（环境工程专业论文）超滤膜运行工艺的应用开发研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、研究开发出一套8 寸柱式超滤膜系统在污水深度处理领域中的优 化工艺参数，即过滤工艺、反洗工艺、化学加强反洗( c e b ) 工艺、 在线化学清洗( c i p ) 工艺。在保证水质、产水量的情况下，实现系 统的高效、稳定运行。 二、为了保证经8 寸柱式超滤膜处理后s b r 出水的水质指标，即浊 度o 2 n t u ，s d i 3 ，能够去除细菌、大肠杆菌、微生物和悬浮物 等杂质，满足r o 系统进水水质要求，必须保证系统的高效稳定运行。 在系统的运行过程中采取了反洗工艺( 气、水洗，气擦沈，反冲洗， 正冲洗) 、化学加强反洗( c e b ) 工艺( c e b 气、水洗，c e b 反冲， c e b 加药( 酸) ，c e b 浸泡) 、在线化学清洗( c i p ) 工艺措施。反洗 工艺中压缩空气使中空纤维发生剧烈的振动，并使纤维之间发生相互 摩擦，这一作用使得附着在膜表面的污染物颗粒松动，反向的水流冲 刷又使得污染物颗粒从膜表面脱落下来，并由出口排出。这样，最大 限度的消除了污染物在膜表面形成的浓差极化，使附着在膜表面以及 附着在膜孔中的污染物被清除，有效缓减膜污染。在反洗工艺不能去 除污染物的情况下，可以通过投加化学试剂来去除，即采用化学加强 反洗( c e b ) 工艺，化学药剂加入到超滤膜中后，会有一个浸泡过程 使化学药剂与膜表面的污染物充分反应，浸泡后以低压使清水由纤维 滤出液侧向纤维原液侧渗透，把剩余的化学药剂及膜原液侧的污染 物、渗入微孔的阻塞物洗出。当采用反沈工艺，化学增强反洗( c e b ) 工艺的清洗效果不理想时，则采用在线化学清沈( c i p ) 工艺，去除 有机物、无机物污染，恢复膜通量。 三、经过试验，推荐的系统参数为过滤工艺：制水：3 7 m 3 h ，2 0 m i n ； 反洗工艺：气擦洗：5 s ，6 5m 3 h ；气、水沈：3 3 s ，1 5 h z ；反冲洗： 3 0 s ，3 4 h z ；正冲洗：3 0 s ，3 4 h z ；化学加强反洗( c e b ) 工艺：c e b 气、水洗：3 0 s ，1 5 h z ；c e b 反冲：3 0 s ，3 4 h z ；c e b 加药( 酸) ：9 0 s ， l o h z ；c e b 浸泡：2 0 m i n ；c e b 周期：3 3 个；在线化学清沈( c i p ) 工艺：( 2 0 0 0 p p m n a c l 0 + 10 0 0 p p m n a o h ) 浸泡6 h 一10 0 0 p p m h c l 浸泡4 h 。 四、针对系统的运行及膜污染特性，对系统的进水、产水等进行水质 分析，其主要包含快速分析指标和全面分析指标。快速分析指标包括 浊度测试、排污水的沉降性测试等；全面分析指标包括c o d c ，、b o d 5 、 t o c 、s s 、t p 、t n 、总铁、硬度、碱度、硅等指标，这为工程中快 速、全面的诊断检测膜污染问题提供依据，从而高效解决膜污染难题。 同时，通过实验室模拟实验，采用测试膜通量、扫描电子显微镜 ( s e m ) 、能谱( e d s ) 手段对膜上的污染物进行定性定量分析，从 而确定系统中的污染物种类及膜污染的情况，为选择清洗药剂、制定 清洗方案提供富有价值的科学依据，以确定初步化学清洗方案。 摘要 膜过滤技术是一种新型的污水处理和再生水回用技术，与传统的混凝、沉淀、 过滤技术相比具有明显的优势。污水深度处理和回用不仅缓解了淡水资源的短 缺，而且能够减轻水污染，改善生态环境，膜技术在水资源化领域有重大的经济 效益，远大的环境效益和社会效益。本论文对天津膜天膜科技有限公司研发生产 的8 寸柱式超滤膜组件的运行工艺、产水水质特点等做了探索研究，为8 寸膜将 来工程上的成功应用提供科学依据。该膜组件具有装填容量大，单只膜产水量高， 占用空间小，成本低等优点。 中试试验确定了8 寸超滤膜在污水深度处理领域中应用的高效稳定性。在逐 步增加产水负荷的工况下，计算比较了膜进水压力、跨膜压差( t m p ) 的情况， 从而推荐系统参数为过滤工艺：制水：3 7 m 3 h ，2 0 m i n ；反洗工艺：气擦洗5 s ， 6 5m h l 气、水洗3 3 s ，1 5 h z ；反冲洗3 0 s ，3 4 h z ；正冲洗3 0 s ，3 4 h z ；化学加 强反洗( c e b ) 工艺：c e b 气、水洗3 0 s ，1 5 h z ；c e b 反冲3 0 s ，3 4 h z ；c e b 加 药9 0 s ，1 0 h z ；c e b 浸泡：2 0 m i n ；c e b 周期3 3 个。 通过对超滤膜系统的进水、产水水质分析看，8 寸超滤膜可以去除进水中的 细菌、大肠杆菌、微生物和悬浮物等杂质，净化后的水清澈透明，无异味，浊度 介于0 0 5 - - 一0 0 8 n t u 之间，s d i 值介于1 4 8 , - 一2 9 8 问，细菌完全去除；对c o d c ， 能够部分去除，进水的c o d c r 值在3 0 - - 一1 0 0 m g l 间变化，产水在1 0 3 0m g l 之间；进水、产水的水温、p h 、电导率、n h 4 n 、t p 变化不大。 针对系统运行及超滤膜污染特性，设计了化学清洗模拟实验共7 套方案，根 据清洗前后膜通量的恢复对比，得到一组最佳的化学清洗方案，即 ( 2 0 0 0 p p m n a c l o + 1 0 0 0 p p m n a o h ) 浸泡6 h 一1 0 0 0 p p m h c l 浸泡4 h 。同时选择 了对p v d f 中空纤维膜的污染物的定性定量分析，即采用扫描电子显微镜 ( s e m ) 、能谱( e d s ) 进行相关分析，为选择清洗药剂、制定清洗方案提供了 富有价值的科学依据。从分析的结果看，导致膜外表面污染的物质主要是有机物 沉淀、微生物污染，其次是硅垢及钙盐沉淀物；导致膜内表面的污染物质主要是 有机物沉淀和微生物；但其内部的指状孔没有受到污染。经过清洗后，膜外表面 污染物大部分被去除，内表面污染物全部去除。 此外，对膜系统的运行成本做了计算，理论运行费用是0 2 6 6 元m 3 。 关键词：8 寸超滤膜；膜污染；膜清洗；化学加强反洗：在线化学清洗 t y p eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n d o b v i o u sa d v a n t a g ec o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lc o a g u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ，f i l t r a t i o nt e c h n o l o g y m e m b r a n ef i l t r a t i o n t e c h n o l o g yh a ss i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t s ，f a r - r e a c h i n ge n v i r o n m e n t a la n ds o c i a l b e n e f i t si nt h ea r e ao fw a t e rr e s o u r c e s ，a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s en o to n l y a l l e v i a t et h es h o r t a g eo ff r e s h w a t e rr e s o u r c e s ，b u ta l s or e d u c ew a t e rp o l l u t i o n ， i m p r o v et h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i no r d e rt op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i so f8i n c h e s c o l u m nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n em o d u l ei nt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g i nt h ef u t u r e ，w h i c hm a d eb yt i a n j i nm o t i m om e m b r a n et e c h n o l o g yc o ，l t d i n t h i sp a p e r , r u n n i n gp r o c e s s e st e c h n o l o g y , q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rp r o d u c t i o n ， e t co ft h em e m b r a n em o d u l em a d ee x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h t h i sm e m b r a n em o d u l e h a sa d v a n t a g e so fl a r g el o a d i n gc a p a c i t y , h i 曲w a t e ro u t p u tp e rm e m b r a n e ，s m a l l f o o t p r i n t ，l o wc o s ta n d e t c t h em e d i u m s i z e de x p e r i m e n td e t e r m i n e se f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo f8i n c h e s c o l u m nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n em o d u l ei nt h ea r e ao fw a s t e w a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t t h ew a t e rs u p p l yo p e r a t i n gp r e s s u r ea n dt r a n sm e m b r a n ep r e s s u r eo fm e m b r a n ew a s c a l c u l a t e da n dc o m p a r e d ，w h e ni nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fg r a d u a l l yi n c r e a s et h e w a t e rp r o d u c t i o nl o a d a n dt h u sr e c o m m e n df o rt h ef i l t r a t i o ns y s t e mp a r a m e t e r si s p r o c e s so f w a t e rp r o d u c t i o n ：3 7 m 3 h ，2 0 m i n ；p r o c e s so f b a c k w a s h i n g ：a i rf l u s h i n g5 s ， 6 5m 3 h ；a i r - w a t e rf l u s h i n g3 3 s ，15 h z ；b a c k w a r df l u s h i n g3 0 s ，3 4 h z ；f o r w a r df l u s h i n g 3 0 s ，3 4 h z ；c h e m i c a l l ye n h a n c e db a c k w a s h e sp r o c e s s ：c h e m i c a l l ye n h a n c e da i r - w a t e r f l u s h i n g3 0 s ，15 h z ；c h e m i c a l l ye n h a n c e db a c k w a r df l u s h i n g3 0 s ，3 4 h z ；i n t r o d u c t i o no f c h e m i c a l9 0 s ，10 h z ；i m m e r s i n g ：2 0 m i n ；c y c l e ：33 u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ec a nr e m o v et h e b a c t e r i a ，c o l i ，m i c r o o r g a n i s m s ， s u s p e n d e ds o l i d sa n do t h e ri m p u r i t i e s ，w a t e rp r o d u c t i o ni sc l e a ra n dt r a n s p a r e n t ，n o o d o r , t u r b i d i t yo f0 0 5 - 0 0 8n t u ，s d iv a l u e so f1 4 8 2 9 8 ，t h ec o m p l e t er e m o v a lo f b a c t e r i a ；c o d e rc a nb ep a r t i a l l yr e m o v e d ，t h ev a l u e so fw a t e rs u p p l yi s3 0 lo o m g l ， a n dv a l u e so fw a t e rp r o d u c t i o ni slo 3 0 m g l ；w a t e rt e m p e r a t u r e ，p h ，c o n d u c t a n c e ， n h 4 - n ，t pl i t t l ec h a n g eb e t w e e ns u p p l i e dw a t e ra n dp r o d u c e dw a t e r t h ea b o v e d a t e s g e tt h r o u g hs u p p l i e dw a t e ra n dp r o d u c e dw a t e r sq u a l i t yo f8i n c h e sc o l u m n u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n es y s t e m d e s i g n i n g s e v e r ls e t ss i m u l a t i o no f c h e m i c a lc l e a n i n gp r o g r a mf o rs y s t e m o p e r a t i o na n dp o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e s a c c o r d i n gt o c o n t r a s tt h er e c o v e r yo fm e m b r a n e sf l u xb yb e f o r ea n da f t e rc h e m i c a lc l e a n i n g ，a n d g e tag r o u po ft h eb e s tc h e m i c a lc l e a n i n gp r o g r a m s ，t h a ti s ( 2 0 0 0 p p m n a c l 0 + l0 0 0 p p m n a o h ) i m m e r s i n g6 h l0 0 0 p p m h c li m m e r s i n g4 h a tt h es a m et i m e a n a l y z i n gt h ep o l l u t a n t s o fp v d fh o l l o wf i b e rm e m b r a n eb yq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v e ，i ti s m e a n su s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de d st o a n a l y z e i tp r o v i d e sv a l u a b l es c i e n t i f i cb a s i so ft h es e l e c t i o no fc l e a n i n ga g e n t sa n d f o r m u l a t e dc l e a n i n gp r o g r a m f r o mt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i s o fv i e w , t h e c o n t a m i n a t e dm a t e r i a l si sm a i n l yo r g a n i cm a t t e rd e p o s i t i o n ，m i c r o b i a lc o n t a m i n a t i o n ， f o l l o w e db ys i l i c as c a l i n ga n dc a l c i u ms a l t sp r e c i p i t a t el e a d i n gt om e m b r a n eo u t e r s u r f a c e ；a n dt h eo r g a n i cp o l l u t a n t sd e p o s i t i o n ，m i c r o b i a lc o n t a m i n a t i o ni sm a i n l y o n m e m b r a n ei n n e rs u r f a c e ；b u ti t si n t e m a lf i n g e r - s h a p e dh o l eh a sn o tb e e nc o n t a m i n a t e d a f t e rc h e m i c a lc l e a n i n g m o s tc o n t a m i n a n t so fo u t e rs u r f a c ew e r er e m o v e da n da l l c o n t a m i n a n t so ft h ei l i n e rs u r f a c ew e r er e m o v e d i na d d i t i o n ，t h em e m b r a n es y s t e mh a sd o n eac a l c u l a t i o no fo p e r a t i n gc o s t ，a n dt h e t h e o r yo p e r a t i n gc o s ti s0 2 6 6y u a n m k e yw o r d ：8i n c h e su l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e ；m e m b r a n ef o u l i n g ；m e m b r a n ec l e a n i n g ； c h e m i c a l l ye n h a n c e db a c k w a s h e s ；c l e a n - i n - p l a c e 第一章前言 目录 1 1 膜分离技术发展历史”l 1 2 我国水资源概况”2 1 2 1 水资源总量丰富，相对量较少2 1 2 2 水资源时空、地域分布不均衡一2 1 2 - 3 水污染态势难以遏制- 3 1 2 4 水浪费现象普遍存在3 1 3 膜分离技术在水处理领域中的应用”3 1 4 膜分离技术5 1 4 1 膜分离概念、分类及特点5 1 4 2 膜材料、膜组件、膜过滤系统6 1 4 2 1 膜材料”6 1 4 2 2 膜组件形式9 1 4 2 3 膜过滤系统l2 1 4 3 膜分离基本理论13 1 4 3 1 膜过滤基本原理l3 1 4 3 2 膜过滤工艺1 4 1 4 3 3 典型超滤系统1 4 1 5 本课题的目的和意义1 5 1 6 本课题的主要内容1 6 第二章试验方案 2 1 超滤膜组件介绍1 7 2 1 1p v d f 中空纤维膜微观结构1 7 2 1 2 超滤膜组件技术参数18 2 1 3 超滤膜组件工作模式19 2 2 试验装置2 1 2 3 超滤膜系统操作方式2 3 2 4 水质指标2 5 2 5 试验用水水质特点2 7 2 6 试验方案2 8 第三章超滤系统运行工艺研究3 1 3 1 产水量的研究3 2 3 1 1 产水量是3 m 3 h 的运行情况一3 2 3 1 2 产水量是3 3 m 3 h 的运行情况3 5 3 1 3 产水量是3 7 m 3 h 的运行情况3 6 3 1 4 产水量是4 2 m 3 l a 的运行情况3 7 3 2 工作清沈时间比优化试验3 8 3 3 跨膜压差( t m p ) 的变化研究3 9 3 4 水质分析4 1 3 4 1 水温4 1 3 4 2p h 4 1 3 4 3s d i 4 2 3 4 4 浊度。4 2 3 4 5 有机物4 3 3 4 6 细菌总数含量4 4 3 4 7 电导4 4 3 4 8n h 4 n 、t p 4 5 3 5 结论- 4 6 第四章超滤系统的清洗研究 4 7 4 1 膜污染机理及数学模型4 7 4 1 1 膜污染定义4 7 4 1 2 膜污染机理4 7 4 1 3 膜污染数学模型。4 8 4 2 膜清洗”。4 9 4 2 1 清洗方法4 9 4 2 1 1 物理清洗4 9 4 2 1 2 化学清洗5 0 4 2 2 化学清洗中试试验5 1 4 3 化学清洗模拟实验。5 2 4 3 1 试验目的。5 2 4 3 2 试验过程。5 2 4 3 3 试验结果及讨论5 3 4 3 3 1 水通量测定5 3 4 3 3 2 扫描电子显微镜( s e m ) 分析5 5 4 3 3 3 能谱分析( e d s ) 6 0 4 4 结论”6 1 第五章超滤系统的运行费用 5 1 理论运行费用6 3 5 2 实际运行费用“6 4 5 3 结论“6 5 第六章全文总结 参考文献 发表论文和参加科研情况”7 3 致 射 7 5 第一章前言 1 1 膜分离技术发展历史 第一章前言 膜是一种采用物理方法的高效过滤单元，指在一种流体相内或是在两种流体 相间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相同的两部分，并能使这两部分 之间产生传质作用。1 9 世纪中叶g r a h a m 发现了透析现象后，人们开始对膜分离 现象重视起来并开始研究。在分离膜中，最早的微滤( m f ) 膜是1 8 6 4 年s c h o e n b i e n ( 德国) 在合成珂珞酊剂时发现的均一的细微孔结构。1 9 世纪后半叶，f i c k ( 英 国) 和s a n e u ( 法国) 等人制成了硝化纤维素膜，做了血液和细菌的研究。1 9 0 7 年，b e c h h o l d ( 德国) 通过改变珂珞酊剂溶液浓度使孔径发生变化，用液体的透 过量和泡点来评价细微孔的结构。1 9 1 9 年，z s i g m o d y ( 德国) 等人通过硝化纤 维素、冰醋酸、水等的处理成功地控制了孔径，正式申请了制造专利，以“t h e n a m eo f m e m b r a n ef i l t e r ”的商标生产无菌水。 第二次世界大战以后，工业规模的m f 膜开始正式生产，特别是划时代地确 立了医药品的无菌制造工艺。 1 9 5 0 年w j u d a 等试制成功第一张具有实用价值的离子交换膜。f i c k ( 英国) 等人首先对超滤( u f ) 膜和反渗透( r o ) 膜的分离原理进行了研究。正式的研 究于1 9 6 0 年左右开始。麻省理工学院的m i c h a e l s ( 美国) 在胶质的研究中，用 各种混合比的酸性高分子电解质和碱性高分子电解质，以水一丙酮一溴化钠系溶 剂，成功地制成了各种截留分子量的u f 膜，并使之规模生产，最先开始在市场 上出售。另外，加利福尼亚大学洛杉矶分校的l o e b ( 以色列) 和s o u r i r a j a n ( 印 度) ，针对海水淡化，成功地开发了能截留n a + 和c 1 。等离子而仅让水迅速透过的 乙酰纤维素r o 膜。这是一种非对称膜，有很优异的对水和盐类的选择透过性， 使反渗透过程迅速由实验室走向工业应用心3 。1 9 6 1 年美国h e v e n s 公司首先提出 了管式膜组件的制造方法，1 9 6 3 年d u r b r u n f a n t 制成第一个膜渗析器口1 ，1 9 6 4 年 美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件，1 9 6 5 年美国的加利佛尼亚大学制 造出用于苦咸水淡化的反渗透装置，生产能力为1 9 m 3 d ，1 9 7 0 年美国杜邦公司 研制出以芳香聚酰胺为膜材料的中空纤维膜组件，从此反渗透技术在世界各地相 继出现并迅速发展。其间又开发了以对苦咸水脱盐和去除有机物为目的的介于 u f 膜和r o 膜之间的纳滤( n f ) 膜。u f 膜和r o 膜的开发成功和很早就有的 m f 膜一起，为膜分离技术带来了划时代的意义。 天津j ：业大学硕十学位论文 在我国，膜科学技术的发展是从1 9 5 8 年研究离子交换膜开始的。从2 0 世纪 6 0 年代开始，在继续研究离子交换膜和电渗析装置的同时，与1 9 6 5 年开始反渗 透的探索，1 9 6 7 年召开的全国海水淡化会议对我国膜科技的进步起了奠基作用。 2 0 世纪7 0 年代进入四大液体膜过程的开发阶段。电渗析、反渗透、超滤、微滤 膜及相应组件的开发，是我国膜分离技术研究的第一个大盛阶段。2 0 世纪8 0 年 代以后，我国膜分离技术跨入了应用阶段，一些技术上较为成熟的膜过程开始得 到应用。1 9 8 5 年开始仿p e c 1 0 0 0 和f t - 3 0 的研究，实验所制得的f t - 3 0 ，性能 接近和达到国外同类商品膜的水平h 1 。8 0 年代又是气体分离和其他新膜的开发阶 段。9 0 年代以来，更是进入了全盛时期。国家相继建立了在杭州的“国家液体 分离膜工程技术研究中心 和在大连的“膜技术国家工程研究中心”，另外，国 家科学技术部设立中小企业“创新基金”，对膜科技项目给予支持。2 0 0 0 年我国 将膜材料和膜产业列为国家重点支持的2 2 项化工产业之一。2 0 0 1 年国家计委发 布了国家计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告，并在北京建立 了“大型超滤膜组件设备产业化示范工程生产基地。在2 l 世纪，膜工业和膜法 水处理技术在我国应用更加普及。 1 2 我国水资源概况 我国幅员辽阔，人口众多，是一个发展中的国家，由于特定的地理、气象、 人口、经济等因素的影响，我国水资源有着自己的特点1 。 1 2 1 水资源总量丰富，相对量较少 据2 0 0 8 年l o 月水利部公布的2 0 0 7 年中国水资源公报表明：2 0 0 7 年全国水 资源总量为2 5 2 5 5 亿m 3 ，比常年值偏少8 9 。地下水与地表水资源不重复量1 0 1 3 亿m 3 ，占地下水资源量的1 3 3 ，即地下水资源量的8 6 7 与地表水重复。然而 我国是一个干旱缺水严重的国家，虽然我国的淡水资源量为2 5 2 5 5 亿m ，占全 球水资源的6 ，居世界第六位，但是我国的人均水资源量只有2 3 0 0 m 3 ，仅为世 界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源最贫乏的国家之一，居世界1 0 9 位。 1 2 2 水资源时空、地域分布不均衡 水资源时空分布不均，年际、年内变化大。年际问最大和最小的径流量比值， 长江以南中等河流在5 以下，北方河流多在l o 以上。径流量的逐年变化存在着 明显的丰平枯水期，可能出现连续数年为丰水年或枯水年的交替现象。水资源年 内径流分配也不均衡。长江以南地区6 0 的降水量多出现在4 7 月；长江以北 东多西少，与人口、耕地、矿产等资源分布极不匹配。长江流域及其以南地区面 积占全国总面积的3 6 5 ，却拥有全国8 0 9 的水资源；长江以北诸水系的流域 面积约占国土面积的6 3 5 ，其水资源总量却只占全国的1 9 1 ，其中西北内陆 河地区面积占3 5 3 ，水资源量仅占4 6 。 1 2 3 水污染态势难以遏制 水污染是人为和自然双重因素所致。水利部公布的2 0 0 7 年中国水资源公报 表明：2 0 0 7 年全国废污水排放总量7 5 0 亿m 3 ，其中工业废水占2 3 ，第三产业 和城镇居民生活污水占1 3 。2 0 0 7 年，对约1 4 万公里河流水质进行监测评价， i 类水河长占4 1 ，i i 类水河长占2 8 2 ，i i i 类水河长占2 7 2 ，类水河长占 1 3 5 ，v 类水河长占5 3 ，劣v 类水河长占2 1 7 。各水资源一级区中，西北 诸河区、西南诸河区、珠江区、东南诸河区和长江区水质较好，符合和优于i i i 类 水的河长占8 8 - 6 6 ；松花江区、黄河区、辽河区、淮河区和海河区水质较差， 符合和优于i i i 类水的河长占4 7 - 2 8 。 1 2 4 水浪费现象普遍存在 据统计，全国6 6 8 座城市中，缺水城市达4 0 0 个，全国城市平均每天缺水达 1 6 0 0 万立方米，每年因缺水影响工业产值2 3 0 0 亿元。全国农业灌溉用水量约为 每年3 9 0 0 亿立方米，占全国总用水量的7 0 ，但由于全国普遍采用“土渠输水， 大水漫灌”的古老方式，水的浪费十分严重，有效利用率只有3 0 - - - 4 0 。许多 企业设备陈旧，工艺落后，水的重复利用率只有5 0 左右，发达国家却能达7 0 。 天津l 业大学硕十学位论文 等领域得到了不同程度的应用。 1 9 8 7 年，在美国科罗拉多州的k e y s t o n e 建成世界上第一座膜分离净水厂， 水量为1 0 5 m 3 d 。1 9 8 8 年，在法国的a m o n c o u r t 又建成了世界上第二座膜分离水 厂，水量为2 4 0 m 3 d ，采用的是0 0 1 i - t m 孔径的醋酸纤维素膜肺1 。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4 1 1 l o 3 d ，其中已运转 的同处理量超过1 万吨的水处理厂，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采用膜技 术的水处理厂规模将达每天1 6 x1 0 4 m 3 d 。在国内也有广东东莞等8 家水厂采用 全自动微滤设备，日产水量为2 4 ，2 1 0 m 3 d ，水厂规模从1 0 m 3 d 到l o 3 d 不等。 日本从1 9 9 2 年开始实施“m a c 2 1 计划( m e m b r a n ea q u ac e n t u r y 2 1 ) ”，对 m f 和u f 应用于净水处理进行为期3 年的大规模研究。从1 9 9 4 年开始，又进行 了三年的“a c t 2 1 计划( a d v a n c e da q u ac l e a nt e c h n o l o g yf o r2 1c e n t u r y ) ，对 n f 膜处理以及m f 膜和u f 膜与活性炭吸附、臭氧氧化和生物预处理组成的深 度处理系统进行了研究试验。根据日本供水技术研究中心( j w r c ) 统计，1 9 9 2 年，全日本仅有7 座膜过滤给水处理设施( 6 0 0 m 3 d ) ，此后，膜处理设施年年增 加，到2 0 0 6 年底，全同本供水行业已经有5 8 6 座给水处理设施，总处理能力也 达到了7 5 1 0 4 m 3 d 。最近几年，日本4 1 0 4 - - - 8 1 0 4 m 3 d 规模的给水处理厂相 继上马，横滨等城市计划的1 0 x1 0 4 - 一2 0 x1 0 4 m 3 d 规模的给水处理厂也开始具体 实施阶段。 n f 膜以去除硬度成分及三卤甲烷前体物质等溶解成分为目的，这种膜比用 于海水淡化的r o 膜的工作压力低，也称为低压r o 膜。这种用途的水厂以美国 较多，多数集中在佛罗罩达州和加利福尼亚州。法国巴黎也与1 9 9 9 年建成了1 4 1 0 4 m 3 d 的n f 膜水厂( m e r y - s u r - o i s e 水厂) 。 另外，海水淡化一般采用r o 膜。据统计，2 0 0 5 年全世界海水淡化的处理量 达2 7 3 6x1 0 4 i t l 3 d 。中东地区大规模的r o 膜过滤海水淡化水厂比较多，在海湾 六国，海水淡化日产量约1 5 0 0 1 0 4 m 3 ，占供水总量5 0 以上，2 0 1 0 年产量将达 2 0 0 0 l o 3 d 。以色列南部地区严重缺水，2 0 0 5 年在阿什凯隆建成一个日产3 3 1 0 4 m 3 的反渗透海水淡化厂，解决了6 0 余万人的用水问题。以政府计划到2 0 2 0 年在地中海沿岸再建5 座淡化厂，总规模近2 0 0 1 0 4 m 3 d ，占城市供水总量的 1 3 ，将形成中北部主要靠约旦河水、中南部主要靠淡化水的供水格局。美国南 部沿海地区也考虑把海水淡化作为南部的一个重要水源，仅南加州就规划建设 1 0 0 l o 3 d 的海水淡化规模盯1 。日本有4 3 处海水淡化设施，比较大规模的城 市供水系统采用海水淡化的有福冈的5 1 0 4m 3 d 和冲绳的4 1 0 4m 3 d 等。 含有o 1 , - 、, l o p m 的微粒子为分离对象。 超滤( u f ) ：可以截留分子量介于1 0 0 0 3 0 0 0 0 0 道尔顿物质的膜称为超滤 膜。超滤膜是由分离皮层和海绵状支撑层构成的不对称膜，高分子物质、胶体、 颗粒、细菌和病毒等物质无法透过，而水分子、离子、和小分子物质可以透过， 从而实现物质的分离。 纳滤( n f ) ：纳滤膜孔径处于纳米级，截留分子量在2 0 0 - - - 5 0 0 ，且对无机盐 有一定的截留率，其分离需要的压力一般为o 5 - 2 o m p a 。根据操作压力和分离 界限，可以定性地将纳滤膜排在超滤和反渗透之间，所以有时也把纳滤膜称为低 压反渗透哺，。 反渗透( r o ) ：在用半透膜分离开的容器两边分别加入盐水和纯水，渗透压 会使纯水透过半透膜进入盐水一侧，使该体系达到平衡，这种现象被称为渗透。 而反渗透是指在盐水侧施加大于渗透压的压力，盐水中的水通过半透膜流回纯水 一侧。反渗透膜是利用这种原理而生产出来的。 、 图1 1 显示了膜分类及截留能力。 蕤要鬻鞘雾”瘸霉霪 缀缓夔褫燃辫麓戮。次玲子努钒溯 鬟警渊 ! 漉 1 0 0 , , j t r l 1 0o ，10 ，0 10 0 0 100 0 0 1 轰血品胞摄，j 、：生橱灰质萎瘸鼍 缓渗透，：j 头发血红缓胞摄，j 、徽生橱灰质炎瘸鼍 一 一l 纳滤 砂滤 l翘滤 l微游 图1 1 膜分类及截留能力 现今在水处理领域应用最主要的是以上四种膜，其膜分离法的特点如下表 1 1 所示阻1 引。 天津1 ：业人学硕+ 学位论文 1 4 2 膜材料、膜组件、膜过滤系统 1 4 2 1 膜材料 目前市场上比较常见膜材料有聚砜( p s ) 、聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、聚 氯乙稀( p v c ) 、聚醚砜( p e s ) 、聚偏氟乙烯( p ) f ) 等六类。 其中，p s 多用于水质较好的处理过程，如纯水制备、血液透析、气体分离 等领域。p e 、p p 、p v c 多用于水净化领域，如自来水处理等。p e s 的适应性较 强，可适用于水净化、中水回用等领域。p v d f 适应性最强，可适用于水净化、 中水回用、工业废水处理等各个领域。 l 烯烃类( p p 、p e 、p v c ) 聚乙烯( p e ) 聚乙烯是结构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材 料。聚乙烯是通过乙烯( c h 2 = c h 2 ) 的加成聚合而成的。聚乙烯的性能取决于它 的聚合方式。在中等压力( 1 5 一- 3 0 m p a ) 有机化合物催化条件下进行z i e g l e r - n a t t a 聚合而成的是高密度聚乙烯( h d p e ) 。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的， 6 第一章前言 且分子链很长，分子量高达几十万。如果是在高压( 1 0 0 3 0 0 m p a ) 高温( 1 9 0 - 2 1 0 ) 过氧化物催化条件下自由基聚合，生产出的则是低密度聚乙烯( l d p e ) ， 它是支化结构的。聚乙烯无臭，无毒，具有优良的耐低温性能( 最低使用温度可 达7 0 - - 1 0 0 ) ，化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，耐氧化性能差，不耐 氧化剂和具有氧化性的酸，常温下可耐受一般溶剂( 醇、烃等) ，耐热老化性差 1 1 o 聚丙稀( p p ) 聚丙烯的分子结构为典型的主体规整结构，为结晶聚合物， 其分子量为1 0 ,