（环境工程专业论文）混凝微滤膜工艺饮用水处理中试研究.pdf

中文摘要 人们对于饮用水水质要求日趋严格与水源污染不断加剧之间的矛盾日益激 化，传统的处理工艺已很难满足同益严格的水质要求，膜集成技术以其特有的优 点在饮用水处理领域得到了广泛的关注与研究。 试验采用混凝浸没式帘式膜集成技术在天津某自来水厂进行3 0 0 m 3 d 中试 试验，通过对比试验寻求膜集成工艺装置的最佳运行参数，为处理量5 0 0 0 m 3 d 示范工程建设提供技术依据，以便于将来大规模推广应用。 混凝一微滤膜集成工艺采用连续曝气、间歇抽吸的运行方式连续运行。该工 艺出水水质稳定可靠，对浊度、有机物均有良好的去除效果。当原水浊度介于 o 6 9 7 6 9 n t u ，c o d m n 为2 8 7 巧4 5 m g l 时，该工艺平均出水浊度为0 0 8n t u ， 且出水浊度_ o 1 n t u 的比例为8 7 8 。平均出水c o d m , 为2 1 8m g l ，平均出水 u v 2 5 4 为0 0 4 0t i n ，出水细菌总数通常稳定在1 c 兀y m l 以下，大肠杆菌未检出。 系统运行初期，膜比通量缓慢降低。运行第2 4 1 天进行了化学清洗，膜比通量平 均恢复至系统初始运行时的5 7 8 ；与传统工艺相比，本系统投药量较低，且产 水率平均高达9 8 4 ，出水水质优于传统工艺的出水，可以满足生活饮用水卫 生标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的要求。 运行参数优化试验结果表明，次氯酸钠的投加与否对于总有机物的去除影响 不大，但是它的投加对于在2 5 4 n m 波长下有明显吸收或特征峰的有机物有较好的 去除效果；低温低浊情况下絮凝剂投加量从1 5 m g l 增加到4 6 m g l ，系统对于有 机物的去除明显增强，而在常温常浊水质期时该试验并未出现规律性的变化；将 膜池的排泥方式由每天排放一次改变为两天排放一次，膜比通量的变化不明显； 抽停比试验阶段，不同抽停比( 8 m i n 2m i n 、1 3m i n 2m i n 、1 8m i n 2m i n 、2 8m i n 2m i n ) 对比试验表明，抽停比对于出水水质未出现显著影响，而膜污染随着抽 停比的增加略有加强；曝气量试验结果表明，不同曝气强度( 8 3 1 m 3 h m 2 、 7 1 2 m 3 h m 2 、5 9 4 m 3 h m 2 、4 7 5 m 3 h m 2 ) 对于出水水质及膜污染均未出现显著影 响；采用盐酸、氢氧化钠和次氯酸钠对膜组件进行适度清洗，结果表明选用不同 的清洗步骤对清洗效果影响较小，清洗后膜比通量可以恢复到新膜的 5 5 5 - 6 1 3 。 关键词：混凝微滤膜工艺；饮用水；净化处理；运行；化学清洗。 a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tr e g u l a t i o n so fd r i n k i n gw a t e rq u a l i t ya n d d e t e r i o r a t i n gw a t e rs o u r c e s ，t h et r a d i t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e sc a nn ol o n g e r s a t i s f yt h es t r i c td r i n k i n gw a t e rr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，h y b r i dm e m b r a n et e c h n i q u e s ， p r e s e n t i n ga sr e l a t i v e l yn e wp r o c e s s e sw i t hs p e c i a la d v a n t a g e s ，h a v ea t t r a c t e d a w o r l d w i d er e s e a r c hi n t e r e s t i nt h i st h e s i s ，ah y b r i dm e m b r a n ep r o c e s s ，c o a g u l a t i o n s u b m e r g e dh o l l o wf i b e r m i c r o f i l t r a t i o n ( c s h f m ) p r o c e s s ，w a sa p p l i e di na w a t e rp l a n ti nt i a n j i nt oc o n d u c ta p i l o t s c a l es t u d yo fp r o d u c i n gt a pw a t e ra t3 0 0 mp e rd a y t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s o ft h eh y b r i ds y s t e mw e r eo p t i m i z e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t so f t h i ss t u d yc a np r o v i d ek n o w l e d g ea n dt e c h n i q u ef o rf u t u r el a r g e - s c a l e ( 5 0 0 0 m ) d ) i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h ec s h f mp r o c e s si n t r o d u c e da no p e r a t i n gm o d eo fc o n t i n u o u sa i rb u b b l i n g a n di n t e r m i t t e n tp e r m e a t i o nw h i c hp r o d u c e dr e l i a b l ep r o d u c tw a t e rq u a l i t ya n d a c h i e v e dg o o dr e m o v a lo ft u r b i d i t ya n do r g a n i s m s t h ef e e dw a t e rc o n t a i n i n ga t u r b i d i t yo f0 6 9 7 6 9 n t ua n dc o d m no f2 8 7 5 4 5 m g l w a st r e a t e dt or e a c h 0 0 8 n t u ( a v e r a g e d ，8 7 7 w a sb e l o w0 1 n t u ) a n d2 1 8 m g l ( a v e r a g e d ) i nt h e e f f l u e n tw a t e r , r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h ea v e r a g e du v 2 5 4o ft h ep r o d u c tw a t e rw a s 0 0 4 0 c m t h et o t a lb a c t e r i aw a sm a i n t a i n e db e l o w1 c f u m la n dn oe s c h e r i c h i ac o l i w a sd e t e c t e d a tt h ef i r s ts t a g eo ft h eo p e r a t i o n ，t h em e m b r a n ep e r m e a b i l i t yd e c l i n e d g r a d u a l l yd u et om e m b r a n ef o u l i n g t h e r e f o r e ，t h es y s t e mw a sc h e m i c a l l yc l e a n e d a n df l u s h e da tt h e2 4 1 nd a yt or e s t o r et h em e m b r a n ep e r m e a b i l i t yt o5 7 8 o ft h e i n i t i a lv a l u e c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lt e c h n i q u e s ，t h ec s h f ms y s t e mr e q u i r e sl o w e r d o s a g eo ft h ec h e m i c a l s ，h i g h e rp r o d u c tw a t e rq u a l i t ya n dh i g h e rp r o d u c t i o nr a t e ( a s h i g ha s9 8 4 ) t h ep r o d u c tw a t e rq u a l i t ys u c c e s s f u l l ys a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n tb y s a n i t a r ys t a n d a r df o rd o m e s t i cd r i n k i n gw a t e r ( g b5 7 4 9 - 2 0 0 6 ) d a t af r o me x p e r i m e n t sf o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e a d d i t i o no fs o d i u mh y p o c h l o r i t eh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h er e m o v a lo ft h et o t a l o r g a n i cc o m p o u n d sb u tb e n e f i t e dt h er e m o v a lo fo r g a n i cc o m p o u n d sw i t hs p e c i a l c h a r a c t e r i s t i cp e a k so rw i t he x c e l l e n ta b s o r p t i o na taw a v e l e n g t ho f2 5 4 n m m o r e o v e r ， t h ec o d m nr e m o v a lw a se v i d e n t l ye n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o a g u l a n t a d d i t i o nf r o m1 5t o4 6 m g la tac o n d i t i o no fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y ， h o w e v e r ，n or e g u l a rt r e n dw a so b s e r v e da tt h ec o n d i t i o no fn o r m a lt e m p e r a t u r ea n d t u r b i d i t v o nt h eo t h e rs i d e ，c h a n g i n gt h es l u d g ed i s c h a r g i n gm o d e f r o m1 dt o2 d h a dn 0o b v i o u se f ! f 色c t o nt h em e m b r a n ep e r m e a b i l i t y i n c r e a s i n g t h ed i f f e r e n t i n t e r m i t t e n tp e 皿e a t i o nr a t i o s ( o n o f f ：8 m i n 2m i n 、1 3 m i n 2m i n 、1 8m i n 2m i n 、 2 8m i n 2m i n ) h a dn oi n f l u e n c eo nt h ep r o d u c tw a t e rq u a l i t y b u ta g g r a v a t e d m e m b r a n ef o u l i n g f u r t h e r , c o m p a r a t i v et e s t o fd i f f e r e n ta i rb u b b l i n gi n t e n s i t i e s ( 8 3 1 m 3 h m 2 , , 7 1 2 m 3 h m 2 、5 9 4 m 3 h m 2 、4 7 5 m s h 。m 2 ) s h o w e d t h a tt h ep r o d u c tw a t e r q u a l i t ya n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r e n o to b v i o u s l ya f f e c t e d f i n a l l y , t h ef o u l e d m e m b r a n em o d u l e sw e r ec h e m i c a l l yc l e a n e db yu s i n gh c i ，n a o ha n d n a c i o s o l u t i o n sa n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec h o i c eo f d i f f e r e n tc l e a n i n gp r o c e d u r e sh a d l i t t l ee f l e e t0 nt h ec l e a n i n gr e s u l t t h ec l e a n e dm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y w a sr e s t o r e dt o 5 5s 6 1 3 o ft h ei n i t i a lv a l u e ，s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：c o a g u l a t i o n s u b m e r g e dh o l l o wf i b e rm i c r o f i l t r a t i o n ( c s h f m ) p r o c e s s ， d r i n k i n gw a t e r ；p u r i f i c a t i o nt r e a t m e n t ；o p e r a t i o n ；c h e m i c a lc l e a n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名： 彩灰 签字日期：加罗年月抄e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 南似翩签名：0 撤兀 签字日期：加矿年月2 0e i 签字日期：2 叩年月劫e t 学位论文的主要创新点 一、采用混凝一浸没式帘式膜集成饮用水处理技术替代传统工艺， 建立3 0 0 m 3 d 的膜法饮用水处理中试试验平台。 二、通过膜集成工艺对典型季节特征的水源水处理效果研究，分别 建立了相应的参数优化和膜工艺系统安全保障方案。 三、由于采用气水比值研究曝气量对膜污染控制的影响不大适宜，本 文引入曝气强度的概念进行相关研究。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水源的污染和饮用水水质标准的提高 1 1 1 水资源及其污染现状 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。 全球总储水量估计为1 3 9 x 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 7 m 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0 3 。水污染的加剧，使本已非常严峻的形势更是雪上加霜。 据统计，全世界有6 0 的地区面临供水不足的问题，很多国家闹“水荒”。各 国政府和组织对水资源的关注达到了前所未有的程度，同时人们对水的认识和理 解也在不断深化。1 9 9 3 年1 月1 8 日，第四十七届联合国大会做出决议，确定每 年的3 月2 2 日为“世界水日”。1 9 9 9 年、2 0 0 2 年和2 0 0 3 年世界水同的主题分别 是：“我们( 人类) 永远生活在缺水状态之中”、“水与发展”、“水人类的未 来”。2 0 0 3 年世界环境日的主题是“水二十亿生命之所系”，突出强调了水的 重要性。世界银行官员主张将水作为一种稀有资源进行管理，这种改变将会带来 水政策的根本调整和管理机制的强化1 1 j 。 我国是世界上水资源比较丰富的国家之一，水资源总量2 8 1 2 4 亿m 3 ，位居 世界第六，但却是人均水资源贫国，人均占有量只有2 1 6 0 m 3 ，约为世界人均占 有量的l 4 1 5 ，被联合国列为1 3 个最贫水国之一。我国近年来高速发展的经济 却无形中造成我国大量地表水源受到污染。据统计1 2 1 ，我国七大江河和内陆河 的1 1 0 个重点河段符合地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i 、i i 类的仅 占3 2 ，i i i 类的占2 9 ，属于i v 、v 类的占3 9 。有8 2 的江、河、湖泊受到 污染，9 2 的城市面临水污染的威胁1 3 l 。而水体的严重污染不仅直接对附近居民 的身体健康造成危害，还会影响国家的经济建设。由于水资源的缺乏在我国每年 造成直接经济损失数千亿元。据有关部门统计，目前全国城市年缺水量已达4 0 0 亿m 3 ，全国因缺水影响的国民产值达2 4 0 0 亿元人民币【钏。 当前我国水资源面临的主要问题是：防洪安全仍缺乏保障；水资源的紧缺与 用水的浪费并存；水土资源过度开发，造成对生态环境的破坏；水环境恶化和水 质污染迅速发展，已到极为严重的程度1 5 1 。尤其是近年来有机化工、石油化工、医 药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不 第一章绪论 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，对地表水源 造成了严重的污染，水源水质急剧恶化【6 】。目前，如何合理利用现有的水资源并保 证人们饮水的安全健康，已成为各界人士关注的热点问题。 1 1 2 饮用水水质标准的提高 按全饮用水的供给是以水源的水质状况良好为前提的，水源污染不仅加剧了 城市用水的供需矛盾，还直接影响到城市的供水水质，进而损害城市居民的身体 健康。饮用水水源受到污染及其可能造成的危害主要有以下几个方面：( 1 ) 水污 染加剧水资源危机，破坏可持续发展的基础。( 2 ) 水中有机污染物大量增加，危 害人体健康。国内外由水中检出的有机污染物已有2 0 0 0 余种，其中1 1 4 种是具 有或怀疑具有“三致”作用的物质，被列入美国环境保护署( u s e p a ) 的优先控制 污染物名单1 7 1 。我国各地的水源水中一般都能检出百余种有机污染物，其中常含 有“三致”物质。这类物质经自来水厂的传统工艺处理后不能去除，相反会因为加 氯消毒而形成危害更大的氯代有机物。受污染的湖泊常滋生大量藻类，会产生藻 毒素，并使水常带有强烈异味，还能分解生成三卤甲烷前驱物，与氯结合即生成 具有“三致”危害的三氯甲烷。水污染导致的类激素、二恶英等对人体健康的影响 也不容忽视瞵i 。 饮用水水质问题对人体健康和安全造成的危害是巨大的，甚至造成饮用者的 心理压力和恐慌，降低了饮用者对城市供水系统安全可靠性的信赖程度，甚至一 时形成了许多城市的居民饮用桶装矿泉水、纯净水( 缺乏人体必需的矿物离子) 的不正常现象。通过科学研究，综合应用各种现代高新技术，解决城市饮用水处 理与输送过程中存在的一系列关键性技术问题，建立较完善的饮用水水质安全保 障体系是必要而且可能的。 近代给水处理技术的进步使饮用水水质已有了很大的提高，但是从7 0 年代 起，饮用水的水质出现了两个新现象：一是饮用水中不断出现新的病原微生物因 子，二是饮用水中化学成分( 特别是有机污染物) 的含量急剧增加【9 1 。贾第虫、隐 孢子虫、军团菌及产毒性大肠埃希氏菌都是一些新发现的病原微生物因子【1 0 1 。 随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，人们的健康意识不断增强， 对饮用水的水质安全越来越关注，为满足这种需要，逐步提高饮用水水质标准是 世界各国保障饮用水水质安全的重要手段，其表现为：监测项数目增多，标准值 不断提高。饮用水水质指标概括起来可以分为四类：一般物理化学指标、有毒有 害污染物指标、微生物学指标和放射性指标。目前，世界卫生组织( w h o ) 、美 国、欧盟( e u ) 和日本的饮用水水质标准代表了当今世界饮用水质的最高水平， 它们的基本指标数量分别为：世界卫生组织有4 9 项，美国有7 8 项( 一级饮用水 2 第一章绪论 标准) ，欧盟有4 8 项，日本有4 6 项，详见表1 - 1 。最近二十多年的研究表明，一 些有机污染物具有“三致 作用，对人体健康的危害极大，因此有机污染物指标 的数量迅速增加，目前已超过水质指标总数的2 3 ，反映了人类对控制有毒有害 有机污染物认识的加深。由此可见，饮用水水质标准发展的趋势是加强对饮用水 中有机污染物的控制，特别是消毒副产物( d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ，d b p s ) 的 控制。 表1 - 1 生活饮用水水质标准指标数目的比较 我国于1 9 5 9 年颁布的第一个饮用水水质标准，仅包含1 6 项水质指标，主要 侧重点是浊度、色度、嗅和味等感观性状指标；1 9 7 6 年修订的标准将水质指标 增加到2 3 项，开始重视重金属离子的危害；1 9 8 5 年的水质标准中有3 5 项指标【1 1 】， 有机物的危害逐渐引起人们的重视；而2 0 0 1 年9 月卫生部颁布的新的饮用水卫 生标准中有五大类9 6 项指标，其中常规指标3 4 项，非常规指标6 2 项1 1 2 l 。目前 执行的2 0 0 6 年标准又增加了7 1 项指标。同其他国家( 组织) 所制定的标准类似， 新增项目主要涉及到有机物的去除，而国内对这一部分污染物的去除所作的研究 还不够。虽然我国的饮用水水质标准与过去相比有了很大的提高，但与发达国家 还有相当的差距，主要体现在农药、多环芳烃、有机氯化合物等有毒害的有机污 染物的指标偏少【1 3 j 。 1 2 饮用水处理技术的发展 饮用水处理技术，是在人类与水源污染及由此引起的疾病长期斗争中产生和 发展起来的。1 9 世纪初，欧美一些国家的地表和地下水源受到污水、粪便和垃 圾等物质的污染，造成霍乱、痢疾、伤寒等传染病的多次大规模的爆发和蔓延， 3 第一章绪论 夺去了成千上万人的生命。惨痛的教训促进了饮用水处理的革命，在不断探索中， 人类先后发明了化学混凝过滤技术、沉淀和澄清以及消毒技术等。经过长期的实 践，2 0 世纪早期的时候形成了应用最为广泛、技术也最成熟的“加药混凝沉淀- 过 滤消毒”工艺，也就是所谓的常规水处理工艺。其处理对象主要是水中悬浮物和 胶体杂质。原水加药后，经混凝使水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体，而后通 过沉淀池进行重力分离。过滤是利用粒状滤料截流水中杂质，用以进一步降低水 的浊度，同时对水中某些有机物、细菌及病毒等的去除也有一定的效果。消毒是 灭活水中致病微生物。通过该工艺处理过的水，浊度不仅得到降低，而且用氯气 消毒还可以灭活水中残留的致病微生物，从而确保饮用水的安全，这就使得1 9 世纪末2 0 世纪初发生在欧美一些城市的烈性细菌性传染病得到了非常有效的控 制。从历史的观点看，他对保护人类的饮用水安全，促进社会经济的进步与发展 发挥了巨大的作用【6 j 。 但是，从2 0 世纪6 0 年代开始，工业和城市都迅速蓬勃发展，饮用水水源不 仅受到越来越多的城市污水及工业废水点源的污染，而且遭受到更难控制的面源 污染。7 0 年代后期，饮用水与肿瘤等各种疾病的发病关系引起了人们的关注。 通过检测，人们发现大量的有机物排入天然水体成为突出的问题1 1 4 1 。经过深入的 分析研究，学者们发现了有机物的毒理性和致突变性。大部分排入水体的有机物 都有“三致”( 致癌、致畸、致突变) 作用。此工艺去除的有机物主要为分子量大 于1 0 0 0 0 的部分，对低分子量有机物的去除作用很小。如果希望提高给水处理中 对有机物的去除效率，单纯依靠常规处理是不可能实现的【6 1 5 , 1 6 1 。研究还发现， 氯气消毒后的自来水中含有大量的消毒副产物，它们都有明显的致癌作用，并且 原水水质由于条件关系会有很大变化，常规净化处理不容易长期起到绝对有效的 去除作用。 从饮用水中去除这些微量污染物已成当务之急，而给水厂通用的“混凝沉淀 过滤消毒”工艺是无法有效去除这些微量污染物的。最近几十年来，随着经济发 展、人口增多和人民生活水平的提高，越来越多的生活饮用水源受到不同程度的 污染，导致水源的水质恶化，饮用水中出现了难生物降解或不能生物降解的有机 物1 1 7 , 1 8 l 。人们对水与健康的关系有了更科学的认识，公众对饮用水水质的要求越 来越高。水源污染的加剧和饮用水质标准的日益严格，传统给水处理工艺已不能 保证生活饮用水水质的安全【1 5 , 1 6 】。在这两种因素的推动下，饮用水处理的研究目 前正在进入一个更加广阔的领域，各种新技术，如强化混凝法、化学氧化法、活 性炭吸附法、膜分离法等研究不断深入。具体方法包括1 1 9 , 2 0 1 ： 4 第一章绪论 深度处理 活性炭吸附 臭氧活性炭 生物活性炭 光催化氧化 吹脱法 膜技术 生物流化床、粗滤慢滤 0 3 、u v 、氧化耦合絮凝 其它：u v + 0 3 、h 2 0 2 + u v 、离子交换、固定化微生物、超声波 传统工艺的强化：强化混凝 目前国内外微污染水源水的处理不外乎上述工艺中的一种和几种的集成。各 种工艺都有其特定的有效去除对象，同时也存在相应的缺点，最令人关心的是处 理工艺的经济性。当前膜技术被认为是最有前途的一种方法，近年来由于材料价 格的下降和性能的改善，在水处理领域得到了广泛应用。 1 3 膜技术在当代饮用水处理中的应用 膜分离技术具有占地面积小、出水水质稳定、易实现自动控制等优点，在水 处理领域受到了广泛重视。将膜组件直接放置于活性污泥工艺中的曝气池中，用 于固液分离即为浸没式膜生物反应器( s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r , s m b r ) 。日本、德国、英国和法国的研究表明s m b r 出水质量高，出水s s 为 零，细菌和病毒被大部分截留【2 。但是由于s m b r 投资和运行费用较高，目前 尚不能全面推广。r oi 艺在纯净水制备中发展最为成熟，目前已有多种商业化 的生产线。但是由于r o 分离同时也去除了天然水中大量对人体有益的矿物质， 许多人怀疑长期饮用它是否会对人类健康产生危害。n f 作为一种极具潜力的新 技术被称做“低压反渗透”，它与r o 相比去除离子较少，能保留一部分有益的矿 物质，且具有压力低、流量大的优势，因此更加备受研究者关注1 2 2 1 ，有望在饮用 水深度处理中得到广泛应用。微滤和超滤因工作压力低，能够截留水中绝大部分 的悬浮物、胶体和细菌，故可以代替水厂的传统处理工艺并提高出水的水质。发 达国家已经在十多年就已将膜分离技术应用于饮用水处理。1 9 8 7 年，美国科罗 拉多州的k e y s t o n e 建成了世界上第一座膜分离水厂，处理能力为1 0 5 m 3 d ，采 用孔径为0 2 t m 的聚丙烯中空纤维膜；1 9 8 8 年，在法国的a m o n c o u r t 建成世界 5 池眈揽 构淼篡蝴 、 山芹 化 一 氧d 附虫h 曼触吸 接k 炭 物 孙性生a 活 化化粉 氧氧 ： 物学附 理处醌 第一章绪论 上第二座膜分离水厂，水量为2 4 0 m 3 d ，采用孔径为0 o l t t m 的醋酸纤维素中空 纤维膜；此后，膜分离水厂在全球得到迅速推广。到目前为止，世界上已建成 7 0 多个膜分离水厂，但绝大多数集中在发达国家。我国的第一座膜分离水厂位 于广东的东莞，处理规模为6 0 0 0 m 3 d ，采用烧结聚乙烯( p e ) 管式微滤膜组件p j 。 然而由于单一的u f 、m f 分离只能部分去除水中的有机物、细菌、病毒等，所 以在应用方面有一定的局限性。各种膜的孔径见表1 - 2 1 2 4 1 。 表1 2 水处理中常用膜的特性 反渗透纳滤超滤微滤 对称性非对称 膜厚度1 5 0 , u r n 薄膜厚度1 z m 膜孔径 0 0 0 2 , u r n 截留物质大分子有机物、小 分子有机物、氯化 物、葡萄糖氨基酸 操作压力 1 5 1 5 m p a 非对称 1 5 0 , u r n 1 z m 0 0 0 2 , u m 大分子有机物、单 糖、双糖、低聚糖、 多价离子 0 5 3 5 m p a 非对称 1 5 0 - 2 5 q u m 1 , u m 0 2 - 0 0 2 z m 大分子有机物、 蛋白质、多糖、 病毒 0 1 1 m p a 对称月e 对称 1 0 - 1 5 0 , u r n 4 0 0 私m 颗粒物、粘土、 细菌 0 2 m p a 膜分离技术引入到水处理领域，形成了全新的水处理方法，而它与其他技术 的结合更对水处理技术的发展产生深远的影响【2 5 一。如u f ( m f ) 与n f 结合进 行水的深度净化处理【2 7 1 ；u f 与生物法结合处理微污染水源【2 8 l ；另外法国u f 与 p a c 结合的大型水厂，其运行灵活可靠，在进水水质波动的情况下也可得到稳定 的出水水质【2 9 1 。可以说，膜技术在水处理领域的应用正在向着集成工艺的方向发 展。 1 4 膜集成工艺及其发展概述 膜集成工艺指膜分离技术与其它水处理单元的有机集成，因可以利用各个单 元工艺的特点、优势及各个单元工艺之间的协同作用，取得满意的处理效果，而 备受研究者瞩目，其研究和应用方兴未艾。 常见的膜集成工艺有膜生物反应器、膜絮凝反应器、活性炭与膜分离的集 成工艺、臭氧氧化与膜分离的集成工艺等多种。目前报导较多的膜集成工艺是膜 生物反应器。它是膜分离与生物处理的有机集成，目前己主要应用于污水处理 领域，在饮用水处理领域，在国内的研究报导还不多，也未见实际应用。下面对 上述几种工艺作简单的介绍。 6 第一章绪论 1 4 1 膜一生物反应器 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 用膜分离技术代替了传统活 性污泥法中的常规固液分离装置，即采用生物处理与膜分离相结合的方法处理污 水，是传统活性污泥法和现代膜分离技术的结合。活性污泥中微生物对原水中可 降解有机物进行生物降解，达到去除d o m 的目的；膜分离可以截留原水中的固 体悬浮物、胶体物质及大部分细菌、病毒等，保证出水水质的稳定。 m b r 具有常规工艺无法比拟的优势：高生物量、高生物活性、体积小、剩 余污泥少，因此国内外对m b r 处理污水的研究非常活跃。m b r 于1 9 6 9 年开始 应用于城市污水的处理，2 0 世纪9 0 年代以来得到迅速发展，目前已成功应用于 污水处理和中水回用等领域1 3 0 - 3 4 1 。将其应用于微污染水源水的处理尚处于探索阶 段【3 5 4 1 1 。 目前，膜生物反应器在日本、美国、法国、英国、荷兰、德国、南非、澳 大利亚等国已得到相当多的应用。主要应用对象包括：生活污水的处理与回用、 粪便污水处理、有机工业废水处理等。 我国对膜生物反应器的研究始于上世纪9 0 年代初。最早开始研究的有清华 大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等。近年，由于该项 技术所具有的巨大吸引力和潜在的应用前景，受到了更多研究者的青睐。许多大 学、研究所、环保公司也加入到了此项技术的研究开发中。从国内专业杂志发表 的论文篇数来看，近几年增加很快，从1 9 9 8 年的9 篇增加到2 0 0 2 年的6 0 余篇。 目前国内从事膜生物反应器开发应用的公司日益增多。 1 4 2 膜一混凝反应器 膜絮凝反应器( m e m b r a n ec o a g u l a t i o nr e a c t o r s ，m c r ) 用膜分离取代了传 统工艺中的沉淀、过滤和消毒单元，是膜分离技术与混凝反应的有机结合。混凝 反应可使大分子量( 3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 ) 有机物被絮凝剂吸附，形成大而密实的矾花， 膜分离作为固液分离单元，可保证出水的浊度和细菌总数达标。它们的结合在简 化了处理工艺的同时，更能保证优质而稳定的出水水质。 目前，混凝微滤工艺主要用于处理地表水，近年来，应用混凝微滤工艺处 理饮用水受到了越来越多的关注。国外从2 0 世纪8 0 年代末开始对这一工艺进行 研究，国内的研究开始于9 0 年代末，已经取得了很多成果【4 2 , 4 3 ，4 4 1 。2 0 0 0 年1 0 月在法国巴黎召开的“饮用水及工业用水生产中的膜技术”( c o n f e r e n c eo n m e m b r a n e si nd r i n k i n ga n di n d u s t r i a lw a t e r p r o d u c t i o n ) 会议上，有许多关于m c r 的报道1 4 5 舶】，其研究前景十分乐观。j o o s tp l u i m 和b a sv a ne f f e r e n 报道了荷兰在 饮用水处理方面应用膜技术的进展，它们以膜分离取代了沉淀池和滤池，投加絮 7 第一章绪论 凝剂之后用超滤膜分离，获得高质量的出水，同时维持较高的膜通量、延长了反 冲洗的周期。天津大学的米宝霞等( 2 0 0 0 ) 在国内首次发表了m c r 处理微污 染地表水的研究论文。之后，国内相继有了相关方面的报导。同济大学的董秉直、 李伟英等( 2 0 0 1 ) 对混凝一砂滤超滤膜分离工艺处理长江原水进行报导。此外， 西安建筑科技大学的王晓昌和王锦( 2 0 0 1 ) 还报导了超滤膜与混凝直接结合处理 地表水的特性。 国外从2 0 世纪8 0 年代末开始研究混凝微滤处理地表水，并对多座水厂进行 了跟踪调杏t 4 7 , 4 8 1 。国内的研究开始于9 0 年代末，短短几年取得了丰硕的成果， 但用于生产规模的一体化膜混凝反应器还未见报道。 1 4 3 其他膜集成工艺 1 4 3 1 活性炭吸附一膜分离集成工艺 活性炭是具有弱极性的多孔吸附剂，具有发达的细孔结构和巨大的比表面 积，是深度处理最有效的手段【6 1 。将活性炭吸附小分子量物质的优势与膜过滤截 留大分子的特点有机的结合在一起，当然就倍受青睐。c a n s e l m e 等人报道了向 膜反应器中投加活性炭，可明显提高溶解性有机物的去除率，并且色度、嗅味和 消毒副产物的前驱物的去除都比单纯的膜过滤有较大的改善【2 9 】。此外，向膜生物 反应器中投加p a c 可改善膜的透过性能，减缓膜污染速率，延长膜的使用寿命 1 4 9 1 o 1 4 3 2 臭氧氧化- n 分离集成工艺 臭氧在水处理中的应用比活性炭早。由于臭氧有很强的氧化能力，因此在用 m f 舢f 处理地表水的系统中，臭氧有两方面的作用：一是将强污染型有机物转 化成低污染型有机物，二是在反冲洗时有助于膜滤饼层的去刚5 0 l 。因此，臭氧氧 化与膜反应器的结合能有效减缓膜污染进程1 5 。另外澳大利亚也报道了运转 m f 、臭氧和活性炭集成工艺的成功经验1 5 2 】。 1 5 试验目的及内容 采用混凝浸没式帘式膜集成技术在杨柳青水厂进行3 0 0 m 3 d 中试试验，建 立膜法饮用水处理中试试验平台，对设备处理效果及可靠性、经济性等进行深入 研究，为处理量5 0 0 0 m a d 示范工程建设提供技术依据，以便于将来大规模推广 应用，彻底解决居民饮水安全问题。试验的主要内容如下： ( 1 ) 在不同水源水质期连续监测系统对浊度、c o d m n 、u v 2 5 4 及相关水质指 8 第一章绪论 标的去除情况，分析影响各水质指标去除率的因素。 ( 2 ) 考察在出水流量恒定的条件下，膜通量和膜比通量的变化情况。 ( 3 ) 膜处理工艺与传统给水处理工艺的比较。 ( 4 ) 在不同水质期的原水水质条件下，研究膜工艺系统有机物强化去除的方 法。 ( 5 ) 膜工艺系统运行参数的优化。确定最佳工艺参数，使系统运行稳定，处 理效果可靠。 ( 6 ) 膜污染、控制及其清洗的研究。分析膜污染的形成机理和影响因素，采 取改进膜分离的运行条件、加强预处理效果等措施，以延缓膜污染，延长膜的使 用寿命；对污染膜进行化学清洗，研究各种药剂的清洗效果，分析膜污染的特性。 9 第二章试验装置与分析方法 第二章试验装置与分析方法 2 1 试验装置、工艺流程及设计参数 混凝浸没式帘式膜集成中试试验装置设计处理能力为3 0 0 m 3 d 。 2 1 1 工艺流程及设计参数 原水 混凝反应池 腰分离池t 曝气 图2 - 1 浸没式帘式膜中试装置流程图 出水 图2 1 为本装置的工艺流程简图，原水经进水泵抽吸至进水管，絮凝前含预 氯化环节，次氯酸钠与絮凝剂三氯化铁均放置在静态管道混合器之前采用计量泵 投加。絮凝l o m i n ，通过溢流进入置有微滤膜的膜分离池。在抽吸泵的作用下经 膜过滤后形成过滤出水。膜池采用连续曝气、间歇出水的方式运行。稳定运行过 程中每日工作时间为2 3 h ，空置1 o h 用于通过曝气清洗膜组件、静置沉淀混合液 和排泥。对于每个膜池，过滤周期为l o m i n ，其中出水时间为8 m i n ，停歇2 m i n ： 膜组件下设有曝气管，整个试验过程中连续曝气6 0 m 3 h 。为保持膜分离池的水 位恒定，整个流程由p l c 自动控制，根据膜分离池内的液位，控制进水泵，并 同时控制加药泵的开停。整个中试装置处理能力为3 0 0 m 3 d 。 o m i n2 m i n4 m i n6 m i n8 m i nl o m i n j 缈鼍7 锫，i t “弼搿。粥9 镕“ # j 7 搿甥 缸；一$ # i t 毪带4 “i 一， 十 l ，v ，n 貌| 蜊每镕稚雀= ?谚? 。一。二v 图2 2 四个膜池的运行 ：序 ( 深色代表出水和曝气，白色仅代表曝气) 1 0 第二章试验装置与分折方法 试验过程中随着试验目的的不同改苎贬运行参数，汇总后如表2 - 1 所示。 采2 1 试验参数 项目数f | l 范围项目数值范围 n a c i o ( 柏破氯) l m g l抽膊时间8 2 - 2 8 2 f m i n m i n 、 f e c k 1 1 0 m g l 曝气强度5 94 8 9 0 m h l m 2 棍凝反应时间 1 0 m i n 膜池停留时间 3 4m i n o t 值 3 4 1 0 7 $ - i 排泥周划2 4 4 8 h 跨膜压力5 一加k p a排泥量全排 膜通量1 6 7 u ( h - m 2 ) 2 1 2 试验装置 包括预处理单元、混合设备、絮凝反应池和膜分离池器 罔2 - 3 试验装置图 f 1 1 预处理单元：设置粗格栅及y 型管道过滤器等作为预处理，咀防原水中 杂质堵塞进水泵及进水水表。 f 2 1 混合设各：采用设备简单、混合效果好的静态管道混合器。 r 3 1 絮凝反应池：絮凝反应池选用絮凝效果好、可适应水质水量变化的机械 絮凝反应池。絮凝反应池分为4 格，分格隔墙上过水孔道上下交错如置，其中前 3 格设置垂直轴机械搅拌装置，转速逐渐减缓，最后一格为缓冲区。絮凝反应池 反应池总停留时间为2 0 7 m i n ，其中前3 格絮凝区停留时间共1 55 m i n ，最后一格 第二章试验装置与分析方法 缓冲区停留时间5 2 m i n 。絮凝反应池各格之间设置超越管，机械搅拌装置设置速 度调节阀以方便后续试验中根据水质、水温调节絮凝停留时间及速度梯度。絮凝 反应池池底带有坡度并装有排泥阀，利于排泥。絮凝反应池的出水以溢流方式进 入膜分离池。絮凝反应池出水以溢流方式进入膜分离池。l x b x h = 2 4 x o 6 x 3