（环境科学专业论文）给水厂废水污泥回收处理技术研究.pdf

a b s t r a c t t h ew a s t e w a t e rs l u d g et h a te m i s s i o n st ot h ew a t e rp l a n ty e a r l yi no u rc o u n t r yr e a c h e st o 15b i l l i o nc u b i cm e t e r s ，a n di nj i l i np r o v i n c er e a c h e st o3 5m i l l i o nc u b i cm e t e r s t ot h i sp a r t o fs e w a g es l u d g ed i s p o s a la l w a y sd i r e c t l yd i s c h a r g e ss e w a g eo rm i x e di n t o t h es e w a g e t r e a t m e n tp l a n ta f t e rd i s c h a r g i n g ，o rt h eo t h e rw a yi st ou s e t h ef o r m e rm e t h o di sn o to n l ya w a s t eo fag r e a td e a lo fw a t e rr e s o u r c e s ，b u ta l s oc a u s e de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ；l a t t e r m e t h o dw i l ll e a dt os o m ep o l l u t a n t s ( m i c r o b i o l o g i c a la n dc h e m i c a ls u b s t a n c e s ) o ft h e a c c u m u l a t e dp r o b l e m s ，t h e s ep o l l u t a n t sm a ye x c e e dt h ec a p a c i t yt h a tt h ew a t e rp l a n tc a n h a n d l e ，d e t e r i o r a t et h ew a t e rq u a l i t y , t h u sa f f e c t i n gp e o p l e sh e a l t h t h ew a t e rr e c y c l i n g p r o b l e mo fw a t e rp l a n ts l u d g eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nt h ef i e l do fw a t e r t r e a t m e n t t 1 1 i sp a p e rt a k e se x a m p l e sa st h ec h a n g c h u nr a n k e dt h i r dm u d d yw a t e rp u r i f i c a t i o n p l a n t st os t u d yt h e i ru s eo fm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yf o rr e c y c l i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h n l ei n s p e c t i o nm o d u l ee f f e c t ，o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h ed i f f e r e n c e si ne n e r g y c o n s u m p t i o nt od e t e r m i n et h et y p eo fw o r kf o rt h em o d u l e ；i n s p e c t i o nm o d u l eo ft h ep l u g ； s t u d yd e t e r m i n i n gt h eb e s tt r e a t m e n ts y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r ；r e s e a r c ha n de s t a b l i s ht h e c l e a n i n gm e t h o d so ff i l mp a r t s 砀er e s u l t ss h o wt h a ts u b m e r g e dh o l l o wf i b e rm e m b r a n eo fc o l l o i d a la n ds u s p e n d e d p a r t i c l e sa r ei d e a li n t e r c e p t i o ne f f e c t s ，f i l ma n dt h es u s p e n d e dp a r t i c l e sc o l l o i dr e t e n t i o nr a t e m o r et h a n9 9p e r c e n to ft h em e m b r a n eo fi r o nr e m o v a lo b v i o u s l y ，t h et r e a t m e n to fe f f l u e n t s f r o mm o r et h a nb a s i ci r o nc o n t e n t o 0 5 m g l ，w h i l et h el a r g e s ti r o nc o n t e n to fo 0 8m g 1 ， f a rl e s st h a nd r i n k i n gw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ；f i l mo fo r g a n i cm o l e c u l e sr e m o v a li sn o t o b v i o u s ，a n db e c a u s es h o r t e ra e r a t i o na n dn i t r i f i c a t i o n ，w h i c hf i l t e r w a t e ra f t e rw a t e r a m m o n i ac o n t e n t i n c r e a s e s ，s u b m e r g e d h o l l o wf i b e rm e m b r a n et r e a t m e n t s l u d g e s e d i m e n t a t i o nt a n k sn o r m a l ，w a t e rb a c t e r i ai sm o r es t a b l ea n dc o n s i s t e n tw i t ht h eb a s i cq u a l i t y o fd r i n k i n gw a t e rs t a n d a r d s ；s u b m e r g e dh o l l o wf i b e rm e m b r a n et r e a t m e n tm u s tu s ec h e m i c a l s t 0b ec o u n t e r - c u r r e n tt ot h es u r f a c ec l e a n i n g ，c h e m i c a lc l e a n i n gf l u xw i l lr e t u r nt ot h eb a s i c t e s ta tt h eb e g i n n i n go ft h ef l u x ，r e c o v e r yr a t eo f9 9 t h ep r o c e s sh a sab e t t e re f f e c t p r o c e s s o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s t h ew a t e rt r e a t m e n tf l o w ：1 4 - 2m 3 h ，f l u x ：2 8 - 4 0l m 2 d ，f a n f r e q u e n c y ：2 6 6 8 3 0h z ，i n t e r m i t t e n to p e r a t i o n ：s u c t i o np u m p sr u n3 0m i n u t e s ，s t o p p e d3 0s e e ， t h eb a c k w a s hc y c l e ：3 0m i n u t e s ，c h e m i c a lc l e a n i n gc y c l e ：2 3m o n t h ，t h ef o r mo fc o m p o n e n t s ： t w o - t i e ro rt h r e e t i e r ，t h em o i s t u r ec o n t e n to fs l u d g e 9 8 ，w a t e rr e c o v e r yr a t eo f 9 0p e r c e n t o r m o r e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yp l a n t ；s l u d g ew a t e r ；m e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ；s u b m e r g e d h o l l o wf i b e rm e m b r a n e i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作 所取得的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：溢主叁丝 日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东：i l n 范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学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，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编本学位论文。 ( 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： 查丝鍪 e t 期：迎皇：堇! 圣f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：必 e t 期：型盟：上：主l 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章前言 近年来，随着工业的发展，由于经济和认识等原因，大量未经处理的工业废水直接 排入附近的水体，远远超过了受纳水体的自净能力，致使受纳水体水质受到严重污染。 许多给水厂为了取得较好的原水，不惜投入大量的建设资金，从污染较少的水源地远距 离引水，虽然水质有所改善，但提高了制水成本。然而作为忌讳水源污染的给水厂，却 同样将大量未经处理的生产污水直接排入水体，又加重了水源的污染。 大多数的城市给水厂都是从江河湖泊和水库等地表水源取水，原水经过絮凝、沉淀、 过滤和消毒等工艺，将原水中的杂质去除，生产出符合生活饮用水卫生标准的成品水船1 。 但是给水厂在生产成品水的同时，也产生了大量的污水和污泥。特别是自二十世纪七十 年代以来，随着世界各国给水事业的巨大发展，给水厂排出的污水和污泥也产生了以下 的一些变化口1 ：给水厂的数量不断增加，供水能力与日俱增，给水厂排出的污水和污泥 数量越来越多；原水水质日益下降，原水中有机物和有毒物质的种类和含量也明显增加， 给水厂排出的污水和污泥质量越来越差；人口高度集中，城市不断膨胀，单座给水厂的 规模日趋增大，污水和污泥的集中排放量也越来越大。 目前，世界上大多数国家和地区都正在积极研究和进行给水厂的污水和污泥处理工 作。随着经济的发展和人们环保意识的提高，我国给水厂的污水和污泥处理也己经提上 议事日程。搞好给水厂的污水和污泥处理，在改善水环境的同时，在一定程度上可缓解 水资源紧缺的矛盾。给水厂污水经过浓缩脱水后的干化污泥，若能合理筹划研究，进行 经济有效的综合利用，还可能作为可贵的资源加以开发利用h 1 。 一、给水厂排泥水的产生和成分 给水厂排出的含泥污水( 排泥水) 主要由滤池反冲洗排水和沉淀池或澄清池排泥水 组成，约占水厂总净水量的4 - 7 。其中，滤池反冲洗排水主要由悬浮盐类、粘土、有 机物及化学药剂残余物组成；沉淀池排泥水( 又称沉淀池污泥) 约占总净水量的1 - 2 5 ， 它分为石灰软化污泥和化学絮凝沉淀污泥2 种，软化污泥主要产生于原水的软化过程， 主要成分为碳酸钙、氢氧化镁、淤泥、过剩软化药剂和有机物，化学絮凝沉淀污泥则由 原水中的悬浮物、胶体物质、有机物、微生物和加入的净水药剂组成。 二、给水厂排泥水处置及存在的问题 目前排泥水处置包括排放和利用n 1 。首先排放是直接排入附近水体( 外排) 或排入到 东北师范大学硕士学位论文 城市污水厂( 下排) 与污水共同处理处置。这样产生一系列的影响，第一铝盐会对水体中 藻类的生长造成影响；第二污泥的沉积作用会造成水体中某些鱼类食物的短缺，影响鱼 卵的成活率而且还能抬高河床、影响河道的航运和防洪排涝能力；第三排泥水中的无机 物成分较高，会对污水处理厂中污泥的处理和利用形成影响。 但另一方面，如果排泥水被回用，那么污染物质( 微生物和化学物质) 的循环累积又 将引起一些问题，它们可能超过水厂所能处理的能力，恶化水质，从而影响人们的身体健 康。如水中的隐孢子虫等致病微生物的水体，如果混凝充分、滤池工作正常，隐孢子卵 囊的去除率可达9 7 o 但随着排泥水的回用，这部分被截留的微生物又回到了水厂，这就 增加了水厂出水出现致病微生物的可能。同时除了原生动物以外，其他的水质参数如混 凝剂含有a 1 、f e 等金属离子。而回用排泥水可能会引起出水水质中铝含量的超标，这样 水中过量残留铝会对人体造成毒害作用。因此，为了减少排泥水对水厂出水水质的影响， 在排泥水回用前也应进行处理。 三、给水厂排泥水处理国内外发展现状 2 0 世纪6 0 年代，有人开始着手认真研究自来水厂排泥水处理和污泥处置工作。各国 学者从自来水厂的排泥水处理与水厂净水工艺之间的关系着手研究，分析了自来水厂排 泥水与污水厂污水处理之间的相同点和不同点，总结在此之前己建成的自来水厂排泥水 处理设施的运行经验和教训，根据自来水厂排泥水的有关特点，设计了许多自来水厂排 泥水处理和污泥处置的有效工艺、方法和设备哺1 。7 0 年代以来，一些发达国家的自来水 厂排泥水处理和污泥处置工作得到了迅速发展。日本于1 9 7 5 年6 月颁布了水质污浊 防止法，规定设有沉淀池和滤池的自来水厂，其排水必须经处理至符合水质排放标准才 能排出，从而在法律上规定了自来水厂必须进行排泥水处理。1 9 9 6 年美国安全饮用水 法案的修正案要求美国环保局对滤池反冲水在水厂内的回用进行管理。在该法案里要 求所有的公共给水系统在混合工艺前对滤池反冲废水进行回用。近年来，美国、日本和 欧洲等国的较大规模自来水厂，一般均配置有较完善的、自动化程度高的排泥水处理和 污泥处置设施，而离心机脱水、加压过滤脱水等机械脱水方法更是得到了普遍应用。现 对目前一些水厂排泥水处理能力进行介绍：洛杉矶a f 水厂处理能力可达2 2 7 万m 3d 一1 ， 水厂内设有反冲洗水回用水池，总面积为9 2h m 2 ，共分8 格，每格池深2 7 4m ，容积为3 3 6 4 0 4m 3 ，用后的反冲洗水先在此处沉淀澄清，然后上清液重新回到水厂进口；詹森水厂， 处理能力达2 8 4 万m 3 d - l ，滤池冲洗后的水与污泥浓缩池的上清液经加絮凝剂和氯进 入2 组单池水量为3 7 8 5 万m 3 d - 1 的池子，每组池子中有1 个竖向涡轮快速混合器、4 个竖向涡轮絮凝器处理后送回滤池，使9 0 的生产废水得以回用。在欧洲某些水源较好的 自来水厂，由于排泥水中含泥量少，往往将排泥水排入市政下水道，输送到就近的污水 厂统一进行污泥处理。另据资料介绍，日本自来水厂经过浓缩和脱水处理的污泥量占全 2 东北师范大学硕士学位论文 部自来水厂总污泥量的8 0 以上。欧洲许多国家的自来水厂经过浓缩和脱水处理的污泥 量占全部自来水厂总污泥量的7 0 睁删。 我国的净水厂排泥水处理和污泥处置工作起步较晚，随着政府对水资源保护工作的 日益重视，中华人民共和国水法、中华人民共和国水污染防治法等一系列水资源 保护法律法规的颁布实行，净水厂的排泥正受到有关部门的密切关注，净水厂排泥水处 理正式被提上议事日程始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 9 6 年一1 9 9 8 年，上海市自来水公司、同 济大学和上海市环境保护科学研究院合作，针对上海市闵行水厂一车间的排泥水进行了 一系列现场的排泥水浓缩和脱水处理等试验研究工作，取得了较好的成果。同时，石家庄 市润石水厂、北京市第九水厂和上海市闵行水厂一车间的排泥水处理工程先后建成并投 产运行。2 0 0 1 年深圳市梅林水厂的排泥水处理工程也已基本建成，投产运行，运行效果 良好。到目前为止上海市闵行一水厂生产规模为6 7 0 0 0m 3 d - 1 ，水厂排泥水加p a m 后进 入斜板式污泥浓缩池，上清液进稳压井回收；北京市第九水厂生产规模为1 5 0 万m 3 d 一1 ， 水厂排泥水经上方下圆辐流式排泥池，单池尺寸为2 4 mx2 4m ，池有效水深为4 5m ，上清 液经浮动槽收集后回流至混合池；深圳市梅林水厂生产规模为6 0 万m 3 d - 1 ，水厂排泥 水经加2m g 卜1 聚合铝以及o 2m g 1 - 1 聚丙烯酰胺进入回收水沉淀池，絮凝沉淀后 上清液进入原水入口，污泥浓缩池前加p a i d 和石灰，浓缩池的上清液进入回收水沉淀池 n - 1 2 0 综上，现在越来越多的国家和地区开始意识到直接排放排泥水的危害，都已积极着 手进行排泥水的处理和污泥的处置研究，将排泥水单独进行处理，然后回用。经过浓缩 ( 浓缩后的污泥含固率可达1 0 左右，污泥仍具有液体特性) 、脱水( 污泥的含固率可达 1 0 一3 0 ，污泥呈现出半固体状) 、干化( 污泥的含固率可达3 0 一6 0 ) 等过程，形成污 泥后处置，所以排泥水处置包括水处理和泥处理n 引。 四、给水厂排泥水处理回用的方法及发展趋势 水厂的滤池反冲洗、废水沉淀池和澄清池排泥水的产生都是间歇的。滤池反冲洗废 水的特点是排放量变化较小，含泥浓度低。沉淀池、澄清池排泥水的特点是水质和水量 随原水水质变化而有较大的变化，其含泥浓度较高n 劓。一般常规处理进入滤池的浊度相 对稳定，因此根据排泥水的水量和水质的特点，水厂排泥水的处理和污泥的处置一般分 为调节、浓缩、预处理、脱水和泥饼处置等五部分。调节过程中由于滤池反冲洗废水含 固率较低，为提高后续浓缩处理效率，滤池反冲洗废水和沉淀池、澄清池排泥水宜分开 调节处理。滤池反冲洗废水进入排水池，沉淀池、澄清池排泥水进入排泥池。由于滤池 反冲洗废水约占水厂总净水量的1 - 2 5 ，如果将其排放，对于日趋紧缺的水资源来说无 疑是一种浪费，所以目前对反冲洗废水进行回用是节约水源的最好的选择。为了提高滤 池反冲洗废水回用的卫生安全性，宜使其在回用前进行预处理。目前滤池反冲洗废水回 3 东北师范大学硕士学位论文 用预处理的方法通常是使其在排水池中进行重力沉淀，上清液回流至原水配水井，沉淀 下来的污泥再送到污泥池，与沉淀池污泥共同处理。在沉淀池、澄清池排泥水处理和污 泥处置过程中，会产生大量的分离水，这些水若水质较好，可做原水利用。滤池反冲洗废 水和沉淀池、澄清池排泥水若只是通过重力沉淀，上清液作为水厂原水回用，则会有在原 水中引入隐孢予虫等微生物的忧患。所以还要经过处理才能使水厂出水的水质安全性提 高。 目前发达国家对于水厂水质安全性提高主要措施是降低浊度，但由于浊度、除铁除 锰水度低并不能保证隐抱子虫等原生动物被去除。想要安全地去隐抱子虫，除了将水烧 开外，只能用膜法和臭氧消毒。过去由于价格原因，膜处理和臭氧处理在大型城市水厂 中应用不多。近年膜技术有很大进步，具有少投甚至不投加化学药剂、占地面积小、便 于实现自动化等优点，而且价格也有所下降，这些特点使膜法必将逐步得以推广。 五、膜分离技术的发展和膜分离技术理论 1 8 世纪末，法国人发现水能很自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了 膜分离现象n 剐。但直到1 9 世纪中叶才发现了透析现象。最初生理学家使用的膜主要是 动物膜。1 8 6 4 年，m t r a u b e 成功地制成人类历史上第一张人造膜一亚铁氰化铜膜。后 来，用这种膜以蔗糖和其他溶液进行试验，把渗透压和温度及溶液浓度联系起来。其后， 有学者以此结论为出发点，建立了完整的稀溶液理论。1 9 5 0 年w j u d a 等试制成功第一 张具有使用价值的离子交换膜以来。到1 9 6 0 年，l o e b s o u r i r a j a n 才发明制造出具有高 脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素反渗透膜。它与以前的均质醋酸纤维素反渗透膜 具有同样高的脱盐率，但水的透量增加了近1 0 倍n 纠7 1 。这种膜的研制成功，大大推动了 膜分离技术的发展，掀起了膜研究的高潮。自此，膜分离技术的成果逐渐被广泛应用于 水处理、生物化工、食品工业、造纸工业、制药工业等领域。尤其当前环境问题日趋严 重，其中较为突出的是在水处理中的应用。特别是1 9 世纪膜技术脱离了传统的化学处理 范畴，转入到物理固液处理领域，这标志性的突破进一步推动了膜分离技术在水处理中 的应用。 分离膜具备的基本条件n 引：分离性、透过性、物理和化学稳定性且价格不能太贵。 目前使用的分离膜大多数是塑料、橡胶、尼龙等高聚物膜，用无机材料制成的分离膜仍 属少数。因为高聚物具有许多与一般其他物质不同的性能：有弹性，温度高了会融化，温 度低了又变成固体等。高聚物膜材料可分为纤维素衍生物、聚砜类、聚酰胺类及杂环含 氮高聚物、聚酯类、聚烯烃、乙烯类高聚物、含硅高聚物、含氟高聚物、甲壳素类。 分离膜具有选择透过特性，所以它可使混合物质有的通过、有的留下。但不同的膜 分离过程使物质留下通过的原理不近相同，可总的说来，分离膜之所以能使混在一起的 物质分开，不外乎两种途径n 钔。( 1 ) 根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速 4 东北师范大学硕士学位论文 度取决于以下两个步骤的速度，首先是从膜表面接触的混合物进入膜内的速度( 称溶解 速度，其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。 总速度愈大，透过膜所需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈久。( 2 ) 根据混合物物 理性质的不同主要是质量、体积大小和几何形态差异用过筛的办法将其分离。 膜分离技术的优点”。”：( 1 ) 膜分离通常是一个高效的分离过程。( 2 ) 膜分离过程的 能耗一般比较低大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。( 3 ) 多数膜分离过程的工 作温度在接近常温，特别适用于对热过敏物质的处理。( 4 ) 膜分离设备本身没有运动的部 件，工作温度又在常温，所以很少需要维护，可靠性很高。( 5 ) 膜分离过程的规模和处理能 力可在很大范围内变化，而它的设各单价、运行费用等都变化小大。( 6 ) 膜分离设备通常 体积小，占地面积少。( 7 ) 膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要埘生产 线进行大的改变”。 日前除了普通滤池之外，常用的以压力为推动力的膜分离技术有饮用水处理中常用 的膜可以分为四类“3 “，即微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透( r o ) 等工 艺方法。这四种膜在分离过程中的动力是压力，在压力作用下溶剂和定量的溶质能够透 过膜，而其余组分被截留”“。图1 - 1 表示这几种膜工艺在压力推动下分离过程去除粒了 的人小范围”： 富 善 寻 制 当 n 0 0 0 】n 0 0o1 0 01 0 0 0 微陋彩 了的大小( um 1 图1 - 1 压力一分于粒径的关第 微滤膜 微滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。 微滤主要从气相和被相物质中截留微米及微米级的细小悬浮物、微生物、微粒 东北师范大学硕士学位论文 细菌、酵母、红血球、污染物等以达到净化、分离和浓缩的目的m 1 。由于孔隙率高、滤 材薄，出水阻力小，一般只需较低的压力，其操作压差为o 0 1 o 2 m p a ，被分离粒子的 直径范围为0 0 5 - 1 5pm 。 微滤技术应用较广，经济价值很大，它是尖端技术工业中确保产品质量的必要手段。 微过滤时介质不会脱落、没有杂质溶出、无毒、使用和更换方便、使用寿命较长h 0 1 。同 时，滤孔分布均匀，可将大于孔径的微粒、细菌、污染物截留在滤膜表面，滤液质量高， 也称为绝对过滤( a b s o l u t ef i l t r a t i o n ) 。 2 、超滤膜 超滤是一种筛孔分离过程。在静压差为推动力的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒 子从高压的料液侧透过膜到低压侧，一般称为滤出液或透过液，而大粒子组分被膜所阻 拦，使它们在滤剩液中浓度增大。超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成具有一定 大小和形状的孔，聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大。 超滤膜的性能表现在理化性能和分离透过性能。理化性能主要包括膜的结构强度、 耐化学品、耐热温度范围和适用p h 值范围。分离透过性能主要指透水速率和截留相对 分子质量、截留率等h 。 超滤对水中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机物有较好的去除效果，但它几乎 不能截留无机离子。超滤不发生相变，无须加热，因此不仅省能，而且特别适用于处理 热敏性物质。 超滤设备简单，操作压力低，能量消耗少，渗透通量大，易清洗，占地面积小，特 别是中空纤维超滤膜组件，单位体积膜面积大即填充系数大。 3 、纳滤膜 纳滤( n f ) 是介于反渗透与超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术。纳滤膜孔径 一般为1 - 2 n m ，只对特定溶质具有脱除率，对n a c l 脱除率低于9 0 。 纳滤膜操作压差为0 5 2 0 m p a ( 或0 3 4 5 1 0 3 5 m p a ) ，截留分子质量界限为2 0 0 - 10 0 0 u 分子大小约为l n m 的溶解组分的分离m 1 。 一般纳滤膜的表面形成高聚物电解质而有较强的负电荷性。这是它在很大压力下具 有较高脱盐性能，截留分子质量为数百，并可脱除无机盐的重要原因。 纳滤主要用于饮用水处理、工业用水的纯化、废水净化处理、工艺流体中有价值成分的 浓缩等方面。对微污染水源水，纳滤膜在软化、去除有机物和保证饮用水的生物稳定性 方面应用广泛。 4 、反渗透膜 反渗透膜是一种只透过溶剂而不透过溶质的膜一般称之为理想的半透膜。当把溶 剂和溶液( 或把两种不同浓度的溶液) 分别置于此膜的两侧时n 引，纯溶剂将自然穿过半 透膜而自发地向溶液( 或从低浓度溶液向高浓度) 一侧流动，这种现象叫做渗透。 水和溶剂的通量、脱盐率、水回收率是反渗透装置的主要参数1 。在饮用水处理中 6 东北师范大学硕士学位论文 常用的低压或超低压卷式反渗透膜的运行压力为o 7 1 6 m p a ，运行的p h 值范围为2 n i l ， 最高运行温度为4 5 ( 2 ，最大迸水浊度为1 n t u ，最大迸水s d i 为5 ，游离氯最大耐受量 为0 1 m g l 。膜透水量为1 3 i n 3 ( m 2 d ) ，脱盐率大于9 9 ，单支膜的水回收率为1 5 左右。 六、本项目研究的目的和意义 我国每年排放给水厂废水污泥达1 5 亿立方米，吉林省每年排放给水厂废水污泥达 3 5 0 0 万立方米。在我国水资源极端缺乏的条件下，对给水厂废水污泥回收处理，每年可 节约大量水资源，具有非常重要的社会效益。所以对这部分废水污泥回收处理问题，已 成为水处理领域一个重要的研究课题。长春市现有四个净水厂，日处理能力1 0 2 万立方 米，若沉淀池排泥水和滤池反冲洗水按6 计算，每天排水量为6 1 2 万立方米，但这部 分水并没有进行处理利用，只有一部分滤池反冲洗水进入水厂稳压井回收利用，而大部 分排泥水都排入下水。为了很好地利用这部分资源，降低水厂制水成本保护水环境，本 论文以长春市第三净水厂排泥水为研究对象，对给水厂排泥水采用膜分离技术( 既采用 浸入式中空纤维微滤膜对排泥水进行浓缩分离，分离后的出水进入系统滤后，与滤后水 混合消毒后进入清水池，分离后的淤泥进入后序工艺进行脱水处理) 进行回收处理技术 研究。 第- - n 水公司位于长春市西南郊，占地面积1 1 7 公顷，供水能力为2 2 万m3 d 。 1 9 9 6 年5 月1 8 日正式投入生产。水源引自新立城水库。其工艺流程为：新立城取 水泵站配水井竖流隔板往复式絮凝池异向流斜管沉淀池普通快滤池 清水池送水泵站市区管网。目前沉淀池日排泥水量为1 3 0 0 余吨，直接排 放；反洗水5 0 0 0 , - 6 0 0 0 t d ，经过调节池，与进水混合，重新进入制水工艺。排泥水外排 加重了污水厂负荷，反洗水进入制水工艺，加重了水厂处理前水质的污染，所以如把排 泥水和反洗水在本水厂处理后进入制水工艺，有重要意义。 7 东北师范大学硕士学位论文 第二章试验装置及方法 一、试验装置 试验用污米水白第三净水厂的排泥水。净水厂，“生的污泥先排八排泥池浓缩后川 潜水泵提升排泥水井打入膜反应器中，将膜组件完全浸没，膜外部受大气雎力的作 用，内部联通并接至吸水泵八f i ，由 一吸水泵的抽吸作用在膜的内外两侧造成压差 即膜j e ，将待处理水小丁0 4 微米的物质包括水分离“5 束，而且污泥戗常在反应器巾， 进出水保持甲衡。 本实验采用的膜组件为日本东丽公司生产的浸入式中空纤维超滤膜。整套装置1 4 1 超滤膜组件、管道混合器、_ f _ | i 吸泉、加药泵、管件、阀门、控制系统、卒气乐缩机 等组成。壮机的运行和冲洗由阀门和抽吸泵在控制系统的配合下完成。实验城簧见 图2 一l 。 目2 - 1 超滤反应器装置幽 生产废水经过预处理，其上清液通过进水泵进入浸入式超滤膜池。奉超滤系统 运转过程包括“升液一过滤一降液一反冲洗一排放”五个控制过程，此五个控制过 程为一个完整过滤周期，排放结束后，自动进入下一过滤周期。膜池内安有一液位 计与反应装置自控系统进行数据传输。系统在过滤过程中设有三个液位点，按照液 位由低到高分为：低液位、过滤液位、高液位：低液位作为保护液位t 当膜池内水 东北师范大学硕士学位论文 量少，低于低液位时，系统只进行升液，不进行过滤操作。当液位到达过滤液位时 系统开始过滤，此时进水泵继续运行；随着膜池内水量的增多，当液位达到高液位 时，进水泵停止；随着过滤过程的不间断进行，膜池内水量减少，液位不断降低， 当到达过滤液位时，进水泵再次启动，直至膜池内液位再次到达高液位时停止。如 此循环，直至过滤过程结束。过滤结束后，进入降液。降液的目的是减少膜池内水 量，防止反冲洗过程中由于膜池内水量过多溢出反应器。反冲洗采用气水同时反洗 方式，反洗时水流量为3 5 t h ，气体流量6 m 3 h ，反洗时间6 0 s 。反洗结束后进入排放 过程，将反洗废水排放。 二、中空纤维膜组件技术参数 ( 一) 浸入式中空纤维膜组件组件尺寸 水厂生产废水回收装置标准的循环1 次的运行程序为：过滤_ 反洗同时空气擦 洗( 1 至3 轮) 一排泥。膜组件相关工艺参数如下表： 膜性质 膜材料p v d f 聚偏氟乙烯 截留相对分子量1 5 0 ，0 0 0 清洗极限 p h 清洗范围 0 1 2 最大清洗温度 4 0 最大n a c i o 清洗浓度( 以氯计) 3 ，0 0 0 m g l 最大n a c i o 暴露量( 以氯计) 1 ，0 0 0 ，0 0 0 m g l ，h 最大酸暴露接触时间1 ，0 0 0 h ( p h 妻0 ，温度2 5 。c ) 最大碱暴露接触时间 1 ，0 0 0 h ( p h 耋1 2 ，温度兰2 5 。c ) 组件规格 组件型号h f u - 1 0 1 5 s 膜表面积( 外表面积) 2 5i n 2 尺寸一直径 1 4 7 m m 尺寸一长度1 ，3 3 1 m m 重量一湿工况 1 5 k g 材料一保护盖a e s 丙烯腈一( 乙烯一丙烯一二烯) 一苯乙烯 材料一护筒p e 聚乙烯 材料一封装材料聚氨酯 运行条件一过滤方式浸入式，外压 运行条件一过滤跨膜压 兰7 0 k p a 运行条件一反冲洗跨膜压 1 5 0 k p a 运行条件一最大运行温度 4 0 运行条件一运行p h 值范围 l 1 0 9 东北师范大学硕士学位论文 ( 二) 技术参数 设计产水能力： 膜型号 单支膜面积 膜数量 过滤面积 膜组数 回收率 过滤通量 过滤时间 过滤压力 混凝剂投加量 反冲洗时间 5 0 0 0 m 3 d ； h f u 1 0 1 5 s 型浸入式膜 2 5m 2 2 1 6 支 5 4 0 0 m 2 4 组 9 0 4 2 8 6 l m 2 h ( 正常通量) 5 7 1 5l m 2 h ( 最大通量) 3 0 m i n 3 5 - 7 0 k p 1 5 m g l ( 以铝计) 6 0 r n i n 单支膜反洗水流量 3 5 t h 单支膜鼓风气量4 m 3 h 化学清洗时间2 3 月次 ( 三) 附属设备及仪器 提升泵：q = 1 2 0 m 3 hh = 1 0 5 m p = 5 5 k w 吸水泵：q = 6 0 m 3 hh = 1 0 5 m 气蚀余量2 0 k p ap = 3 k w 鼓风机：风量q = 3 2 8 m 3 m in 风压4 0 k p ap = 5 5 k w 污泥浓度计：美国产超声波污泥浓度计 水位控制仪：超声波测位仪 控制柜：p l c 自动控制系统 三、试验方法 采取现场试验，间断出水运行、定时采集泥水样分析并用滤出水定期反冲洗， 以改善膜的浓差极化，延缓膜污染，延长化学清洗周期。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 按进水方式的不同，中空纤维超滤膜又分为内压式和外压式两种： ( 1 ) 内压式：即原液先进入中空丝内部，经压力差驱动沿径向由内向外渗透 过中空纤维成为透过液，浓缩液则留在中空丝的内部，由另一端流出，其流向参见 下图所示。其中环氧树脂端封的作用是在中空纤维膜丝的端头密封住膜丝之问的间 隙，从而使原液与透过液分离，防止原液不经过膜丝过滤而直接渗入到透过液中， 如图2 - 2 。 目2 - 2 山压式中空纤维超滤膜 ( 2 ) 外压式：中空纤维超滤膜则是原液经压力差沿径向由外向内渗透过中空纤 维成为透过液。而截留的物质则汇集在中空丝的外部，其流如图2 3 所示。 图2 - 3 外压式中空纤维超滤膜 依据长春三水厂排泥水及滤池反冲洗废水水质见表2 - 1 ，本实验采用外压式中空 纤维超滤膜，避免了操作中微孔流道受固体悬浮物堵塞的危险。 东北师范大学硕士学位论文 表2 - 1 生产废水水质 滤池反冲洗水 反洗时间 p h耗氧量浊度 3 0 秒8 0 71 6 9 54 9 3 1 分3 0 秒 8 0 23 22 0 2 2 分3 0 秒 7 9 92 4 4 89 6 3 分3 0 秒 7 9 71 0 6 13 3 6 4 分3 0 秒 7 9 74 5 21 5 5 5 分3 0 秒 7 9 65 3 98 1 9 6 分3 0 秒( 结束) 7 9 34 3 67 2 4 表洗8 13 86 0 8 排泥水上清液 最高 8 8 52 9 3 92 3 3 最低7 8 4 1 0 0 8 2 4 6 注：水厂滤池反洗水流程：先表洗3 分钟，之后水反冲洗5 分钟； 排泥水上清液为排泥废水6 小时静沉后的表层水。 四、泥样、水质的检测及分析方法 试验期间，对进泥浓度、排泥浓度以及出水水质进行了检测和分析，其中常规 测试出水p h 值、浊度、水温每天进行检测，其他检测项目每周监测两次。其中色度、 余氯、蛋白性氮采用比色方法测定，细菌分析采用平板记数法，其他项目均采用滴 定方法测得。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 第三章试验结果与分析 一、长春市第三水厂排泥m l s s 情况 图3 - 1 所示为第三净水厂沉淀池排泥的污泥浓度随时间变化情况，图3 1 分别 取排泥时间为3 分、8 分、1 5 分、3 0 分、4 5 分和6 0 分的泥水混合物，测得m l s s 在 1 4 5 0 - - - 3 3 2 9 0 m g l 之间变化，图3 - 1 试验结果表明，排泥3 到8 分钟时污泥浓度升高， 在8 到6 0 分钟时污泥浓度下降，分析原因可能是在3 到8 分钟时排泥管道存有上周 期排泥后的残泥随本次污泥一起排出，8 分钟后上周期残留污泥全部排完，本周期污 泥浓度是随排泥时间增长而降低。 图3 - 1 排泥时间虬s s 曲线 二、长春市第三水厂沉淀池沉速 图3 - 2 所示为正式运行试验一个周期内沉淀时间与泥水混合液高度变化情况， 取不同浓度泥水混合物1 0 0 0 m l 测得含固率分别为0 5 6 1 6 、0 4 5 5 3 、0 1 3 7 7 、0 0 9 5 1 和0 0 7 6 5 ，分别把它们放在1 0 0 0 m l 量筒中沉淀，观察沉淀时间0 5 小时、1 小时、 1 5 小时、2 5 小时、3 小时、5 小时、7 小时、8 小时、2 0 小时、2 6 小时各量筒中 泥水混合液高度，实验结果显示，当泥水混合物含固率较大时，完全沉淀的时间要 长，如含固率为0 5 6 1 6 和0 4 5 5 3 时沉淀时间在2 0 到2 6 小时的时候还有较少的污 泥在沉淀，含固率为0 1 3 7 7 、0 0 9 5 1 和0 0 7 6 5 时沉淀时间在3 小时的时候基本沉 淀完毕。 东北师范大学硕士学位论文 图3 2 沉淀时间一泥水混合液高度曲线 三、中空纤维膜装置除浊性能 中空纤维膜由一层极薄具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚具有海绵状或指 状尺寸孔径多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用，膜表面这些不同孔径 的孔眼像筛子一样，截留了分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。 膜的作用机理主要有几条形式：溶质在膜表面及微孔隙上产生吸附溶质的粒径大小 与膜孔径相仿，溶质在孔中停留，引起堵塞。溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜的 表面被机械截流，实现筛分。图3 3 、3 4 为一段时间内进出水浊度变化，进水浊度 在8 7 2 叫3 3 3 n t u 之间变化，出水浊度在o 0 9 一_ 0 1 3 n t u 之间变化，实验结果显示： 特别是当进水浊度愈大时，其浊度去除效果愈好，因为滤出水浊度能始终保持较低 水平。 图3 3 膜装置进出水浊度比较 1 4 东北9 币范大学硕士学位论文 图3 4 膜装置出水浊度曲线 四、不同通量对跨膜压差的影响 在试验期间对超滤膜组件的通量变化进行了考察，由于前序的排泥水在浓缩池中 浓缩后进入膜组件的混合液中悬浮型污泥浓度不高，再加上曝气作用使得污泥较难在 膜组件上有较大程度的堆积，因而没有出现由于纤维束间污泥累积造成缺氧条件而污 染出水水质的现象，但是随着运行时间的延长膜组件的通量仍在衰减。图3 5 表示试验 采用2 m 3 h ，1 6 m 3 h ，1 4m 3 h 滤出水量，观察吸水泵入口压力变化。实验结果显示： 无论滤出流量大小，水泵吸水口的压力都是随着装置运行时间延长在增大，但是滤出流 量大所用的水泵吸口的压力就大，反之就小。虽然较低通量下的操作压力较低，对应的 能耗较低，节省运行费用，但是对于同一规模的水处理，所需要的膜组件会有所增加。 因此对于选用何种通量需要将投资成本与运行成本综合考虑。 图3 5 吸水泵压力曲线 1 5 东北师范大学硕士学位论文 五、中空纤维膜装置p h 值去除性能 图3 6 所示为2 0 个周期内进出水p h 值变化，进水p h 在9 2 6 8 6 9 之间，出水 p h 在8 1 6 - 8 4 8 之间，测定进入膜装置前的排泥水的p h 值多数值大于8 4 5 。实验 结果表明，本装置对p h 值的去除率很低，因为进出水p h 变化不大。从另一方面讲 三水厂排泥水p h 值呈碱性，进水平均p h 值大于8 4 5 ，接近于国家p h 值排放标准， 并且高于p h = 8 5 的国家标准的水样占总采样的4 2 ，如果这部分水未经处理直接排 放会严重污染周围水体，如果回用到水厂前端，那么会对整个水处理工艺造成不小 的负荷冲击。而经过超滤膜处理后的出水，p h 值均值不超过8 5 的国家标准。 图3 - 6 进出水p h 值变化曲线 六、中空纤维膜装置截留有机物的性能 图3 - 7 所示为试验装置未投加药剂时正式运行试验期间进出水c o d 浓度的变化， 进水c o d 浓度变化幅度为5 9 6 - - - 2 9 3 9 m g l ，出水c o d 浓度为1 7 6 - - 2 4 9 m g l ，试 验结果表明，进水c o d 浓度的增加和降低对出水浓度的变化影响不大。 1 6 东北师范大学硕士学位论文 图3 7 进出水c o d 变化曲线 图3 - 8 所示为试验装置未投加药剂时正式运行试验期间c o d 去除率的变化，因 为待处理水是沉淀池排泥水，所以来水的c o d 并不高，变化幅度为5 9 6 一- , 2 9