（环境工程专业论文）超滤组合工艺在佛山饮用水处理中的应用研究.pdf

中山人学t 程硕i j 论文：超滤l n 合t 艺舀：佛山饮用水中的心用研究 超滤组合工艺在佛山饮用水处理中的应用研究 专业：环境工程 硕士生：黄明珠 指导老师：刘广立副教授 工程领域导师：曹国栋高工 摘要 超滤技术是一种高效分离技术，能有效截留水中的颗粒物质，是替代传统的 饮用水处理工艺的最佳选择之一。但超滤去除原水中的溶解性有机物的效果较 低，为了提高膜处理去除有机物的效果，超滤需与其它工艺联用。本论文主要研 究了混凝沉淀超滤、活性炭浸没式超滤两种超滤膜组合工艺的净水效果及系统 运行参数的变化规律，并考察了超滤膜污染及清洗效果。通过中试试验和工程应 用研究，得到了以下结论： ( 1 ) 中试以佛山北江水为原水，采用混凝沉淀作为超滤膜组合工艺的前处 理，通过改变超滤膜的运行工况，优化了该组合工艺的处理效果。在聚合氯化铝 ( 氧化铝含量为6 ) 投加量为1 2 m g l ；超滤膜操作压力小于0 1 2 m p a ，膜通 量为7 5 l m 2 h ；超滤膜冲洗时间7 0 s 、水冲流量1 2 5 w i n 2 h ，气冲流量4 n m 3 h 的条件下，系统运行效果最好。试验结果表明，直接超滤膜对原水中的浊度、 c o d m n 、t o c 和u v 2 5 4 的去除率分别为9 9 7 4 、3 0 3 0 、2 7 6 3 和3 0 3 0 。 增加混凝沉淀作为预处理后，超滤膜能够有效地去除水中的有机物。在p a c 投 加量为1 2 o m g r 。时，混凝沉淀超滤组合工艺对c o d m n 、t o c 和u v 2 5 4 的去除 率分别为5 0 6 0 、4 8 3 6 和5 4 5 0 。组合工艺出水中的浑浊度均低于o 1 0 n t u ， 细菌少于4 c f u m l ，其余各项水质指标均满足生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ；先碱洗后酸洗可有效洗净膜的污染物，跨膜压差恢复率为9 2 6 i i 中山人学t 程硕i ：论文：超滤组合丁艺存佛山饮用水中的心用研究 ；超滤膜单位产水电耗约为0 2 5 k w h m 3 。 ( 2 ) 佛山新城区优质水厂原水为自来水，采用活性炭浸没式超滤水处理工 艺，供水设计生产能力5 0 0 0m 3 d 。运行结果表明，该工艺能够有效地保证出水 水质，且超滤膜的过滤特性稳定。c o d m n 、u v 2 5 4 的去除率分别为3 6 1 6 矛1 ：i3 7 3 0 。尤其是淹没式超滤膜有效地降低了出水中的浑浊度、颗粒数和细菌，膜滤后 水浊度低于0 1 0 n t u ，2 1 5 1 t m 的颗粒数在3 0 个m l 以下，细菌少于2 c f u m l 。 其余各项指标均达到了佛山市新城区优质供水水质要求，有效提高了供水水质安 全性，改善了口感。同时，清洗结果表明，气水反冲洗和化学清洗能够有效控制 膜污染，先氯洗后酸洗可有效洗净膜的污染物，跨膜压差恢复率为9 3 9 ：膜完 整性测试表明中空纤维膜丝没有发生“断丝”现象；超滤膜单位产水电耗约为 o 1 5 8 k w h m 3 。 ( 3 ) 超滤膜组合工艺具有良好的净水处理性能，作为佛山优质饮用水的处 理工艺是可行的，值得大力推广与应用。 关键词：饮用水处理；超滤；膜污染；膜完整性检测 i i i 中山大学t 程硕i ：论文：超滤组合工艺袖；佛山饮用水中的应用研究 s t u d yo nc o m b i n e d u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ep r o c e s sf o r f o s h a nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r f a p p l i c a n t ：h u a n gm i n g - z h u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i ug u a n g - l i e n g i n e e r i n gs u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e rc a og u o - d o n g a b s t r a c t u l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) a san e w a n dh i g he f f i c i e n c ys e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , h a sb e e n o n eo ft h eo p t i m a ls e l e c t i o n st oa l t e r n a t et h ec o n v e n t i o n a ld 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 sf o ri t sa d v a n t a g e so fp a r t i c l e sc u t - o f f h o w e v e r , t h ed i s s o l v e do r g a n i c m a t t e rr e m o v a le f f i c i e n c yw a sv e r yl o wi nr a ww a t e rb yu f s ot h eu fm e m b r a n ec a n b ec o m b i n e du s e dw i t ho t h e rp r o c e s s e st oi m p r o v et h eo r g a n i c sr e m o v a le f f e c t t h e w a t e r p u r i f y i n g e f f e c t b y t w ok i n d so fu fc o m b i n e d p r o c e s s ，i n c l u d i n g c o a g u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o n u fa n dg a c - s u b m e r g e du f ，a n dt h er u n n i n gp a r a m e t e r s v a r i a t i o no fu fw e r es t u d i e di n t h i sp a p e r t h em e m b r a n ef o u l i n ga n dt h ee f f e c to f c l e a n i n gw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt o t h ep i l o t - s c a l ee x p e r i m e n ta n dt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t ot h er a ww a t e ro fb e i j i a n gr i v e ri nf o s h a n ，t h ec o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n w a su s e da st h ep r e t r e a t m e n tp r o c e s st ot h eu fc o m b i n e ds y s t e mi nt h ep i l o t t h e r u n n i n gc o n d i t i o no fu fw a sa l t e r e dt oo p t i m i z et h er e m o v a le f f e c t 、h e nt h ep a c d o s a g ew a s12 o m g l ，p r a c t i s i n gp r e s s u r ew a sb e l o wo 12 m p a ，f l u xw a s7 5 l m z ，t h e w a s h i n gt i m ew a s7 0 s ，t h ew a s h i n gf l o ww a s12 5 l m 2 h ，a n dt h ea e r a t i o nw a s 4 n m h ，t h eo p t i m a lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fs y s t e mw a sa c h i e v e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h er e m o v a lr a t i oo ft u r b i d i t y , c o d m n ，u v 2 5 4a n dt o cw a s9 7 4 ，3 0 3 0 ， 2 7 6 3 a n d 3 0 3 0 r e s p e c t i v e l yb y u fm e m b r a n ea l o n ew i t h o u tt h e c o a g u l a t i o n s e d i m e n t a t i o n t h eo r g a n i cm a t t e rc a nb ee r i e c t i v e l yr e m o v e db ya d d i n g t h ep r o c e s so fc o a g u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o n r 1 7 v h e r lt h ep a cd o s a g ew a s12 0 m e g l ，t h e r e m o v a lr a t i oo fc o d m n ，t o ca n du v 2 5 4w a s5 0 6 0 ，4 8 3 6 a n d5 4 5 0 r e s p e c t i v e l yi nt h ec s - u fc o m b i n e dp r o c e s s t h et u r b i d i t yo fe f f l u e n tw a sb e l o w o 10 n t uu n d e ra l lc o n d i t i o n si nt h ec o m b i n e dp r o c e s s a n dt h eb a c t e r i u mo fe f f l u e n t w e r el e s st h a n4 c f u m l t h eu fe f f l u e n tw a t e rq u a l i t ym e tw i t hs t a n d a r df o r d r i n k i n gw a t e rq u a l i t y ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ；a c i dl i q u o rc l e a n i n gb e f o r ea l k a l il i q u o r c l e a n i n gc a ne f f e c t i v e l yc l e a nt h ef o u l i n gi nt h em e m b r a n e ，a n dt h et r a n s m e m b r a n e i v p r e s s u r er e c o v e r yp e r c e n t a g e i sa b o u t9 2 6 t h eu n i t e l e c t r i cc o n s u m p t i o no f p r o d u c i n gw a t e rb yu f i s0 2 5 k w h m 3 ( 2 ) a c t i v a t e dc a r b o n s u b m e r g e du fp r o c e s sh a sb e e na p p l i e di nf o s h a nn e w u r b a nw a t e r w o r k st op r o d u c eh i g hq u a l i t yd r i n k i n gw a t e rf r o mc o m m o nt a pw a t e r w i t hc a p a c i t yo f5 0 0 0m 3 d i tw a ss h o w nt h a tt h i sp r o c e s sc a ne f f e c t i v e l yg u a r a n t e e t h eq u a l i t yo fe f f l u e n tw a t e ra n dt h ef i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fu fm e m b r a n ew a s q u i t es t a b l ei nr u n n i n gp r a c t i c e t h er e m o v a lr a t i oo fc o d m n a n du v 2 5 4w a s36 16 a n d3 7 3 r e s p e c t i v e l y e s p e c i a l l y , u s eo fs u b m e r g e du l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n eh a s r e s u l t e di ne f f e c t i v ed e c r e a s eo ft u r b i d i t y , p a r t i c l ea n db a c t e r i ai ne f f l u e n t ，1 e s st h a n 0 10 n t u ，3 0 c n t m la n d2 c f u m lr e s p e c t i v e l y a l lm o n i t o r i n gi t e m so f w a t e rq u a l i t y m e tt h es t a n d a r do fh i g hq u a l i t yd r i n k i n gw a t e r , a n da l s ot h et a s t eo ft h ew a t e ri s i m p r o v e d f u r t h e r m o r e ，t h ec l e a n i n gr e s u l ts h o w e dt h a tb a c k w a s h i n ga n dc h e m i c a l c l e a n i n gc a nb o t hh a v eg o o de f f e c t o nt h ec o n t r o lo fm e m b r a n ef o u l i n g ，i nw h i c h c i t r i ca c i d l i q u o rc l e a n i n g b e f o r es o d i u mh y p o c h l o r i t es o l u t i o nc l e a n i n gc a n e f f e c t i v e l yc l e a nt h ef o u l i n gi nt h em e m b r a n e ，t h et r a n s m e m b r a n ep r e s s u r er e c o v e r y p e r c e n t a g ei sa b o u t9 3 9 t h e r ei sn o ”w i r e - b r e a k i n g ”o fh o l l o wf i b e rm e m b r a n e i n t h em e m b r a n ei n t e g r i t yt e s t ( m i t ) t h eu n i te l e c t r i cc o n s u m p t i o no fp r o d u c i n gw a t e r b yu f i s0 1 5 8 k w 1 l m 3 ( 3 ) a ut h ea b o v ei n d i c a t e dt h a tt h eu fc o m b i n e dp r o c e s s a st r e a t m e n tp r o c e s so f h i g hq u a l i t yd i n k i n gw a t e ri nf o s h a nw a ss u i t a b l e ，f o ri t s e x c e l l e n tp u r i f i c a t i o n c a p a b i l i t y t h eu fc o m b i n e dp r o c e s ss h o u l db ee x t e n d e da n da p p l i e dw i d e l y k e yw o r d s ：d r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t ；u l t r a f i l t r a t i o n ；m e m b r a n ef o u l i n g ；m e m b r a n e i n t e g r i t yt e s t v 中山人学t 程形 f j 论文：超滤组合t 艺n ；佛山饮用水中的应用研究 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 文不包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 的研究作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：磊矾矽和 日期：z 矿汐7 年肛月8 e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 保密论文保密期满后适用本声明。 学位论文作毒签名：履氐讳 刷币签轹伊- i t e t 期：矽汐9 年i 力月罗日 中山人学t 程硕i ：论文：超滤组合丁艺4 ：佛山饮用水中的成用研究 第1 章绪论 水是生命之源，饮用水的卫生与安全是人体健康的重要保障。随着我国社会 和经济的发展，人们对生活质量的要求不断提高，对饮用水水质的要求也越来越 严格，提倡优质饮用水是适应时代发展的需要。但与此同时，水体污染却不断加 剧，各种生产废水和生活污水未达排放标准就直接进入水体，给水环境造成了极 大的污染。水源水质急剧下降，对目前城市自来水厂的传统常规处理工艺提出了 严峻的挑战，微污染原水的净化处理己成为一项重要和迫切的课题【i 】。为获得安 全、优质的饮用水，需要探寻各种先进、可行的饮用水处理技术，以提高饮用水 质量，保障饮用水安全【2 】。 l 饮用水水质标准与处理技术 1 1 1 水质标准与优质饮用水 生活饮用水水质与人类健康直接相关，故世界各国对饮用水水质标准极为关 注。由于水源污染日益严重，以及水质检测技术与医学科学的不断发展，饮用水 水质标准总是不断地修改、补充。2 0 世纪初，饮用水水质标准主要包括水的外 观和预防传染病的项目，以后开始重视重盒属离子的危害，8 0 年代则侧重于有 机污染物的防治，9 0 年代后开始高度关注微生物引致的风险【3 】。 随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对饮用水的水质要求 也相应提高了。在这一背景下，建设部2 0 0 5 年6 月1 同颁布实施的城市供水 水质标准( c j2 0 6 2 0 0 5 ) 对城镇居民生活饮用水的水质提出了更高的要求。城 中山人学t 程硕i ：论文：超滤组合丁艺相i 佛山饮用水中的心用研究 市供水水质标准共1 0 1 项，分为常规监测4 2 项，非常规监测5 9 项，该标准 在原建设部2 0 0 0 年水质目标8 8 项的基础上，删除8 8 项中的2 0 项，增加了3 3 项，修订2 2 项的指标值并改为限值。因而该城市供水水质标准具有先进性 及可操作性【4 1 。l 我国自1 9 5 6 年颁发生活饮用水卫生标准( 试行) 直至1 9 8 6 年实施生 活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 的3 0 年间，共进行了4 次修订【5 1 。水质指标 项目不断增加。我国新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 于2 0 0 7 年7 月1 同实施，代替已使用了2 0 多年的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 。 新国标加强了对有机物、微生物和消毒等方面的要求。新标准中的饮用水水质指 标由原标准的3 5 项增至1 0 6 项，增加了7 1 项，与人体健康有关的水质指标为 8 6 项，占8 0 。其中，微生物指标由2 项增至6 项；消毒剂指标由l 项增至4 项；有机化合物由5 项增至5 3 项等；新标准统一了城镇和农村饮用水卫生标准， 并与国际标准接轨。 水质标准的不断提高，人们健康意识的不断增强，使优质饮用水的概念逐渐 深入人心。优质饮用水主要是在满足人体基本生理功能和生命维持基本需要的基 础上，长期饮用可以改善和促进人体的生理功能，增强人体健康，提高生命质量。 世界卫生组织在生活饮用水质准则中指出了理想的优质水应具备的特征： 不含任何对人体有毒、有害及有异昧的物质。 富含多种人体健康所需的矿物质微量元素。 p h 值呈弱碱性。 水中溶解氧适度。 水分子团小。 水的媒体营养生理功能要强。 1 1 2 常规处理工艺 饮用水的常规处理工艺主要分为4 个部分，即混凝、沉淀、过滤与消毒。混 凝是向原水中投加混凝剂，使水中难于自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒相互聚 合，形成大颗粒絮体。沉淀是将混凝形成的大颗粒絮体通过重力沉降作用从水中 2 中山大学1 二程硕：卜论文：超滤组合工艺红佛山饮用水中的应用研究 分离。过滤是利用颗粒状滤料截留经过沉淀后水中残留的颗粒物，进一步去除水 中的杂质，降低水的浊度。消毒是向水中加入消毒剂来灭活水中的病原微生物。 饮用水常规处理工艺对水中的悬浮物、胶体和病原微生物有很好的去除效果。我 国以地表水为水源的水厂主要采用这种工艺流程。 对于水质良好的水源，常规水处理工艺可以提供安全合格的饮用水。然而对 于有机污染较严重的水体，常规水处理工艺的局限性就显现出来了。受污染水源 水经过常规的混凝、沉淀、过滤和消毒工艺只能去除水中有机物2 0 3 0 t6 | ，且 由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浑浊度的 去除效果也下降( 仅为5 0 6 0 ) 。用增加混凝剂投量的方式来改善处理效果， 不仅使水处理成本上升，而且可能使水中会属离子浓度增加，不利于居民的身体 健康。并且，传统常规处理工艺还可能使出水氯化后的致突变活性有所增加，水 质毒理学安全性下降，对人体健康造成危害。而另一方面，随着对饮用水与健康 关系的研究的不断深入和生活水平的提高，人们对于饮用水水质的要求也在不断 提高。 因此，在水源受污染情况下，常规处理工艺已经无法解决水源不断污染、而 饮用水水质标准不断提高的矛盾。必须在现有常规处理技术与工艺的基础上，发 展新的水处理技术与工艺。 1 1 3 深度处理工艺 当饮用水的水源受到一定程度的污染，又无适当的替代水源时，为了达到生 活饮用水的水质标准，在常规处理的基础上，需要增设深度处理工艺。应用较广 泛的深度处理技术有：活性炭吸附、光化学氧化、臭氧+ 活性炭、膜过滤等【7 】。 ( 1 ) 活性炭吸附 活性炭吸附是去除水中溶解性有机物的最有效方法之一。它具有发达的微孔 结构，巨大的比表面积，可以l 明显改善自来水的色度，嗅味和各项有机物指标。 试验结果表明，活性炭对相对分子质量在5 0 0 3 0 0 0 的有机物有十分明显的去除 效果，而对相对分子质量小于5 0 0 和大于3 0 0 0 的有机物则达不到有效去除的效 果。此外，活性炭吸附还存在出水细菌总数明显升高、亚硝酸盐浓度升高等问题， 中山人学t 程硕i ：论文：超滤组合t 艺= n ：佛山饮用水中的心用研究 因此活性炭不宜单独用于饮用水处理，应与其他方法结合使用。 ( 2 ) 光化学氧化法 光化学氧化是近十年来出现的水深度净化研究的方向，该项技术发展很快， 该法的特点是具有极强的氧化能力，有机物去除效率高。在去除给水中微量有机 物特别是有致癌作用的优先污染物方面，比现有除污染技术有其独特的优点。它 对难降解而具有毒性的小分子有机物去除效果极佳。污染物的光氧化速率依赖于 多种化学和环境的因素。光的吸收性质和化合物的反应、水体的光迁移性以及光 辐射强度均是影响光氧化作用的一些重要因素。目前在水体微污染处理试验中应 用较多的光氧化法有激发氧化法和光催化氧化法，前者多采用臭氧和过氧化氢等 作为氧化剂，在紫外光的照射下使污染物氧化分解；后者又称为光催化氧化，一 般可分为均相和多相催化两种类型。 光氧化法尚处于试验研究阶段，在生产上应用还必须进行深入研究和完善， 且其运行成本较高。采用光氧化法净水器将自来水进行深度净化，以去除有害健 康的优先污染物，供饮用水或高质量生产用水是有前途的。 ( 3 ) 臭氧+ 生物活性炭过滤 活性炭前进水先经臭氧氧化，使水中大分子有机物分解为小分子状态，如芳 香族化合物可以被臭氧氧化打开苯环，长链的大分子化合物可以被氧化成短链小 分子物质等，转变为可生化性强的中间产物【8 1 ，这就提高了有机物进入活性炭微 孔内部的可能性，充分发挥了活性炭表面的吸附能力，延长了使用周期。同时， 后续的活性炭又能吸附臭氧氧化过程中产生的大量中间物，包括臭氧无法去除的 三卤甲烷及其前体，并保证了最后出水的生物稳定性。但臭氧生物活性炭仍然 存在一些值得注意的问题。如：不能有效去除水中氯化致突变物质的前体物；吸 附饱和的活性炭再生；活性炭层的细菌泄漏；臭氧消毒的副产物溴酸盐问题等。 ( 4 ) 膜分离技术 膜分离技术是目前饮用水深度净化领域中最有发展潜力的技术之一。膜分离 技术可适用于从无机物到有机物，从病毒、细菌到微粒甚至特殊溶液体系的广泛 分离，可充分确保水质，且处理效果基本不受原水水质、运行条件等因素的影响。 膜分离过程为物理过程，不需加入化学药剂，是一种“绿色技术。作为一种新 兴的净水技术，膜技术既可解决传统工艺难于解决的诸多问题，又具有使用中的 4 中山大学工程硕一l 论文：超滤组合工艺在佛山饮用水中的麻用研究 优势，已被大规模应用于饮用水处理系统。但膜分离技术同样存在局限，如反渗 透和纳滤操作压力较大，能耗高且出水过纯不宜长期饮用；单独使用超滤和微滤 不能有效去除有机物，需与其他工艺联用。 1 2 膜分离技术简介 1 2 。l 膜技术应用研究进展 1 7 4 8 年法国学者a b b en o l l e t 首次提出了膜分离现象【9 】，1 8 6 4 年t r a u b e 成功 研制了人类历史上第一片人造膜亚铁氰化铜膜【l o 】，1 9 6 0 年美国y u s t e r 教授 等首次制成了世界上第一张高脱盐率、高通量的非对称醋酸纤维素反渗透膜【i ， 1 9 6 3 年m i c h a e l s 开发了不同孔径的不对称醋酸纤维超滤膜【1 2 】。我国对反渗透技 术的研究始于1 9 6 5 年，9 0 年代初期开始研制了纳滤膜，1 9 8 3 1 9 8 5 年的后期， 研制成功了聚砜中空纤维超滤膜，9 0 年代获得了广泛的应用【1 3 】。经过二个多世 纪的探索研究，膜技术得到了迅猛的发展。在水处理方面，微滤、超滤、纳滤、 反渗透等己获得广泛应用，特别是超滤已被大规模投入到供水生产中【m 】。目前， 世界上在运行的最大超滤膜水厂是加拿大的l a k e v i e w 水厂，设计规模为3 6 0 ， 0 0 0m 3 d ，其远期规模为5 0 0 ，0 0 0m 3 d 。在国内，超滤膜已形成规模生产能力， 能够为数力吨日规模的水厂提供膜材料，且价格已降至可接受的水平。据文献 【15 1 ，中空纤维超滤膜每1 m 2 过滤面积约为1 5 0 元，以1 m 2 超滤膜每小时过滤0 1 m 3 水计算，l m 3 d 的超滤膜价格为6 0 元。超滤膜按使用3 年计算，为更换膜每l m 3 水只需o 0 5 7 元费用。因此，应用超滤技术对常规工艺进行升级换代将是今后城 市饮用水净化工艺的一个发展方向。 膜技术自2 0 世纪8 0 年代末开始应用于饮用水处理【i6 1 ，之后受到世界各国 水处理工作者的普遍关注，得到了广泛的研究，尤其在欧、美、同等发达国家早 已开始大规模应用。目前，我国也开始将膜过滤技术应用于饮用水生产。表1 - 1 列举了部分有代表性的膜法饮用水厂【1 7 】。 中山大学t 程硕：t ：论文：超滤组合丁艺在佛山饮用水中的应用研究 表l 一1 膜法饮用水厂实例 _ l _ - - - _ _ _ - _ i i i i _ - _ - _ l _ l - - 投产时问困家水厂 规模( m 3 d )t 艺说明 1 9 8 7 荚国 科罗拉多州的 1 0 5微滤 ? ! 聚内烯，孔径o 2 m m 山= 界 k e y s t o n ei ：第一座膜分离水厂 1 9 9 4挪威2 0 0 - - 3 0 0 已有2 0 家 1 9 9 9 法冈 m e r y - s u r - o i s e 1 4 0 0 0 0 纳滤世界首家人型纳滤水厂 一_-一_-_-_-_-_-_-_一 1 9 9 9 芬兰l a i t i l a6 0 0 反渗透纳滤除铝 1 9 9 9 美困 m a n i t o w o c 5 5 0 0 0微滤 除饱子虫 荷兰h e e m s k e r k5 5 0 0 0 超滤反渗透 2 0 0 2 中周人庆市 臭繁炭 困内首例心滤的t 程 1 2 2 水处理中常用的滤膜 膜分离系指在某种动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离水中离子或 分子以及某些微粒的目的【1 8 】。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差 或浓度差。以压力差为驱动力的膜分离技术有反渗透( r o ) 、纳滤( n f ) 、超滤 ( u f ) 和微滤( m f ) 1 9 j 。 ( 1 ) 微滤膜 微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，简称m f ) 膜的结构为筛网型，孔径范围为o 0 5 5 ， 因而微滤过程满足筛分机理【2 0 】，可去除o 1 - - - l oj - t m 的物质及尺寸大小相近的其 他杂质，如细菌、藻类等。 微滤的应用主要有：去除颗粒物质和微生物；去除天然有机物( n o m ) 和合成有机物( s o c ) ；作为反渗透、纳滤或超滤的预处理；污泥脱水与胶 6 中山大学工程硕士论文：超滤组合工艺在佛山饮用水中的应用研究 体物质的去除。 ( 2 ) 超滤膜 超滤是一个压力驱动过程，其介于微滤与纳滤之间，且三者之间无明显的分 界线。一般来说，超滤膜的截留相对分子质量在1 0 0 0 - - - , 3 0 0 0 0 0 之间，而相应的 孔径在5 l o o n m 之问，操作压力一般为0 0 5 - - 0 5 m p a ，主要用于截留去除水中 的悬浮物、胶体、微粒、大分子有机物、细菌和病毒等大分子物质。 超滤膜的物理结构具有不对称性，实际上可分为两层，一层是超薄活化层， 约0 2 5 1 j = m ，孔径为5 0 - 2 0 o h m ，对溶液的分离起主要作用；另一层是多孔层， 约7 5 - - - 1 2 5 p m ，孔径约0 4 p m ，具有很高的透水性，只起支撑作用。 表征超滤膜性能的主要参数有截留分子量、截留率、水通量、孔结构( 如孔 的形状、大小、平均孔径、孔径分布和空隙率等) 、酎温、耐压、抗腐蚀性、抗 氧化性及使用寿命。 ( 3 ) 纳滤膜 纳滤( n f ) 是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，膜的孔 径范围在几个纳米左右，其对一价离子和相对分子质量低于2 0 0 的有机物截留较 差，而对二价或多价离子和相对分子质量介于2 0 0 - - - - 5 0 0 之间的有机物有较高的 脱除率。 ( 4 ) 反渗透膜 反渗透是在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把 浓溶液中的水压到半透膜的另一边，这是和自然界正常渗透过程相反的，因而称 为反渗透。反渗透可以用溶解扩散理论、氢键理论、优先吸附一毛细孔流理论进 行解释。 反渗透所分离的溶质，一般为相对分子质量在5 0 0 以下的糖、盐类等低分子， 此时溶液的渗透压较高，为了克服渗透压，必须采用较高的压力，一般操作压力 为2 , - - 一l o m p a ，所用膜为非对称膜或复合膜。 1 2 3 膜法工艺特点 1 2 3 1 膜法过滤图谱 7 中m 大学i 程日论文：超滤组古工艺在怫m 饿用水中的恕田研究 图l 一1 各级滤膜过滤图谱 如图i i ，水中的致病微生物的尺寸，病毒2 0 p m 至数百n m 。细苗数百n m 至数u m ，原生动物数m 至数十“m ，藻类- 数i i n l 至数百g i n 。滤膜按孔径由小到 大分为反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜。其中反渗透膜的孔径约01 姗，除 水分子和部分町溶性盐能透过外其它物质均被截留；纳滤膜的孔径l n m 左右， 超滤膜的孔径数n m ，能将水中的微生物几乎全部去除是擐有效的去除水中微 生物的方法。微滤膜的孔径为数百r t m ，不能充分截留去除病毒和细菌。 1 2 3 2 膜法工艺与常规工艺性能比较 膜法工艺与常规工艺的性能比较翻见表1 - 2 。 表1 2 膜法工艺与常规工艺相关性能比较 堙目常规工艺膜法i 艺 t 艺 砂滤 驱动力熏力压力压力雎= 幻压力电动势 输送喊m水水离子潜藏 大分于【 1 0 ) 小分子量有 最小 除物绝大部分溶 嚣浮藏牲肢体、细菌有机物质、痫机物( 3 0 0 ) 解物 盈二价盘属 中山人学t 程硕i j 论文：超滤组合t 艺= 神：佛山饮用水中的应用研究 离子 公称孔径 1 0 - 2 l o - 7 1 0 - 2 。1 0 - 7 i 0 - 7 _ 1 0 - s 1 0 - s 1 0 - 1 0 l o 9 l o - i o 1 0 - 9 1 0 1 0 截留分了量8 0 0 0 5 0 0 0 0 0 o 1 0 2 w i n3 0 0 1 0 0 0 0 或截留粒径 0 0 l u m i n m 典型操作压 0 1 2o 2 2o 5 55 2 0 2 0 8 0i 3 力b a r 典型水通量 2 0 0 0 - l0 0 0 01 0 肚1 0 0 05 m 之o o2 0 5 01 0 5 0 u ( m 2 , h ) 耗能 0 1 5 加2o 2 4 加60 61 0 - 2 5 ( k w h m 3 ) m f 或u f 或 预处理混凝、沉淀粗滤或网滤粗滤或网滤m f 或u fm f 或u f r o 1 2 3 3 膜法水处理效果 微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 等膜法水处理效桌【7 1 见表1 - 3 。 表l - - 3 膜法饮用水处理的效果 9 中山人学t 程硕i ：论文：超滤组合t 艺= 4 ：佛山饮用水中的j 衄用研究 注：表示去除效果很好。一表示效果j 原水水质相关。表中空白处表示无相关数据。 1 2 4 膜技术与优质水 大量医学研究表明【2 l 】，饮用水是人体摄取必需的矿物质微量元素的重要途 径。人体若长期饮用缺少微量元素的纯净水，会造成严重营养失衡，特别是对老 年人、发育中的儿童、孕妇的影响尤为明显。如果水中钙、镁离子含量低，细胞 就可能吸收有害健康的微量元素；饮用不含钙、镁离子或含量甚微的脱盐水( 如 纯水) ，进入人体内的任何有害物质的危害作用就会放大。 由于反渗透膜几乎将水中盐类全部去除，处理后的水甚至纯于蒸馏水，这样 的水不能作为饮用水长期使用。纳滤膜对盐类的去除仅次于反渗透，去除率也很 高，一般作为软化水使用，且纳滤膜目前在我国尚需要进口，成本很高，还不能 作大规模推广。微滤对部分病毒和细菌不能有效去除。超滤在将水中的胶体微粒、 不溶性的铁和锰以及细菌、病毒、贾第虫等微生物去除的同时，保留了人体必需 的微量元素，既确保水质安全又保证水质健康。因此，选择超滤膜提高饮用水的 生物安全性是可行的。 1 3 超滤技术在饮用水处理中的应用 1 3 1 超滤原理及特性 1 3 1 1 分离机理 超滤的分离机理可以描述为与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力 差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定压力作用下，当水流过膜表面时，只 l o 中山大学工程硕上论文：超滤组合工艺和佛山饮用水中的应用研究 允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中悬浮物、胶体和微生物等大分 子物质通过。这种筛分作用通常造成污染物在膜表面的截留和膜孔中的堵塞，随 过滤时间增加，逐渐形成超滤动态膜。超滤动态膜也能对水中污染物进行筛分。 虽然物理筛分作用是超滤的主要分离机理，但其它作用也不能忽略，水中污 染物的特性和膜材料的物理、化学性质也对膜分离产生很大影响。水中污染物对 膜表面和膜孔的吸附是超滤分离的另一机理，从而使小于膜孔径的分子也可能被 膜分离。超滤对水中溶解质的分离主要通过如下作用 2 2 】： ( 1 ) 膜表面的物理筛分作用； ( 2 ) 膜孔中的阻塞作用； ( 3 ) 膜表面及膜孔内的吸附作用。 1 3 1 2 理论分析模型 ( 1 ) 膜表面传质方程( 薄膜理论模型) 由于超滤膜的选择透过性，溶质被膜截留，积累在膜的高压侧表面，造成膜 表面到主体溶液之间溶液的浓度梯度，促使溶质从膜表面和边界层向主体溶液扩 散( 2 3 】。膜和边界层的传质情况如图1 2 所示。 边界毽 x鑫 e 图l 一2 膜和边界层的传质情况 假设在距离膜表面6 处，料液仍是完全混合的，溶质浓度c b 在膜表面附近 中山人学t 程硕l ：论文：超滤组合t 艺在佛山饮用水中的心用研究 形成边界层，溶质浓度逐渐增大，在膜表面处达到最大值c m 。溶质流向膜的对 流通量为j c ，如溶质未被完全截留，则存在一个透过膜的溶质通量j c p ，膜表面 处溶质的积累会产生流向料液主体的扩散通量，当溶质以对流方式流向膜的通量 等于渗透通量与反向扩散通量之和时，体系达到稳态。 j c + 等咄。 边界条件为：x = o ，c 2 g ；x = & c 2 c b 。积分得： 器( c b q ) 扩散系数d 与边界层厚度6 之比称为传质系数k ，即 膜的真实截留率r 为 则式( 2 2 ) 变为： ，d k = 一 万 尺：1 一旦 q ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) q 。r 1 m 称为浓差极化膜数。当溶质被完全截留时，c p = o ，式( 2 2 ) 可变为： o b ，：k l n 鱼或鱼：p ；( 卜6 ) e名 1 2 中山人学丁程硕十论文：超滤组合工艺们i 佛山饮用水中的应用研究 这就是质量传递的基本方程，它表明了与浓差极化有关的两个参数( 通量与 传质系数) 以及决定这两个参数的因素即膜与流体力学性质。另外通过调节通量 与传质系数可以减少膜的浓差极化现象，从而减轻膜的污染。 ( 2 ) 膜内传质方程( 微孔模型) 理想情况下，膜上均匀地分布着大小相同的膜孔，膜面与膜孔没有沉积污染 物质时，通过膜的通量可用d a r c y 定律描述 2 4 1 ，过膜通量j 正比于所施压力胪： j = a p ( 1 7 ) 其中a 为渗透常数，它包括空隙率、孔径的结构分布、渗透液粘度等因素。 根据d a r c y 阻力模型得： ，：一；一竺一一：竺 ( 卜8 ) ( 心+ r b l + r f )r 式中，为溶液粘度，r m 为膜阻力，咒，为浓差极化边界层阻力，髟为膜污 染产生的阻力，r 为膜过程总阻力。运用该方程可定性解释膜的渗透速率随运行 时间的衰减，但具体值难以测定。真实定量的表征膜污染程度的方法有待进一步 研究。 对于直管型膜，可运用h a g e n - p o i s e u i | l e 关系式： ，：e r 2 刖o 8 a r a x 式中，r 为孑l 半径，缸为膜厚，f 为弯曲因子。 1 3 1 3 超滤分离特性 ( 1 9 ) 超滤分离特性有： ( 1 ) 分离过程不发生相变化，耗能少； ( 2 ) 分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、生物制剂 中山大学t 程硕1 ：论文：超滤组合t 艺j i ：佛山饮用水中的应用研究 及某些药品等的浓缩或者提