自来水净化技术开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告题目自来水净化技术研究专业名称环境工程班级学号XXX学生姓名XXX指导教师XXX填表日期 2011 年月日自来水净化技术研究一、选题的依据及意义：据中国水协专家透露，目前我国每年因饮水引起的致病、死亡的直接损失已 经超过当年 GDP的1%。但时至今日，全国多数的自来水厂仍在沿用百年前的 工艺进行加工。100多年前，比利时开始采用氯气来消毒饮用水。氯气可以穿透细菌的细胞 壁与细胞内部的酶发生作用，破坏酶的功能，达到杀菌的作用。氯的作用解决了 饮用水中的生物污染，制止了当时水致传染病的流行，造就了现代水工业，产生 了流入千家万户的自来水。全国给水深度处理研究会理事长王占生表

2、示：“我国现在99%的自来水厂用的仍然是100年前的常规工艺。”在目前中国城市水厂中，基本水处理流程为： 原水一一级泵房一加药一絮凝池一沉淀或澄清池 +滤池一消毒清水池一二级泵房 f用户。其中涉及三个处理工艺：絮凝（加聚合氯化铝）、过滤（石英沙，卵石）、消毒（加 氯气或漂白粉）。这些传统工艺主要是去除水源中的悬浮物、胶体杂质和细菌， 针对的是受轻度污染的U类水质。国内水厂经过常规工艺净化处理的只是原水中的微生物， 对溶解性有机物去 除能力相对不足，而且过量加氯消毒所形成的余氯残留本身还形成了 “三致物质” （致癌、致畸、致突变）。即使是针对微生物，常规氯消毒工艺也不能有效灭活贾第鞭毛虫和隐抱子

3、 虫，传统的监测手段也无法有效监测出水中这两种生物的信息。21世纪的今天，饮用水标准愈加严格，公众对健康饮用水的要求也愈加迫 切。但我国的水源污染日趋恶化，常规饮用水处理工艺处理后的生活饮用水的安 全性难以保证。因此，研究和推广自来水水净化技术以及改进传统的常规工艺 成为水处理工艺发展的必然趋势。自来水一步法净化技术研究适应当代社会的需求， 这个课题可以让我们了解 到最先进的水处理技术，另外，在实验效果良好的情况下，还可以将其运用到实 际的自来水净化处理中。二、国内外研究概况及发展趋势：1第一代自来水净化工艺自来水厂净水常规处理工艺主要是由混凝、 沉淀或澄清、过滤和消毒等工序组成，如图1所示，

4、其理论主要是建立在传统的以粘土胶体微粒和致病细菌为主 要去除对象的基础上，该工艺被中国和世界上大多数水厂所采用。1f1絮凝池h.沉淀池砂滤池*地表水氯化消毒混凝剂出水图1自来水厂常规处理工艺流程图“混凝T沉淀一过滤一消毒”是以地表水为水源的生活饮用水处理工艺，可 称为第一代工艺，也称为常规工艺。常规工艺去除对象是引起水浑浊的悬浮物及 胶体物质。混凝、沉淀和过滤在去除浊度的同时， 对色度、细菌和病毒等也有一 定去除作用。通过向水中投加氯气、漂白粉，或二氧化氯等消毒剂，杀灭滤后水 中致病微生物，达到饮用水水质要求。2第二代自来水净化工艺20世纪70年代，由于水环境污染，在城市饮用水中发现了种类众多

5、的对人 体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产物，而第一代工艺不能对其有效去除 和控制，使水的化学安全性堪忧，某些水中微量有机污染物能使人致癌、致畸、 致突变（三致物）。用氯对水进行消毒时，氯与水中的有机物（主要是天然有机物） 作用，能生成三卤甲烷、卤乙酸等氯化消毒副产物，其中大部分是对人体有毒害 的三致物。在这个背景下研发出第二代城市饮用水净化工艺，即在第一代工艺后 面增加了活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性碳等 深度处理工艺。第二代工艺能 比较有效地去除和控制水中的有机污染物和氯化消毒副产物，使水的化学安全性得到提高。2.1活性炭吸附法活性炭技术是20世纪60年代从国外引进的深度处理技术，不仅

6、是最成熟 有效的方法，而且是具有潜力的技术。我国是活性炭生产大国，产品80%以上远 销欧美，随着饮用水深度处理技术的发展， 活性炭市场蕴含着巨大商机。活性炭 来源广泛，比表面积大，对色、嗅、味、消毒副产品、微量有机污染物等都有一 定的吸附能力。美国国家环保局（USEPA）1996年在493个饮用水处理厂进行了调 查，推荐的主要工艺为活性炭吸附和膜工艺。2005年底吉林石化双苯厂爆炸对 松花江下游水污染的紧急处理，更说明了颗粒活性炭（GAC）或粉末活性炭（PAC）优良的净水效果3。活性炭是一种多孔性物质，内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积， 活 性炭的空隙分为大孔、过渡孔和微孔，大孔主要分布

7、在活性炭表面，对有机物的 吸附甚微，过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通 道，而微孔则是活性炭吸附有机物的主要区域，微孔构成的比面积占总面积的 95%，活性炭对有机物的去除受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响，同样大小的有机物，溶解度愈大，亲水性愈强，活性炭对其吸附性 愈差。实验结果表明，活性炭对分子量在5003000的有机物有明显的去处效 果，去除率一般为70%87%,至今我们对它的吸附机理尚不清楚，因此活性炭被喻为BlackBox。活性炭对水中氯化产生的“三致”物质不能有效去除，特别是对卤代烃前驱 物和分子量大于3000的物质去除效果更差。当进水浊

8、度较高时，活性炭微孔极 易被阻塞，导致活性炭的吸附性能下降，虽然再生能使活性炭恢复吸附能力， 但 随着活性炭使用年限的增加，孔隙率及比表面积将不断降低，吸附容量也必然降 低3。2.2生物预处理技术生物预处理5对水中氨氮的去除最为有效，同时，还可去除一些有机物和铁、 锰。目前，该项技术在上海与浙江嘉兴地区已有应用。生物预处理工艺以生物膜法为主，包括生物滤池法、生物接触氧化法和生物 流化床法。生物预处理的填料（填料可根据处理水质的不同采用生物陶粒填料或 卵石填料上生长着细菌、原生动物、后生动物等微生物，从而形成生物膜。当与 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

9、常规工艺不能充分去除的氨氮、亚硝酸盐氮、藻类、臭味等；同时，去除或减 少可能在加氯后生成的致突变物质的前驱物，从而使水得到净化。生物预处理技术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 工艺负担有着重要的实际意义。但生物预处理对某些降解缓慢的化合物，如氯仿、 三氯乙烯等的去除效果较差，对优先污染物的去除效果也不佳， 且无法间歇运行 等。2.3臭氧-生物活性炭技术（O3-BAC）臭氧（03）是一种很强的氧化剂和消毒剂， 其氧化还原电位为+2.07V，它可 使水中大分子的有机物分解为小分子状态，改变水中成分达到净水的目的。但 03与有机物的反应具有较强的选择性，还可导致水中可生物降解物质

10、的增多，使出水厂的生物稳定性降低，容易引起细菌繁殖。臭氧的强氧化性也造成它在水 中不稳定，容易失效，在管网中杀菌效果不能持久，因此臭氧很少在水深度处理 工艺中单独使用，在此基础上发展了臭氧与活性炭联用技术。臭氧-生物活性炭技术是目前国际上最先进的水处理工艺，在日、欧、美广泛应用。在日本，越 来越多的给水厂采用03-BAC ;在欧洲被认为是处理污染源水、减少饮用水中有 机物最有效的技术，如德国的缪尔海姆水厂、法国的梅里苏瓦兹水厂。我国一些 大城市也有应用实例，如上海周家渡水厂、杭州的南星桥水厂，都收到了良好效 果。目前国外普遍采用的工艺流程如图 2o图2臭氧-生物活性炭工艺流程生物活性炭技术与单

11、独使用活性炭吸附工艺相比，出水水质得到提高，增加了水中溶解性有机物的去除，对饮用水中微量污染物有很好的去除效果，国内学者研究表明对三卤甲烷前驱物的去除率比单独使用活性炭提高了 11%39%。水 中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，这样降低了消毒时C12的投加量，从而降低了水中的CHCb生成量，并延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用。在臭氧-生物活性炭联用技术中，活性炭能有效去除小分子有机物，但对大 分子有机物的去除有限，当水中大分子有机物含量较多时，活性炭的吸附仅局限 在活性炭表面，抑制了活性炭的吸附效果，缩短使用周期。臭氧具有强氧化性， 水中有机污染物通过臭氧氧化，使一小部分小分子的有机物被氧化

12、成最终产物 C02和H2O，而大部分较大分子量的有机物被氧化降解成中间产物，通过改变有 机物的结构和形态，把芳香族化合物氧化，打开苯环，减少其毒性，提高了有机 物进入活性炭微孔的可能性，充分发挥了活性炭的吸附表面，延长了使用周期。 Kim等人发现经臭氧氧化处理后，水中可生物降解性有机物 （BDOC）增加30%， 再经过生物活性炭处理后，可生化部分有机物得到有效去除。但臭氧对一些农药 类物质、有机卤代物的分解效率很低，当原水中溴离子含量较高时，在一定条件 下会形成溴酸盐，还使腐殖质产生甲醛，两者都有致突变性，这将是O3-BAC技 术应用过程中值得高度关注的重要问题9。2.4高级氧化技术高级氧化技

13、术5在饮用水处理中主要用于去除原水中的天然有机物和农药 残留物。目前，对该工艺的研究主要集中在O3-H2O2、O3-UV、03-固体催化剂、H2O2-Mn+、H2O2-UV、H2O2-固体催化剂、H2O2-NaCIO、和 Ti02-UV 等方面。TQ2-UV联合工艺有研究结果显示，采用高级氧化技术中TQ2-UV联合工艺去除水中天然有机物时发现，UV除了可发挥光催化剂的作用外，还能再生TiO2-UV颗粒，且再生后的TiO2-UV颗粒对天然有机物的去除效果良好10。目前，英国已有3家水 厂（Ewden、Langsett和Oswestry）采用该技术进行了生产性试验，结果表明，该 技术对天然有机物、

14、溶解性有机碳具有良好的去除效果，但其总去除率仍低于传统混凝方法11。对此，Murray等11建议在饮用水处理中应将该技术与传统混凝 法相结合，在提高处理效果的同时，尽可能减少混凝剂的使用量和降低化学污泥 产生量。目前，高级氧化研究大都停留在实验室阶段，在水处理实际工程中的应用很少。（2）臭氧高级氧化-生物活性炭（AOPs-BAC）工艺该工艺是采用臭氧高级氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧高级氧 化、活性炭物理化学吸附、生物氧化降解几种技术合为一体。其主要目的是去除 原水中微量有机物和氯消毒副产物的前体物等有机指标，提高饮用水的安全性 12。臭氧高级氧化技术相对于单一的臭氧氧化技术，具有氧化

15、速率快，选择性 低、氧化彻底等特点，同时，后续的生物活性炭工艺又为出水的安全性提供了有 力的保障。目前，臭氧高级氧化-生物活性炭（AOPs-BAC）工艺联用技术在国外已 逐渐得到应用13 o在臭氧高级氧化-生物活性炭（AOPs-BAC）工艺中，O3-H2O2-BAC被认为是 最具应用前景的工艺，对于已经有臭氧装置的水厂，只需再向水中投加H2O2，即可改建为深度氧化处理水厂，改建简单，具有很好的应用前景 14,15 o 2.5活性炭-膜技术在活性炭-膜技术5组合系统中，利用活性炭吸附技术对污水进行必要的预 处理以降低浊度、色度和各种类型的有机化合物的浓度，为后续的膜过滤提供必 要的保障，缓解膜阻

16、塞和膜污染问题，延长了膜的使用寿命；用膜进行处理后可 有效地解决出水中含有一定量细菌的问题，保证了出水水质16,17 o2.6超声空化技术超声技术作为一种新型的氧化方法，已经在水处理应用与研究中取得了令人 瞩目的进展，在超声水处理过程中，声空化诱发的高级氧化过程对于降低水污染 物的毒性、降解难于降解的有机物和提高生化比等都有较好的效果18-21 0目前,一般认为超声空化降解水中有机物主要有三种方式：自由基氧化、高温热解及超临界水氧化。研究表明22，超声降解有机物的程度，除了与作用时间、超声声强和频率 有关外，还与有机物的物化性质有关。不同物化性质的有机物，因降解机理不同， 超声降解的效果也存在

17、差异。超声辐照对疏水性、易挥发性有机物（如CC14，CHC13等卤代烃和脂肪烃类）去除效果明显，对亲水性、难挥发的有机物（如C6H5C1和4-C6H4OHC1）则需较长的辐照时间才能降解。 超声强化氧化技术正朝 着两个方面迅速发展，一个方面是使用高效活性催化剂，另一个方向是将其与其 他降解技术联合或结合使用。现阶段超声空化技术主要用在实验室小水量的处理 研究中，尚处于基础研究阶段。3第三代自来水净化工艺20世纪末叶，水中发现了新的致病原生动物一一蓝氏贾第虫和隐抱子虫（“两虫”），出现了藻类大量繁殖以及藻毒素、嗅味、水的生物稳定性、有害水 生生物一一剑水蚤和红虫等重大微生物安全问题。第一代工艺和

18、第二代工艺都难 以完全防止“两虫”进入饮用水中，对水藻也难以彻底去除，所以成为水业界高 度关注的问题。膜是21世纪新材料中的一个增长点，过去由于其价格高，故多用于小型水处 理装置中。近年来，随着膜制造技术的快速发展，膜的性能不断提高，价格逐渐 降低，已达到可以与第一代工艺和第二代工艺竞争的价位 ，因而国外将膜用于城 市饮用水处理的水厂愈来愈多。在膜分离过程中，物质不发生相的变化，分离系数较大，操作温度在室温左 右，这些优点使其成为解决当代人类面临的能源、资源、环境等重大问题的重要 新技术，现在已有许多膜分离技术获得大规模应用，如微滤、反渗透、超滤、纳 滤、电渗析、渗透蒸发、液膜等。因此，膜分离

19、技术被公认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前景的高技术之一 23。3.1膜分离技术的特点（1）膜分离技术能耗低。因为膜分离过程不发生相变化，其中以反渗透耗能最低，这对于克服国家的能源危机有相当的意义(2) 膜分离过程是在常温下进行的，因而特别适于对热敏感的物质，如对废 水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。而用膜法处理饮用水，其出水水质只取决于膜自身的性质， 如膜孔径、膜的选择 性等，与原水水质无关。(3) 膜分离技术适用的范围广。反应过程不会改变物质的属性，不需要添加 剂参加反应，不会带来新的污染物和浪费其它物质， 可用于多种类型的废水处理 过程。(4)

20、膜分离法分离装置简单，操作容易且易控制，便于维修且分离效率高。 与常规水处理方法相比，具有占地面积小，处理效率高等特点。(5) 膜分离技术设备可实现定型化。自控性强，便于管理和运行，也有利于 产业化发展。在水处理方面，膜分离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，并已大量应用于城镇自来水的深度处理中。 常用的以压力为推动力的膜 分离技术有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)以及反渗透(RO)等。其基本特性如表 1所示，具体截留物质见附图。表1部分膜的种类与基本特性膜种类分离被截流物质膜功能驱动力透过物质多孔膜、溶液的微滤、水、溶剂和溶悬浮物、细菌类、微粒子、大微滤脱微粒子

21、压力差解物分子有机物脱除溶液中的胶体、各溶剂、离子和蛋白质、各类酶、细菌、病毒、超滤类大分子压力差小分子胶体、微粒子反渗透脱除溶液中的盐类及压力差水和溶剂无机盐、糖类、氨基酸、有机和纳滤低分子物质物等3.2微滤微滤(MF)，又称精密过滤，对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来 表征，通常孔径范围在0.1mm,故微滤膜能对大直径的菌体、 悬浮固体等进行 分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。多用于生产高纯水时的终 端处理和作为超滤、反渗透或纳滤的预处理设施。3.3超滤超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.0010.1艸分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、 分

22、离、浓缩的膜分离技术，超滤 过程通常可以理解成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，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比 膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常 截留分子量范围在10001000000道尔顿，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白 质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机 物的分离纯化、除热源。由于超滤和微滤在水处理中最主要的作用是固液分离，如何将水中杂质特别是溶解性的有机物转化为固相，成为充分发挥膜分离作用的关键。实际

23、中，常采 用混凝或活性炭使水中有机物被吸附，转化为固相，使膜可以截留去除，同时又能减缓膜污染的程度24。作为一种可能的替代传统的澄清处理，微滤和超滤已 发展成较有吸引力的技术。34纳滤纳滤（NF） 24介于超滤和反渗透之间，可在较低压力（0.51.0MPa）下实现 较高的水通量，总盐类去除率为50%70%,尤其对二价离子（如Ca2+、Mg2+等） 的去除率可在90%以上，膜孔径通常在0.0010.005叩范围内。在净水处理中 适用于硬度和有机物高且浊度低的原水，主要是地下水处理方面。纳滤膜本体带 氨基和羧基两种正负基团，这是它在较低压力下仍具有较高脱盐性能和截留无机 盐的重要原因。因此，纳滤膜

24、不仅可以进行水质软化和适度脱盐，而且可以去除色度、细菌、溶解性有机物和一些金属离子等。目前，饮用水深度处理中应用较多的主要为卷式芳香族聚酞胺类复合纳滤膜。3.5反渗透反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质 或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分 离的膜过程，膜孔径通常在0.00010.005 ym分子量之间。反渗透是膜分离技 术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运 行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简 便的技术。目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。

25、 近年来，反渗透技术已大量应用于饮用水的深度处理中，成为制备纯水的主要技术之一24。反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCI的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶 体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、 产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。纳滤、超滤和微滤都可用于城市饮用水处理。纳滤能去除有机物和部分无机 物，但能耗较高。微滤能去除“两虫”、藻类和水生生物，但不能完全去除细菌 和病毒。超滤能将细菌、病毒、“两虫”、藻类、水生生物几乎全部去除，是目前 保障水的微生物安全性的最有效技术。在美、日

26、等国 ，也优先选择超滤膜用于城 市水厂25。三、研究内容及实验方案：本次实验的研究内容主要是通过查阅各种相关资料， 了解自来水净化的新工 艺、新设备，比较它们的优缺点，重点了解此次实验所用的处理工艺。 对自来水 一步法净化实验进行设计，以自配原水、赣江水作实验用水，研究一步法净化工 艺的最佳参数条件。对实验出水水质中的某些指标进行测定分析， 与自来水水质 标准进行比较，察看超滤技术的处理效果。实验方案如下：用高岭土配制出不同浊度的悬浊液， 选取几项主要的水质参 数（浊度、电导率、COD等）进行测量。采用圆形平板式 UF膜进行过滤后， 取适量滤液测量相同的参数，与原液进行对比，分析处理效果。在相

27、同条件下， 将原液换为赣江水，进行实验，分析实验效果。最后，对实验进行评价与总结。四、目标、主要特色及工作进度：1、目标（1）掌握自来水净化新工艺、新设备；（2）掌握自来水水质分析方法；（3）自来水一步法净化实验设计；（4）以自配原水、赣江水作实验用水，研究一步法净化工艺的最佳参数条件。2、特色利用膜分离技术中的超滤来处理不同水质的原水， 对出水水量及水质进行测 定，分析其可行性，为生产出符合水质标准的自来水提供帮助。 将超滤膜技术引 入自来水处理中能够达到很好的效果。3、工作进度(1)查找相关的资料并选择外文翻译2010.12.20至 20110.1.14(2)查找资料，撰写开题报告2010

28、.12.20至 2011.1.14(3)调查、研究、实验和设计2011.3.21 至 2011.6.5(4)毕业设计论文(论文)定稿2011.6.6 至 2011.6.12(5)主审教师评定毕业设计(论文)2011.6.13 至 2011.6.19(6)五、毕业设计(论文)答辩 参考文献2011.6.21至 2011.6.261 王志良，夏明芳，于鑫，等安全饮用水保障处理中试平台的开发和建设J.污染防治技术,2007,20(1):21-24.2 李景芳我国饮用水深度处理技术现状及发展趋势J.齐鲁石油化工，2005,33(3): 218-220.3 刘秉涛,徐菲,娄渊知.饮用水深度处理技术现状及

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