐降低，1 9 9 9 年u f 膜价格约为1 9 8 9 年的一半【5 j ， 原因主要是由于膜组件中膜表面积的增长以及膜组件的大规模生产，给膜技术的 广泛应用成为可能。 根据中国膜工业协会的统计资料可以发现，1 9 9 8 年我国膜工业产值为1 2 亿 元人民币，1 9 9 9 年为2 0 亿元人民币，2 0 0 0 年为2 8 亿元人民币。我国膜技术的 发展速度非常快，预计到2 0 1 0 年，我国膜工业产值将达到5 0 - - - - 8 0 亿元，约占世 界膜市场的5 。 虽然膜科学与技术已经获得巨大的发展，但它毕竟还是一门年轻的发展中的 综合性学科，膜分离技术正处在发展上升阶段。所以，2 l 世纪的膜科学与技术， 在饮用水处理领域将发挥更大的作用，其前景亦十分广阔。 1 2 2 超滤在地表水处理中应用研究及发展 目前，膜法在饮用水处理中的应用主要是r o 、m f 和u f ，r o 和n f 所需 的操作压力比较大，一般用于海水淡化和超纯水的制备，在饮用水处理工艺中很 少采用。由于超滤膜对病原微生物可以有效去除，加之超滤膜材料的国产化和成 本的降低，u f 工艺在饮用水处理方面的研究应用日益增多，以适应新的生活饮 用水卫生标准。 在对超滤膜去除颗粒物和有机物的研究方面，l a i n e 等人认为超滤膜孔径的 大小和原水中有机物分子量的分布 6 1 。孔繁钰等人的研究成果表明超滤膜出水浊 度可以始终保持在0 1 n t u 以下【7 1 。夏圣骥认为超滤出水浊度与原水浊度不相关， 超滤可很好去除水中的颗粒物l 8 j 。 从超滤运行方面来看，j u d i t h 等人认为超滤膜通量不受原水的影响，可以通 过增加膜操作压力来应付短期高水量的要求【9 】。1 9 9 8 年，法国l y o n n a i s ed e se a u x 公司研究表明错流过滤可以获得更高的膜通量，而死端过滤会消耗大量能量【l 们。 德国某水厂研究发现，超滤工艺对直径为1 - - - ，1 0 0 1 x m 大小的颗粒物质去除率为 9 9 ，比常规工艺高9 个百分点l l 。 g u i g u i 等人的研究结果表明为提高工艺厂出水水质，可以采用混凝作为预 处理，同时还可以降低膜污染【1 2 1 。d r o u i c h e 等人应用超滤对地表水进行研究，所 4 第1 章绪论 得出的结论是超滤对悬浮物和微生物等指标的去除具有绝对的优越性【l 引。 通过以上研究可知，超滤可以完全截留水中的病毒和细菌，其出水浊度也十 分理想。并且超滤对水中处于胶体粒径范围内的大分子有机物去除效果较好，对 中小分子有机物去除效果不佳，因此，超滤需要与预处理工艺组合应用于自来水 广【2 】 ，o 在对溶解性有机物去除方面，l a i n e 提出利用混凝和粉末活性炭对原水进行 处理，去除溶解性有机物，以此来提高过膜阻力及提高膜通量【1 4 1 。夏圣骥也对粉 末炭和超滤组合工艺处理水体进行了研究，得到有效去除溶解性有机物的结论 s l 。j o s e p h 利用粉末炭和超滤联用工艺研究表明，组合工艺对消毒副产物生成势 有很好的控制效果【1 5 1 。但有研究者a n n e 认为，投力h p a c 会使透水通量下斛1 6 1 。 董秉直等【1 7 】将超滤膜与混凝剂联用处理淮河水，中试研究结果表明膜出水浊度优 于0 5 n t u ，c o d u n 低于3 m g l 。 1 2 3 超滤去除水中污染物 1 2 3 1 超滤工艺对颗粒物和浊度去除对于采用膜工艺的水厂来说，因其出水 均低于0 2 n t u t l 8 j ，所以并不能完全体现膜对水体的处理效果，常引入颗粒计数 指标。k a r i m i l 等人的研究结果表明，采用微滤膜时，当颗粒直径越大，膜出水 对颗粒物的平均去除率越高，说明微滤和超滤去除水中的颗粒物质主要依靠膜孔 的截留作用【l9 1 。尹华升等人再次验证了超滤对浊度指标去除的优越性，研究得到 超滤出水浊度都在0 0 2 5 n t u 以下【2 0 j 。 1 2 3 2 超滤工艺去除藻类藻类本身对人的身体健康没有影响，但它会分泌藻 毒素，危害人体健康。藻类还是形成氯化消毒副产物和嗅味的主要物质，严重影 响出水的安全性【2 l 】。超滤膜的孔径小于藻类的粒径，藻类经超滤膜可以完全被截 留，目前传统工艺采用预氧化的方法来去除藻类，但这样会增加产生消毒副产物 的风险。 1 2 3 3 超滤工艺去除微生物真正通过水传播途径的微生物很多，如原生动物、 细菌和病毒等。我们通常采用细菌总数和大肠杆菌总数作为检测微生物的检测指 标。j a c a n g e l o 等人发现，原水经过超滤膜之后，出水中检测不到两虫等原生动 物，说明超滤膜的截留作用对去除水中微生物有很好的效果【2 2 】。而影响病毒的去 除效果的因素是膜的性质及膜孔的堵塞程度。有研究者对原水进行预处理，利用 形成的大的胶体颗粒将大的膜孔封住，从而加强膜工艺对病毒的去除效果【2 3 j 。 1 2 3 4 超滤工艺去除有机物目前，大部分天然水体中有机物含量较高，这样 会增加自来水厂产水加氯后的消毒副产物生成的危险，影响人身健康。许多学者 在超滤去除有机物方面做了大量研究。t a y l o r 等人发现低截留分子量的膜对d o c 的去除率要远远高于高截留分子量的膜【2 4 】。l a i n e 等人采用死端过滤可以去除水 中4 2 的t o c t 25 。b i a n 等人的研究结果表明不同截留分子量的膜对d o c 和 北京工业大学丁学硕卜学位论文 t h m f p 的去除效果相差不大，去除率分别为2 0 和1 5 左右。膜材料、膜型号 和膜的性质是影响水中有机物去除效果的三个因素，董秉直等人的研究发现华东 地区水源水中有机物的相对分子质量都较低口7 1 。c o s t a 等人也发现溶解性有机物 的相对分子质量较低【2 8 1 。 总结所有结果发现，除非采用截留相对分子质量极低的u f ，否则直接的膜 过滤对有机物难以达到理想的去处效果。 1 2 3 5 超滤工艺去除铁、铝等金属由于超滤膜和微滤膜对水中的无机离子不 能截留，因此必须采用预处理的方式将其去除，c a b a s s u d 等人发现超滤膜对水中 的总铁和总铝的浓度都能很好的降低，并认为这种现象与超滤膜能很好的去除水 中的颗粒物质有很大的关系 2 9 1 。 1 3 课题介绍 1 3 1 课题研究意义 面对如今水源水质的恶化以及人们生活水平的提高，饮用水常规处理已不能 满足日益严格化的水质标准，对消毒副产物、有机物和微生物等都不能很好的去 除。超滤技术及以超滤为核心的饮用水处理工艺是解决上述问题的可行途径之 一。目前对超滤过滤地表水的应用只适合于原水水质较好的水源【3 0 ，3 1 1 ，超滤膜对 水体中小分子溶解性有机物的去除效果较差，所以超滤膜需和其它工艺联合使用 才能更好的保证出水水质。 本课题采用不同的预处理工艺与超滤组合对黄河水体进行研究。高密度沉淀 池是一种强化混凝沉淀预处理工艺，对水体中的污染物尤其是有机物的去除较常 规预处理工艺效果更好，将高密度沉淀池与超滤组合，是对水体强化混凝沉淀处 理和深度处理的结合，更有利于净化微污染的黄河水。本课题主要分析工艺出水 水质，尤其是分析组合工艺对有机物及消毒副产物的去除效果，得到最优的运行 工况，为自来水厂常规水处理工艺的改革提供一个选择的方案，并提供必要的运 行经验。 1 3 2 课题研究内容 针对日益恶化的原水水质，现有常规处理工艺已不能达到国家新版生活 饮用水卫生标准规定的水质要求，亟需对水厂的处理工艺进行技术改造，增加 深度处理工艺，确保自来水水质能符合国家标准，满足人民的生活需要。 本课题结合微污染黄河水的水质特点，研究高密度沉淀池与超滤组合工艺 的应用可行性，重点考察如下几个方面： ( 1 ) 考察不同预处理工艺和超滤组合对黄河水库水水中污染物的去除效 果，以及预处理工艺对超滤组件运行性能的影响。 6 第1 章绪论 ( 2 ) 考察混凝超滤工艺对黄河水库水的处理效能。 ( 3 ) 考察粉末活性炭回流高密度沉淀池超滤组合工艺对微污染黄河水净 化，其出水水质安全性研究，并研究组合工艺对消毒副产物和嗅味物质的控制效 果。 ( 4 ) 研究超滤膜的化学清洗特性及恢复能力，以及超滤系统的工艺运行运 行情况。 1 3 3 课题研究方法和技术路线 图1 - 3 课题研究技术路线 f i g 1 - 3t h et e c h n i q u ep a t ho f t h ep r o j e c tr e s e a r c h 课题研究采用试验研究和理论分析相结合的方法。在对所研究领域的研究 成果分析的基础上，针对自己的研究目标，选择合适的处理工艺，并制定合理的 试验方案，完成相关的试验内容。 本课题把优化以超滤膜为核心的地表水处理组合工艺作为主线，通过将不 同的预处理工艺，尤其是高密度沉淀池强化混凝沉淀工艺与超滤组合进行中试研 究，研究组合工艺的处理效果及工艺特性，从而对工艺进行优化和对膜污染进行 控制，最终形成一个优化的组合工艺，为工程应用提供有价值的参考。 7 北京工业大