（环境工程专业论文）超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用.pdf

兰州交通大学硕士学位论文 摘要 随着水环境污染的加剧和饮用水水质标准的提高，传统水处理工艺在效能方面渐显 不足。作为水处理领域中最具有发展潜力的膜分离技术应运而生。超滤技术具有出水浊 度低，占地面积小的优点。在水处理中的应用越来越广泛。 该试验以太湖水为原水，运行大约一年的时间对外压和内压两种膜进行比较，讨论 两种膜的稳定运行工况。试验中还对比了常规水处理工艺与混凝一超滤工艺出水的水质 情况。 首先，试验考察了两种膜的最佳预处理运行工况，试验发现混凝能够减缓超滤膜 跨膜压力增长的趋势，这主要是因为混凝减小了水中颗粒的荷电性质，减小了颗粒之间 和颗粒与膜之间的作用力，从而使泥饼层在反洗时更易洗脱。 其次，对于膜组件的相关参数的实验表明：内压膜的最佳运行工况为过滤4 t h ， 过滤周期3 0 m i n ，反洗时间上下反洗均为3 0 s ，反洗流量7 t h 。外压膜过滤通量也为4 t h ， 过滤周期2 0 m i n ，反洗流量上反洗1 2 t h ，下反洗6 t h ，上反洗时间4 0 s ，下反洗2 0 s 。 外压膜的回收率较内压膜好，但外压膜抗冲击负荷能力较差。 通过试验对比可知，混凝超滤工艺出水水质较好。0 膜过滤对有机物、氨氮有一定的 去除作用但效果较差，而对浊度和微生物的去除效果较好，且其对浊度和微生物的去 除基本不受通量的影响，对f e 的去除效果很好，而对m n 的去除受前处理的影响，经过 膜过滤后，水中的碱度和余氯基本无变化。内压膜出水浊度在0 2 n t u 以下，c o d h 的去 除可以达到3 5 以上，外压膜出水效果较内压膜略差，但是浊度情况没有明显的差别。 因此，从整体污染物去除效果看，超滤膜技术处理生活饮用水方面更具有优势， 该方法操作简单、处理效率高、反应速度快，具有较强的可行性。 关键词：超滤；膜过滤；膜通量；物理和化学清洗； 论文类型：应用研究 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 a b s t r a c t w i t ht h ed o t o r i o r a t i o no tw a t o re n v i r o n m 钮t a lp o l l u t i o na n dt h es t r i n g e n td r i n k i n gw a t e r s t a n d a r d s ，c o n v e n t i o n a l w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g ya p p e a r e d i t sl a c ki n e f f i c i e n c y a p p l i c a t i o no fm e m b r a n et e c h n o l o g yt od r i n k i n go f f e r sm a n y s m a l lf o o t p t i n t t 1 1 i st e s tt a k e st a il a k ew a t e ra sr a ww a t e r , g o i n go na d v a n t a g e ss u c ha sl o wt u r b i d i t yo f t r e a t e dw a t e ra n dw a t e rt r e a t m e n t0y o a l i nt h i st e s tt w om e m b r a n e sw h i c ha l eo u t - i n s i d e m e m b r a n ea n di n - o u t s i d ew g r ec o m p a r e d 。砀ec o n d i t i o ni nw h i c ht h et w om e m b r a n e sc a nr u n s t a b l yw a sd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e , t h ew a t e rq u a l i 坶o fe f f i u e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n t p r o c e s sa n dt h a tf r o mc o a g u l 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 sw e r ec o m p a r e d f i r s t l y ，t h eo p t i m a lp r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n so ft h et w om e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d 6 础碥a n df o u n dt h a tc o a g u l a t i o nc o u l dm i t i g a t et h ei n c r e a s et r e n do ft r a n s - m e m b r a n e p r e s s u r e , b e c a u s ec o a g u l a t i o nc o u l dc h a n g et h ee l e c t r i cc h a r g eo fg r a n u l e sa n dw e a k e nt h e s t r e n g t hb e t w e e ng r a n u l e sa n dt h es t r e n g t hb e t w e e ng r a n u l e sa n dm e m b r a n e i nt h i sw a y , p o l l u t a n tl a y e rc o u l db e w a s h e da w a ye a s i l yw i t hr e v e r s e - f l u s h i n g ( m d s e c o n d l y , i nt h ee x p e r i m e n ta i m e da tc o n f i r m i n gt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r s ，r e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo p t i m a lr u nc o n d i t i o no fi n - o u t s i d em e m b r a n ei st h a tt h ef l u xw a s 矗x e da t 4 t ha n dt h ed u r a t i o na t3 0 m i nd u r i n gf i l t r a t i n g ，a n dt h ed u r a t i o no fb o t hu p f l o w - r fa n d d o w n f l o w - r fw a sf i x e da t3 0 s a n dt h ef l u xo fr fa t7 t h o u t - i n s i d em e m b r a n eh a st h es a m e f l u xa n dt h ed u r a t i o nd u r i n gf i l t r a t i n g , b u tt h ef l u xa n dt h ed u r a t i o no fu p f l o w - r fw o r e1 2 t ，h a n d4 0 s d o w n f l o w r f8 t ma n d4 0 s o u t - i n s i d em e m b r a n ee x c e l e di n - o u t s i d em e m b r a n ei n t h er e c l a i mr a t e ，b u to u t - i n s i d em e m b r a n e sr e s i s t i b i l i t yi sw e a k t h ew a t e rq u a l i t yo ff i l t r a t ef r o mc o a g u l a t i o n - u l t r a f r l t r a t i o np r o c e s si s g o o d m e m b r a n ef i l t r a t i o nc o u l dr e m o v eo r g a n i cc o m p o u n d sa n da m m o n i an i t r o g e nw i t hl o w e f f i c i e n c i e s ，w h e r e a sm u c ho ft h et u r b i d i t ya n db i o m a s sc o u l db ee l i m i n a t e dw i t hf l u xh a v i n g l i t t l ee f f e c to ni t a f t e rm e m b r a n ef i l t r a t i o nf ee x i s t i n gi nt h ew a t e rw o u l db ea tal o wl e v e l ， n e v e r t h e l e s s ，a f f e c t e db yt h ep r e t r e a t m e n tm nc o u l dn o tb er e m o v e de m c i e n t l y , a n dt h e a l k a l i n i t ya n dr e s i d u a lc h l o r i n ec o u l db ea l m o s tt h es a m e t h et u r b i d i t yo ff i l t r a t ef r o mi n - o u t s i d em e m b r a n ei sl o wt h a n0 2 1 r i 弋，t h er e m o v a lr a t eo f c o d m ni sa b o u t35 t h ew a t o rq u a l i t yo ft h ef i l t r a t ef r o mo u t - i n s i d em e m b r a n ei sw o r s e m 趾t h a tf r o mi n - o u t s i d em e m b r a n e t h e r e f o r e , f r o mt h eo v e r a l lr e m o v a le f f e c t , u ff o ra d v a n c e dt r e a t i n gh a s m o r e a d v a n t a g e s t h em e t h o di ss i m p l e , e f f i c i e n t , q u i c ka n df e a s i b l e k e yw o r d s ：u f ；m e m b r a n ef i l t r a t i o n ；m e m b r a n ef l u x ；p h y s i c a la n dc h e m i c a lc l e a n i n g ； 一i i 兰州交通大学硕士学位论 第1 章绪论 1 1 试验课题背景 2 0 0 7 年7 月1 日国家新修订的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 正 式施行。新标准加强了对水中有机物、微生物和消毒等方面的要求，饮用水水质 指标由3 5 项增至1 0 6 项；统一了城镇和农村饮用水卫生标准，基本实现了饮用 水标准与国际接轨。新标准的出台只是开始，要完全达到新标准的要求，可谓困 难重重。专家称要达到新的标准，全国至少需要投入1 万亿，而这其中，国家拿 出的至多3 0 0 0 亿，剩下的都需要政府想办法解决。 新标准的出台对于净水企业来说既是机遇又是挑战：一方面迎来了巨大的商 机，可以借此机会积极壮大公司的发展规模；另一方面由于新标准的出台使市政 给水工程面临巨大挑战，如何通过工艺改善来使其达到新标准的要求将是目前公 司面临的一大难题。 湖州市地处江南水网地带，河网密布，过境河流均系太湖流域范围，地表水 资源较为丰富。境内水体的总体特点是：水量充沛，流速缓慢，流态不稳定。目 前，欲通过工艺调整保证其系统出水达到生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 规定的1 0 6 项水质标准。同时，在该地进行超滤饮用水工艺研究 1 2 水资源及水资源污染现状 水是宝贵的自然资源，是人类和一切生物赖以生存的物质基础。水资源是实 施可持续发展战略的关键要素。 全球总储水量估计为1 3 9 1 0 1 7 m 3 ，但其中淡水总量仅占2 5 3 为0 3 6 x 1 0 1 7m 3 。淡水资源的6 9 是冰川，主要位于地球的两极和高山地区，可供人们 直接利用的淡水主要以地表水和浅层地下水的形式存在，储量还不到全球淡水 总量的o 3 。 我国是水资源贫乏的国家，且南北分布不平衡。根据统计我国人均年淡水 资源占有量为2 7 2 0 立方米，只相当于世界人均占有量的百分之一，排到世界第 8 4 位左右；而广大北方地区持续多年缺水已十分严重，该地区缺水总面积达 5 8 k m ，人均水资源量仅相当于全国人均的1 5 ，而淮河流域包括京津两市的年 人均水资源仅3 0 0 m 3 ，为全国人均水量的1 7 。目前我国有2 0 0 多个城市缺水， 4 0 多个城市严重缺水，每天缺水2 0 0 0 多万m 3 。由于缺水造成经济损失每年达 2 0 0 多亿元左右，水资源匮乏已成为统制社会经济发展的主要因素之一。但另一 方面，我国目前年污水排放量为4 0 0 亿m 3 ，约每天排放污水1 亿多m 3 ，大量未 经处理或经处理未达标的污水排入江河湖海，造成水体严重污染，全国8 5 ( 4 3 6 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 条) 河流受到不同程度污染，6 5 以上的人饮用受污染的水。水污染促使水资源 短缺进一步加剧，形成恶性循环，危害生态环境，影响人民生活和身体健康，制 约工业发展，据专家推测我国每年由于水污染造成的直接经济损失约1 5 0 亿元， 在1 9 8 5 2 0 0 0 年间，水污染造成的损失达2 7 3 5 亿元。 我国水污染现状是局部有所改善，整体仍在恶化，随着乡镇企业的发展和工 业重心的转移，污染已有向农村、向内地转移的趋势，由地表水受污染向地下水 受污染转移，我国的湖泊大多呈营养化，面积也不断萎缩，近海水域亦受污染， 赤潮频发。例如，由于沿淮河数省l 、2 千家工厂排放废水，使淮河水质已劣 于三类水标准，有时污水团下溯时迫使水厂暂时关门，老百姓饮用水都发生问题； 太湖、滇池、巢湖等富营养化日趋严重，有时疯狂的藻类使水厂的取水管边造成 堵塞。 我国淡水资源人均占有量2 3 4 0 m s ，约为世界人均占有水量的1 4 ，被列为 最贫水的1 3 个国家之一，全国6 6 8 个城市有4 0 0 多个缺水n 。3 1 。与此同时，工 业，特别是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的 迅速发展，有机化合物的产量和种类不断增加，各种生产废水和生活污水未达到 排放标准就直接进入水体，致使8 2 的水域和9 3 的城市地下水源受到污染m 】。 国家环保部公布的( 2 0 0 9 年中国环境状况公报表明，在国内生产总值比上年 增长十几的形势下，全国环境质量基本稳定。按照国务院关于淮河、海河、辽河、 太湖、巢湖、滇池、南水北调( 东线) 、三峡库区及其上游水污染防治“十五 计 划要求的4 5 3 个水质监测考核断面中，2 7 0 个断面达标，占6 0 7 1 。可见，我国 的饮用水水源水质污染问题依然严重，主要的污染物为有机物和氨氮，而且在短 期内水质很难有明显的改善。一方面我国饮用水水源水质受到严重污染。而另一 方面随着经济发展科学技术的进步，对水质标准的检测认识越来越深入，水质标 准也有了提高。膜技术出水水质好，占地面积小，成为常规工艺的重要补充。 1 3 常规给水工艺的局限性 饮用水处理的方法是根据水源水质和用户对水质的要求而确定的。在逐渐 认识到饮用水水质污染及其危害的同时，人们也开始了长期不懈的对饮用水处理 技术的研究和应用，在1 9 世纪末2 0 世纪初逐步形成了现在被人们普遍称为常 规处理工艺或传统工艺的净水方法，即混凝、沉淀或澄清、砂滤和氯消毒。这 种常规处理工艺至今仍被世界上大多数国家所采用，它以除去水中浊度、悬浮 物、胶体、色度、微生物等为目的，对于澄清水质、消除水中病原菌十分有效嘲 。但该工艺也存在一定的局限性，其主要缺陷有以下几个方面： ( 1 ) 传统饮用水处理工艺不能有效地去除水中微量有机污染物。 一方面，这些有机物本身就是污染物，另一方面，这些有机物的存在，大大 2 兰州交通大学硕士学位论 增加了消毒过程中三卤甲烷等消毒副产物的生成量，增加了饮用水的化学污染风 险。水体中的有机物可分为天然有机物( n o m ) 和人工合成有机物( s o c ) 两大类， 人工合成有机物来源于污水排放，而天然有机物是由动植物自然分解而形成的产 物，其主要成分是腐殖酸。水中的天然大分子有机物对胶体具有保护作用，导致 了混凝剂药耗增加魄m 川。国内外的试验研究和实际生产结果表明，受污染水源 水经常规工艺处理只能去除水中有机物2 0 9 6 。3 0 ，且溶解性有机物的存在不利于 破坏胶体的稳定性，从而使常规工艺对原水浊度去除效果明显下降。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，而且可能使水中金属离 子增加，也不利于居民的身体健康。由于常规工艺对有机物去除的局限性，使得 水厂出水在氯化消毒的时候，氯与水中某些有机成分( 主要是n o m ) 反应，生成三 卤甲烷( t h m s ) 和其它卤代副产物，如卤代乙酸( h a a s ) 、卤代乙睛、三氯丙酮、 氯化醛类等等，其中很多卤代有机物是致癌物或诱变剂，对人体健康构成潜在威 胁n 纠。特别是传统的预氯化工艺，高浓度的氯与水中较高浓度的有机污染物直 接反应，生成的氯化副产物浓度会更高。氯化消毒副产物是影响饮用水水质的一 个重要因素n 嘲。因此，去除水源水中的有机污染物是当今饮用水处理面临的首 要问题。 ( 2 ) 对地面水源中普遍存在的氨氮问题不能有效解决。 由于常规工艺对氨氮的去除效果不佳，因此，出水中氨氮的存在为管网中异 养茵的生长繁殖提供了所需的营养基质，使出厂水中未被氯消毒杀死的细菌或其 他途径进入管网的细菌重新生长，增加了水生疾病传播的风险。目前国外己经在 给水管道中检出几十种细菌，包括贾第虫，军团菌和隐抱子虫等。大量的调查研 究表明，管网系统污染是水生疾病爆发的主要原因之一。世界卫生组织在1 9 9 6 年对欧洲的2 7 7 起水生疾病的调查表明，由于管网系统微生物再生而导致的水生 疾病占4 3 。美国自1 9 7 1 年以来发生了1 1 3 起由管网系统导致的水生疾病，共 有4 9 8 人住院，1 3 人死亡。我国对供水一量占全国4 2 4 4 的3 6 个城市调查结果 表明：出厂水中细菌总数仅为6 6 个l ，而在管网水中已上升到2 9 2 个几，饮 用水的生物稳定性存在严重的隐患n h 踟。 ( 3 ) 对病原微生物的去除能力有限。 2 0 世纪9 0 年代，在世界多个国家多次出现或爆发的隐抱子虫等病原原生动 物的传染事件给全世界的给水界敲响了警钟，指出了现有的饮用水净化工艺及其 相应的供水设施仍不能保证饮水安全。病原微生物水中致病微生物具有一定的尺 寸，一般在微米数量级。传统处理工艺中靠无机金属离子水解产物的吸附、卷扫 作用，以及滤料表面的吸附与截留作用可去除大部分致病微生物。但一些尺寸很 小、危害很大的致病微生物如贾第鞭毛虫、隐抱子虫等在常规处理中难以被混凝 去除，而过滤过程是一个重要屏障。即使很少量的致病微生物进入自来水中，也 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 可能对饮用水安全构成很大的风险。另外，水体有机污染也严重地影响传统水处 理工艺中致病微生物的有效去除。例如，对有机污染严重的原水，过滤对贾第鞭 毛虫、隐抱子虫的截留效果明显降低。鉴于致病微生物的突发性、危害性，必须 采取更为有效的措施提高饮用水的微生物安全性。 可见，面对水源水质污染、水质标准提高、氯的消毒副产物以及微生物的 安全性等问题，传统的常规工艺已显得力不从心，必须对传统工艺进行改造，采 取经济有效的深度净化方法，进一步提高供水水质，保证生活饮用水水质的安全 性。 1 4 国内外饮用水工艺研究现状 - 由于饮用水处理的传统工艺混凝一沉淀一过滤一消毒主要以去除水中悬浮及胶 体物质为主，并以出水的浊度、色度和细菌总数为工艺控制的主要指标，对溶解 性的污染物去除作用非常不理想，造成饮用水在总有机物，生物稳定性，致突变 活性以及内分泌干扰活性和藻类及藻彝素等方面的安全性下降。 针对上述问题，国内外的研究人员开发了许多新工艺加以应对，这些工艺按 照其性质主要可以分为生物预处理、强化混凝、各类氧化技术、活性炭吸附、新 型消毒工艺以及膜工艺等n 们。 ( 1 ) 生物预处理工艺 生物预处理工艺以生物膜法为主导，生物预处理的填料上生长着细菌、原生动物、 后生动物等微生物形成生物膜，在与水接触时，生物膜上的微生物摄取、分解水 中的有机物和氮、磷等营养物质，去除常规工艺不能充分去除的氨氮、亚硝酸盐 氮、藻类、臭味等乜町，同时去除或减少可能在加氯后生长的致突变物质的前驱物， 从而使水得到净化乜1 翻。该技术在我国南方城市新建水厂投入使用，并能使水中 n h 3 - n 、浊度、铁、锰、c o d h 等污染物得到有效的去除训，是保证饮用水水质达 标的一种有效方法，对于减轻后续处理工艺负担有着重要实际意义。但生物预处 理对某些降解缓慢的化合物，如氯仿、三氯乙烯等去除效果差渊，对优先污染物 去除效果也不佳，无法间歇运行等。 ( 芝) 强化混凝 强化混凝被认为是去除水中天然有机物( 特别是溶解性有机物) 的一种有效 方法隗硎，其作用机理包括化学沉淀作用和固体物质表面吸附沉淀作用。一般认 为，在较低混凝剂投加量和较低p h 值条件下，第一个机理发挥主导作用；而在 较高混凝剂投加量和较高p h 值条件下，第二个机理发挥主导作用 2 s o 强化混凝 主要通过以下几种方法改进传统混凝工艺：多投混凝剂使水中胶体脱稳，在絮凝 的吸附作用下胶体沉降；另投絮凝剂，增强吸附、架桥作用，使有机物易被絮凝 吸附而下沉；投加新型水处理药剂，有氧化、混凝的综合作用，有效去除水中有 4 兰州交通大学硕士学位论 机物；从水力条件上改善絮凝条件；调整p h 值。强化混凝不需要新的构筑物， 通过大剂量甚至超大剂量( 几十到两百m g l ) 的混凝剂或者添加助凝剂或0 3 、 k m n 吼等预氧化提高有机物特别是n o m 的去除效率。适当增加混凝剂的投加量可 以使n o m 的去除率大于6 0 嘲，且浊度、c o d 及u v 删的去除率也相应提高。尽管 强化混凝是一种不需增加高额投资而能实现在现有的处理构筑物基础上控制 d b p s 形成的重要技术，但其往往难以有效地去除溶解态的d b p s 物质，从而使混 凝处理后的出水达不到要求，因此常需要与其它深度处理技术联用例。 ( 3 ) 高级氧化作用 高级氧化技术是指在水处理过程中充分利用自由基( 如o h ) ) 的活性，快速彻 底氧化有机污染物的水处理技术。高级氧化作用主要分为：化学氧化和光化学氧 化。化学氧化包括湿气氧化，电化学氧化，超临界氧化，0 。h 。0 氧化和f e n t o n 反应五种：光化学氧化包括u v 氧化，h ：o 。u v 氧化，o 。uv 氧化，0 。u v h 。0 ：氧化， t i o ：光催化氧化，超声氧化，高能电子氧化，电弧氧化等。下面主要介绍臭氧组 合工艺，t i o ：光催化氧化。光催化氧化技术是利用可见光或紫外光的照射作用来 深度处理饮用水的技术跚1 。目前，该技术还处于实验室和中试阶段，试验较多的 是光激发氧化技术和光催化氧化技术到目前为止，该项技术的工程化、产业化实 例尚未见报道。 ( 4 ) 活性炭吸附 目前活性炭是所有饮用水深度处理技术应用最广泛的一种深度处理技术，对 水中微量有机污染物具有优良的吸附特性，可有效的去除嗅、味、色度、氯化有 机物、农药、放射性有机物及其它人工合成有物，且生产方便口u ，有试验结果表 明，活性炭对分子量在5 0 0 - 3 0 0 0 的有机物有十分显著的去除效果，去除率一般 为7 0 一8 6 7 。常用的活性炭主要有粉末活性炭和颗粒活性炭( g a c ) 两大类。臭 氧一生物活性炭工艺是一较为理想的饮用水除污染工艺，对水中各种污染物均有 良好的去除效果，如对臭味物质一二甲基己冰片的去除率达到6 0 ，紫外消光度 7 0 ，高锰酸盐指数为5 0 ，三卤甲烷前体物为5 0 ，氨氮为8 0 ，长期运行的活 性炭滤池，微生物在g a c 表面附着生长会形成生物膜，这样就形成了生物活性炭 ( b a c ) ，一般认为，b a c 对有机物的去除以生物降解为主，同时微生物对活性炭 可以起到一定的生物再生作用，而使活性炭保持一定的吸附活性。 ( 5 ) 新型消毒工艺 由于传统的氯消毒会产生消毒副产物( d b p s ) 等有害物质，影响出水水质安全 性，近些年来出现了一些新型消毒工艺。新型消毒工艺主要包括改变加氯量和投 加位点，以减少“三致 的产生，以及使用c i o 。、氯胺、0 3 、u 、等新型消毒剂等。 近年来由于对氯化消毒副产物和新型致病微生物如隐抱子虫的关注，而且也由于 臭氧制备技术的进步，臭氧消毒的应用有增加的趋势。c 1 0 2 消毒效果非常好，而 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 且尚未发现重要的有害消毒副产物，目前存在的问题是现场制备成本较高和安全 性的问题，一旦突破这两个瓶颈，有望成为首选消毒工艺。u v 消毒目前更多地 应用于小区或住户优质供水，大规模水厂应用的报道还不多。由于其消毒效率高， 不产生消毒副产物或产生的消毒副产物少在给水处理中将有很好的发展前途。 ( 6 ) 膜分离技术 膜分离过程可以理解为以外界的能量或化学位差为推动力，用天然或人工合 成膜，对多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离法按照 分离的机理可以分为反应膜、离子交换膜、渗透膜等，按照膜的性质可以分为天 然膜、人工合成膜等，按照膜的结构形式可以分为平板膜、管式膜、螺旋膜、中 空纤维膜等。在饮用水处理工艺中，经常采用的膜为压力驱动膜，根据其孔径的 不同主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等。 3 2 , 3 3 ，是当今水处理领域中研究比 较活跃的部分。膜分离技术最大的特点是对水中微粒、胶体、细菌和部分病毒能 彻底去除。膜分离主要是机械筛分，大于膜孔径的微粒及胶体物质不能透过，小 于其孔径的物质能透过。有时，膜在阻止大于膜孔径的微粒及胶体物质时还会使 它们在膜表面形成一个动态的滤层，他们对水中污染物有屏障作用，这也是膜有 时能分离小于其孔径的物质的原理之一。鉴于此，膜对水中浊度和细菌有优良的 去除，是取代常规给水处理非常有前景的方法之一。膜分离技术还可以有效的去 除水中臭味、色度、消毒副产物前体物及其它有机物m 3 。反渗透( r 0 ) 、纳滤( n f ) 、 超滤( u f ) 和微滤( m f ) 在不同程度上都能有效去除水中的色、臭、味，消毒副产物 前体物质和其它有机物一。通过与其它一些技术联用，可以提高膜过滤对n o m 的去除效果，如在膜过滤前投加混凝剂可以提高膜过滤对腐殖质的去除。膜技术 具有良好的调节水质的能力，去除污染物范围广，有时不需投加药剂，运行可靠。 近年来，随着膜价格的下降，膜技术应用于水处理越来越多。 1 5 超滤在饮用水方面的研究及应用 超滤( u f ) 技术2 0 世纪8 0 年代开始应用于饮用水处理，以欧美和澳大利亚为 主。2 0 世纪9 0 年代后，u f 工艺在水处理中得到了迅速发展嗍。我国在2 0 世纪 9 0 年代中期开始超滤水处理的实验室研究。 保宪仁等人用截留分子量为1 0 万的中空纤维膜直接处理位于札幌市的醛平 川河。试验结果表明，采用超滤膜直接过滤，出水水质优于常规传统工艺的处理 效果口引。常规工艺对直径l - 1 0 0ui l l 的颗粒的去除率为9 0 ，而超滤可达到9 9 以上4 训。 日本东京的1 8 个水净化厂通过试验说明超滤膜在饮用水处理方面有着很好 的作用，可以代替絮凝、沉淀和沙滤等传统的固、液分离方法h 。 韩国于2 0 0 3 年1 0 月在汉城建成了处理能力为5 0 0 m 3 d 的中试规模超滤膜饮 6 兰州交通大学硕士学位论 用水厂，由三部分组成：预处理、超滤和后处理。该试验是在一年中藻类浓度最 高的时候运行的，随着藻类浓度升高，t m p 升高，投加2 2 m g 1 的聚铝进行预处 理，尽管时间较短，其处理效果的可靠性己经得到证实。 美国通过对超滤膜净化市政给水的处理表明：没有预处理的超滤膜可以有效 的去除浊度，短期的膜污染可以通过反冲洗，长期的不可逆的膜污染受膜聚合体 类型影响h 毛删。 7 美国的l j w i n o n a “帕等人用中空纤维和切向流两种超滤膜进行试验，研究 表明两种超滤膜都能截留6 0 以上的病毒，中空纤维超滤膜比切向流超滤膜更有 优势。 新加坡成功建造了一个规模为2 7 3 0 0 0 m 3 d 的超滤饮用水厂，并于2 0 0 3 年1 0 月开始运行。该水厂用铝盐作为混凝剂，经混凝预处理后再进入超滤系统。几个 月的运行结果显示，这种处理工艺不仅具有极好的出水水质和稳定的出水通量， 而且对溶解性有机物也有较好的去除效果h 射。 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总规模达到4 1 1 x1 0 4 m 3 d ，其中已运转的日处理量超过l 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。 我国从7 0 年代开始研究超滤，8 0 年代进入工业化生产和应用阶段，发展较 快。在饮用水方面还处在试验研究阶段，我国对超滤在给水处理方面的应用主要 停留在给水深度处理和纯净水生产方面，随着今年超滤膜技术的发展，超滤膜组 合工艺被广泛应用到工业污水回用。 在湖州市妙西镇基山村进行的超滤水处理技术试点工程建设该水厂工程已 于2 0 0 4 年1 2 月投入运行，日供水能力为1 5 0 m 3 d ，可供应1 ，5 0 0 人的生活用水 【伯】 0 2 0 0 5 年5 月，苏州市吴中区渡村水厂正式投产运行，水厂原水取自太湖， 采用原水经过预过滤器后直接超滤的方法，产水量l 万m 3 d 。 2 0 0 7 年5 月无锡太湖蓝藻爆发，导致城市自来水供应陷入困境，无锡自来 水公司采用活性炭和高锰酸钾，几乎不计成本，但还是难以从根本上除掉臭味， 最终解决办法是采用“双膜法”，取得了成功，这是我国第一套“双膜法 市政 水处理工艺。 近日世界上最大的双膜法高雄拷潭水厂正式验收竣工投产，采用双膜法( u f 超滤膜及 , p r o 低压反渗透膜组合) ，该厂每日出水量高达3 0 万吨，深度过滤水 中重金属离子、悬浮固体、胶体、藻类、寄生孢子和病毒等。 2 0 1 0 年1 月唐山中润煤化工企业的焦化废水回用项目，是国内首次使用双 膜法处理焦化废水，工艺运行至今依然能够满足生产用水要求。 目前，国内外很多学者通过超滤系统对水中污染物的去除能力方面作了大量 7 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 的研究。 ( 1 ) 超滤膜对颗粒物质及浊度的去除效果 超滤膜对颗粒物质和浊度的去除以物理截留作用为主，超滤属于滤膜过滤工 艺，是一种压力驱动的过滤技术。 王晓昌等人h 刀的研究发现，无论迸水浊度如何，u f 膜出水浊度均稳定在 0 0 5 n t u 以下。 p l i p p 等人啪1 研究发现u f 膜对颗粒物质的去除率可达9 9 以上。 k a r i m i 等人m 3 的实验表明，膜工艺能够有效地去除水中的微粒，如直径在5 pm - 1 5l am 范围的微粒的平均对数去除率为3 3 - 4 4 ，而粒径范围在2pm - 5l am 的颗粒的对数去除率为2 3 - 5 5 。 一( 2 ) 膜工艺对微生物的去除作用 膜工艺对微生物的去除，采用常规的消毒方法是难以保证全部灭活水中的 致病微生物，采用超滤膜作为微生物的屏障将其从水中分离是近年来人们着重研 究的一个重要课题 a d h a ms a 等人嘞1 对u f 膜处理河水进行了试验，结果表明u f 膜可有效去 除总大肠杆菌菌群，出水中不含总大肠杆菌。为了强化病毒的去除，有人提出了 对超滤膜进行预处理，用胶粒将其大孔堵住，以此来提高处理效果的方法，此法 取得了很好的效果并在进一步的研究中。 宋艳春等人睛”研究超滤膜微生物污染化学清洗灭菌方法对膜的影响。 ( 3 ) 超滤膜对有机物的去除效果不是很明显 超滤膜对有机物的去除效果不是很明显，超滤对水中有机物有一定的去除效 果，但效果不是很理想。 陈益清等人陌2 3 的研究发现，截留分子量为1 0 万道尔顿u f 膜对t o c 的去除率 可达1 7 左右，对c o d 的去除率在3 0 左右，对u v 2 5 4 的去除率在4 0 左右。 王锦等人删在超滤膜直接过滤水处理试验中发现超滤膜对t o c 的去除率为 1 1 左右，u v 2 5 4 的去除率为2 7 左右。 b i a n 等人酬采用截留分子量分别为5 0 0 0 0 d a l t o n ，1 5 0 0 0 0 d a l t o n 和 2 0 0 0 0 0 d a l t o n 的中空纤维膜对地表水进行了处理效果的研究，结果显示三种膜 的处理效果大致相同，对d o c 的去除率为2 0 左右，t i - i b t f p 的去除率为1 5 左右。 t o m a s z e w s k a 等人啼5 3 研究发现截留分子量为7 万道尔顿的u f 膜对色度的去 除率可达6 0 ，腐殖酸的去除率可达4 0 。 ( 4 ) 超滤膜对铁、铝的去除的研究 超滤膜对铁、铝的去除的研究比较少，因为单独超滤不能去除水中的无机离 子，但对水中以胶体或絮体形式存在的铁、铝具有一定的截留效果。 何攀的等人对浸没式超滤膜研究发现超滤对t o c 、氨氮、铁、铝以及三卤甲 兰州交通大学硕士学位论 烷均有较好的去除效果。 c a b a s s u d 等人嘟3 采用超滤取代传统的水处理工艺的试验中，检测了水中的 总铁、铝的浓度的变化，得到了良好的处理效果，并且认为铁、铝的去除与水中 的颗粒物的去除紧密相关。 9 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 第2 章超滤基本理论及膜污染控制 2 1 超滤处理原理 2 1 1 超滤膜简介 超滤是一种能够将溶液进行净化、分离或者浓缩的膜透过法分离技术，2 0 多年来发展速度很快，应用面非常广泛，小至家用净水器，达到现代化工业生产 从普通民用到高新技术领域都有不同规模不同数量的应用，甚至于再环境保护方 面也有着极大的使用潜力。超滤是一种具有广阔发展前景的膜法分离技术盔刀。 微滤或超滤薄膜可以两种基本方式工作：或者以“错流过滤”模式( 它以浓缩液的 连续流通过系统) 工作，或者以“死端 过滤模式( 其中所有进水都加压通过滤膜， 浓缩液只在反洗顺序期间被去除) 工作。，其形式如图2 1 所示。水在死端过滤模 式中并不重新循环，全部的进水被压入系统通过滤膜。这种模式主要用于高质量 和混浊度较低的未经处理的水( 例如用于饮用水顶处理的超滤) 。在较高混浊度的 场合，取决于所采的过滤方式，系统工作可从死端模式转换成横流过滤模式。死 端模式由于系统的效益较高，是较好的工作模式，较高的效益是由于较低的工作 成本( 泵所需的能量较少) 和较高的回收率产生的。在错流过滤模式中，浓缩液以 较高的流速跨过滤膜循环，在膜丝中振荡这样可以防沉淀和沉积层的建立。为 了控制与浓缩物流量无关的错流过滤速度，只有部分浓缩液( 也称为“净化”) 被重新循环。 虞 透过攫透过藏 ( a ( b ) 图2 1 全程过滤和错流过滤示意图 2 1 2 超滤基本工作原理 超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小得筛分过程。以膜两侧得压力差为驱 动力，以超滤膜为过滤介质。在一定压力下，当水流过膜表面时，只准许水、无 机盐及小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分 子物质通过，以达到溶液得净化、分离与浓缩得目的。图2 2 简单地表示了这一 1 0 兰州交通大学硕士学位论 过程。通常认为超滤法对溶质的分离机理主要有陆力： 在膜表面及微孔内吸附( 一次吸附) ： 在孔中停留而被去除( 堵塞) ： 在膜面的机械截留( 筛分) 。 缩渡 超醇膜 图2 2 超滤过程示意图 2 1 3 膜分离性能参数 表征膜分离性能的参数主要有两个：膜通量和截留率。膜通量即物质透过膜 的速率，定义为单位时间单位面积上透过的渗透物的量，公式为： t ， j = 二 ( 2 1 ) j 一一 、- ， s t 式中：j 为膜通量，m 3 m - 2 s j ，v 为透过液体积m 3 ， s 为膜的有效面积m 2 ，t 是运行时间s 。 对于液相分离过程，可采用截留率来表示膜的渗透性能，其定义式如下： r = ( 卜兰) 1 0 0 ( 2 2 ) o 式中：r 为截留率；c 。为膜的料液侧主体溶液中溶质浓度；c 。渗透液中溶质浓度。 2 2 常用聚合物膜材料性能 对不同材质的膜进行对比分析，不同材质的膜具有其自身的特点，只要很好 的了解了膜材质才能更好的研究膜制备工艺。 聚偏氟乙烯( p v d f ) 分子式为 - c h 2 一c f ： 。，英文名称为p o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d e 。聚偏氟乙 烯的化学稳定性是各类膜材料中最优异的，能耐除盐酸，强溶剂外的所有盐、酸、 碱、芳烃、卤素等介质。化学清洗范围宽，反洗恢复率高。同时p v d f 膜具有良 好的耐热性、强度和韧性。 卜心z 讲 _j一 超滤系统在水厂升级改造中的中试研究及应用 聚醚砜( p e s ) 其结构式如上图所示，英文名称为p o l y e t h e r s u l f o n e 。聚醚砜是一种热塑 性塑料，具有高度的水解温度性，其刚性和韧性好，在很宽的范围内保持物理机 械性能和电性能。其连续使用温度为1 8 0 - 1 9 0 。此外，聚醚砜具有较好的阻燃 性、低发烟性和耐化学药品性。聚醚砜超滤膜能在1 8 0 c 下长期使用，室温及高 温下耐大部分无机化学药品、油脂、芳烃及汽油等，还有杀菌功能，所以适用于 医药、食品等需无菌操作行业。 j = 9 p o 一童一。一咭 t跚l 6 土 聚砜( p s f ) 其结构式如上图所示，英文名称为p o l y s u l f o n e 。透明略带琥珀色的热塑性 塑料。其特点是耐热性优良，机械性能和电性能优异。可在- 1 0 0 1 5 0 c 长期使用。 除浓硝酸、浓硫酸外，对其他酸、碱以及酸类、脂肪族烃类等化学药品相当稳定， 但在酯和酮类中会溶胀，易溶于二氯甲烷和二氯乙烷中。而候性和耐紫外线性能 较差。 聚氯乙烯( p v c ) c l 叶一昌_ 昌 。h 。h 埘 其结构式如上图所示，英文名称为p o l y v i n y lc h l o r i d e 。聚氯乙烯具有 良好的机械韧性、耐候性、耐水、耐强酸等化学品，电绝缘性能好。但是热稳定 性和耐光性差，1 4 0 。c 分解放出氯化氢。p v c 使用温度范围窄，其在较高的温度 下会变软，限在8 0 。c 以下使用。 聚丙烯腈( p a n ) 十g 一午 、 h i 。 结构式，英文名称为p o l y a c r y l o n i t r i l e 。 聚丙烯腈纤维俗称腈纶，白色固体，具有高的硬度和刚性。加热1 6 0 。c 时变 黄，2 3 5 。c 时软化，密度1 1 7 9 c m 3 。溶于二甲基甲酰胺、硫氰酸盐溶液，不溶于 乙醇、丙酮、苯和四氯化碳。对普通化学药品稳定、耐光性能较好，绝缘性能好， 耐老化强度高。主要用于制合成纤维，先将丙烯腈聚合成聚丙烯腈，溶于二甲基 甲酰胺中，经抽丝形成纤维，制成纺织品、针织品、人造羊毛、毛毯等。丙烯腈 兰州交通大学硕士学位论 与丁二烯共聚可得丁腈橡胶，与苯乙烯共聚可得机械强度很好的塑料。不容易受 浊质污染。对于高浊度原水也可以获得稳定的通量，具有高可靠性双皮层中空纤 维超滤膜的耐药性和物理强度。 2 3 超滤膜的操作参数 正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期、安全和稳定运行是极为重要 的。一般讲来，操作参数主要包括：流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比 和温度等。 ( 1 ) 流速 流速是指供给水在膜表面上流动的线速度，是超滤系统中一项重要的操作参 数。最佳流速的选择。通常是依据实验来确定的。不同构型的超滤组件要求流速 不一样。即便是相同构型的组件，处理不同的料液，要求的流速也可能相差甚远。 ( 2 ) 回收比和浓缩水排放比 在超滤系统中，回收比与浓缩水排放量是一对相互制约的因素。回收比是指 透过水量与供给水量之比率，浓水排放量是指未透过膜而排出的水量。因为供 给水量等于浓缩水与透过水量之和，所以如果浓缩水通量的影响因素排放量大， 回收比就小，同样的理由，如果回收比大，则浓缩水排放量就小。为了保证超滤 系统安全运行，规定了组件的最低浓缩水排放量及最大回收比。 ( 3 ) 操作压力及压力降 操作压力 超滤的工作压力范围约为0 1 , - - 0 7 m p a 是泛指在超滤定义域内，处理溶液通 常所使用的工作压力。分