（模式识别与智能系统专业论文）污水回用微滤处理性能研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 目前，城市水资源短缺已经严重影响和制约了我国经济社会的发展。解决这一现 状最有效的方法就是污水回用。但是，传统的污水回用处理技术存在着技术流程复杂、 出水水质不稳定、容易产生副产物、水质安全性保障不够等问题。基于传统污水回用 处理技术存在的这些问题，本课题采用微滤膜作为污水回用的深度处理工艺对再生水 进行深度处理，研究其可行性，以解决传统工艺存在的以上问题。 本课题以山东建筑大学中水站曝气生物滤池最终出水为原水，通过微滤膜过滤技 术对其进行深度处理，参照国家城市杂用水水质标准( g b 厂r 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 的要求， 研究了微滤膜工艺的运行参数，出水水质及出水水质安全性，并对膜污染进行了分析， 通过分析选择合适的清洗方法对膜进行了清洗。研究结果表明： 1 、微滤膜工艺运行参数的选择是很重要的。试验分析了微滤膜在不同温度、工作 压力及流量下微滤膜渗透通量的变化情况。试验结果表明，微滤膜在低温状态下运行 渗透通量下降很快；在低操作压力下运行，运行周期缩短，反之，若压力过高，不但 动力消耗大，而且膜易产生压实现象；微滤膜进水流量应选择适中不能太大或太小。 2 、微滤膜出水水质稳定，对浊度的去除率在9 0 以上，出水浊度 i n t u 。对色度 的去除率为2 5 左右。对氨氮的去除效果不理想，去除率在2 7 8 3 3 0 左右。对 c o d c ，的去除效果也不是很理想，去除率为3 0 左右，对大肠杆菌的去除效果明显， 去除率达到9 9 。 3 、试验通过建立滤饼层过滤模型和膜孔窄化模型，探讨不同的操作条件对膜污染 的影响。研究发现，在大通量，高操作压力下运行，膜的污染速度很快，而且易形成 不可逆的污染。试验比较了不同清洗方法对膜的清洗效果，发现使用碱性清洗液效果 最好。 4 、试验通过建立对数正态分布模型，对再生水的安全性做了研究。研究发现曝气 生物滤池用于再生水回用时，安全保障率基本为0 ，对人体健康存在危害，不符合要求。 而经过微滤膜处理后的再生水，安全保障率达到了9 9 9 ，符合城市杂用水水质标准 g b 厂r 18 9 2 0 2 0 0 2 ) ) 的要求。 关键词：污水回用，微滤膜，大肠杆菌，膜污染，水质安全 山东建筑大学硕士学位论文 t h ep e r f o r m a n c eo fm ft r e a t m e n tf o rt h ew a s t e w a t e rr e u s e w a n g w e i ( c o l l e g eo fe n v i r o n m e n t a la n dm u n i c i p i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h e nw e n b i n g a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m i ca n ds o c i e t y w a ss e v e r e l ya f f e c t e da n dh 锄p e r 。d b yt h ew a t e rs h o r t a g e a tp r e s e n t , t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h em o s te f f e c t i v ew a yi s w a s t e w a t e rr e u s e h o w e v e r ，t h e r ew e r es o m ep r o b l e m si nc o n v e n t i o n a ls e w a g et r e a t m e n t t e c h n o l o g y , s u c h 弱c o m p l e xt e c h n i c a lp r o c e s s ，u n s t a b l ew a t e rq u a l i t y ，e a s yt op r o d u c eb y p r o d u c t sa n di n s u f f i c i e n tp r o t e c t i o no fw a t e rq u a l i t ya n ds a f e t yi s s u e s b a s e do nt h e s e p r o b l e m sw h i c hw a sg e n e r a t e db yt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e so fw a s t e w a t e rr e u s e ，w e a d o p t e dam i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ea st h ea d v a n c e dt r e a t m e n tf o r 喇u v e n a t e dw a t e r , a n d e v a l u a t e dt h ef e a s i b i l i t yt os o l v et h ee x i s tp r o b l e m so c c u r r e di nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s t h es u b j e c ta d o p t e dt h ee f f l u e n tf r o mt h eb a fi ns h a n d o n gj i a n z h uu n i v e r s i t ya st h e r a w - w a t e r ，a n da c t u a l i z e dt h ea d v a n c e dt r e a t m e n tb ym i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ef i l t e r t e c h n o l o g y ，r e f e r r e dt ot h e u r b a nm i s c e l l a n e o u sw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ”( g b t 1 8 9 2 0 - 2 0 0 2 ) t h es u b j e c tw a ss t u d i e dt h em i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ep r o c e s so p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，w a t e r q u a l i t ya n ds a f e t y ，s o m ea n a l y s i sa b o u tt h em e m b r a n ec o n t a m i n a t i o nw a sc a r r i e do u t ，t h e s u i t a b l ec l e a n i n gm e t h o d sf o rm e m b r a n ec l e a n i n gd e r i v e df r o mt h ea n a l y s i sw a ss e l e c t e d t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a t ： i t i s v e r yi m p o r t a n t f o r t h es e l e c t i o no fm i c r o - f i l t r a t i o n o p e r a t i o np a r a m e t e r e x p e r i m e n t a la n a l y s i so ft h em i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ea t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，w o r k u n d e rp r e s s u r ea n df l o wm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ef l u xc h a n g e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tl o w - t e m p e r a t u r em i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n ei nas t a t eo ff l u xd e c l i n et or u nf a s t , s l o wc h a n g e si nf l u xa tl o wo p e r a t i n gp r e s s u r et or u n , r u nt os h o r t e nt h ec y c l e ，o nt h e c o n t r a r y , i ft h ep r e s s u r ei st o oh i 曲，n o to n l yl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a n d p r e s s u r ea se a s yt oa c h i e v e m i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rf l o ws h o u l db em o d e r a t et o c h o o s en o tt o ob i go rt o os m a l l n 山东建筑大学硕士学位论文 t h ew a t e rq u a l i t yo fo u t f l u e n tf r o mt h em i c r o f i l t r a t i o ni ss t a b i l i t y t h er e m o v a lo f t u r b i d i t yi sm o r et h a n9 0 ，a n dt h ee f f l u e n tt u r b i d i t y i n t u t h er e m o v a lo fc h r o m a t i c i t y i sa b o u t2 5 t h er e m o v a lo fn i t r o g e nr e s u l ti sn o ts a t i s f a c t o r y , t h er e m o v a lr a t ea t2 7 8 - - 3 3 0 r e m o v a lo fc o d c ri sn o tv e r ys a t i s f a c t o r y , a b o u t3 0 t h er e m o v a lr a t ef o rt h e e f f e c t i v er e m o v a lo fe e o l i ，t h er e m o v a lr a t er e a c h e d9 9 t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fe x p e r i m e n t a lm o d e la n dt h ef i l t e rc a k el a y e rp o r e n a r r o w i n gm o d e lt oe x p l o r et h ed i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so nm e m b r a n ef o t a i n g t h e s t u d yf o u n dt h a ti nt h ef l u xa n dh i g ho p e r a t i n gp r e s s u r er u n , t h ec o n t a m i n a t e dm e m b r a n ef a s t , e a s yt of o r ma n di r r e v e r s i b l ep o l l u t i o n e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm e t h o d so f c l e a n s i n gt h ec l e a n s i n ge f f e c to f t h ef i l ma n df o u n dt h a tt h eu s eo ft h eb e s ta l k a l i n ec l e a n i n g l i q u i d t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee x p e r i m e n t a ll o g - n o r m a ld i s t r i b u t i o nm o d e l ，o nt h e s a f e t yo fr e c l a i m e dw a t e rs t u d yd o n e t h es t u d yf o u n dad i r e c to u t l e to ft h ew a t e rs t a t i o n sf o r t h er e u s eo f r e c l a i m e dw a t e r , t h er a t eo f b a s i cs e c u r i t yi s0 ，t h ee x i s t e n c eo f h a z a r d st oh u m a n h e a l t h , d on o tm e e tt h er e q u i r e m e n t a f t e rm i c r o - f i l t r a t i o nm e m b r a n et r e a t m e n t , t h e r e c l a i m e dw a t e r , s e c u r i t yr a t eo f9 9 9p e r c e n t , i nl i n ew i 廿1t h e u r b a nm i s c e l l a n e o u sw a t e r q u a l i t ys t a n d a r d s ”( g b t 18 9 2 0 2 0 0 2 ) r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rr e u s e ，m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，e s c h e r i c h i ae o l i ， m e m b r a n ef o u l i n g ，w a t e rq u a l i t ya n ds a f e t y m 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑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磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑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、缩印或其它手段保存、汇编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：王维日期坦牢：红星 导师签名：j 蚌日期垒气恤 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 污水回用概况 第一章绪论 城市污水回用就是把城市污水经深度处理使之达到一定水质标准后进行有效利 用，它是解决水资源短缺和实现污水资源化的一种有效途径，更是缺水城市势在必行 的重大决策。近些年来世界各国，特别是水资源短缺、城市缺水问题突出的国家，都 出台了关于再生水利用的相关政策和相应的水质标准，极力推广再生水在社会生活中 的应用。可见污水回用已成为社会经济持续发展，解决目前水资源短缺问题的有效手 段之一。 1 1 1 国外污水回用概况 国外城市污水回用己有很长的历史，已经有了丰富的经验，规模也很大，并取得 了相当可观的经济效益和社会效益【l 】。尤其一些经济发达的国家，在经历了高度的工业 化发展过程的同时，迫切感到水资源的宝贵，因而逐步制订了相应的法规，促使城市 污水资源得到合理的再利用。美国早在1 9 5 0 年就对污水深度处理进行了试验研究。其 污水回用工程主要分布于水资源短缺、地下水严重超采的西南部和中南部地区。目前， 美国城市污水回用量达2 6 0 1 0 4 m 3 d ，其污水回用工程项目和回用水量均以农业灌溉 居多，占回用总量的6 2 ；另外，作为工业用水和作高层建筑生活用水的回用水占回 用量的3 0 【2 】。以色列是个严重缺水的国家，在再生水回用方面也是最具特色的国家 之一。它地处干旱和半干旱地区，人均水资源占有量仅为4 7 6 m 3 。早在上世纪6 0 年代， 以色列便把污水回用列为一项国家政策。目前以色列1 0 0 的生活污水和7 2 的城市污 水得到了回用。现有2 0 0 多个污水回用工程，处理后的污水4 2 用于农灌，3 0 用于 地下水回灌，其余用于工业及市政建设等【3 】。而日本由于国土狭小人口众多，人均水 资源占有量低于世界平均水平，人均降雨量仅为世界平均降雨量的1 5 ，水资源严重短 缺，这种情况与其高度发达的经济和国民生产总值是不相称的，因此节约用水一直受 到日本全社会的关注，污水再生利用技术的研究及工程的建设也开展得较早。日本以 有较多的中水系统供生活杂用而著称，约占中水回用量的4 0 。早在1 9 9 1 年就有8 7 6 个公共污水处理厂在运行，其中每年大约有9 9 个污水处理厂出水得到利用。现在日本 已建立了约1 4 0 0 座的中水处理设施【4 】。巴西的圣保罗市在利用城市中水灌溉公园、冲 刷卫生间、冲洗道路、汽车以及净化空气和美化环境方面都取得了较大的成功【5 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 2 国内污水回用概况 我国的污水回用起步虽然比较晚，但是发展速度较快。主要原因在于随着经济发 展和城市化进程的加快，城市污水排放量不断增加，而我国污水厂数量不足再加上有 不少污水处理站的污水处理不符合标准。随着污水排放量的增加，那些未经处理或仅 经过简单处理的废水都直接排放到湖泊和河流，不仅造成了对河、湖水体的严重污染， 而且使大量的淡水资源被浪费。同时由于我国淡水资源的分布随地域和季节有很大的 差别，缺水问题更加严峻，严重影响到了我国社会经济的发展。因此，国家面对水资 源的严峻形势采取了多种措施来缓解水的危机，其中最重要的措施就是污水再生利用。 我国的再生水利用理论研究和实践经历了“六五”期间的起步阶段( 1 9 8 0 - 1 9 8 5 ) ，“七五” 到“九五”期间的技术储备和示范工程引导阶段( 1 9 8 6 - - - , 2 0 0 0 ) 和“十五”( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 的发展阶段，特别是在“十五”期间，再生水利用被写进了“十五”规划的纲要中。虽然污 水回用在“六五”期间就已经提出，但从“七五”到“九五”期间，由于受管理体制及工程资 金的限制，全国污水再生利用工程建设很少，污水再生利用没有得到大范围的推广。 我国第一个污水回用示范工程是于1 9 9 2 年在大连市投产运行的，该工程以污水处理厂 二级出水为水源，增建深度处理设施和输水管道，而且污水深度处理成本比自来水成 本低，具有较好的经济效益【6 】。在十五期间由于国家出台了关于再生水利用的相关政策， 我国污水回用发展迅速，到十五末期，我国已经投产的城市污水回用工程约有5 0 多个， 污水回用量达到了4 0 亿立方米【7 1 。其中，著名的北京高碑店污水处理厂再生水回用工 程便是在“十五”期间( 2 0 0 1 年6 月) 投入使用的，该处理厂对处理水的回用已作出近 期3 0 万吨日、远期4 7 万吨日的规划方案。目前，我国正处于“十一”五规划中，在“十 一五”规划中明确提出了将污水处理率由2 0 提高到8 0 ( 重点城市污水处理率，一般 城市污水处理率为7 0 ) 的目标。为此，国家向污水行业投入了9 0 0 亿元的资金m 】， 截至到2 0 0 8 年6 月，我国的污水处理厂有1 0 4 0 座，新建的有1 0 0 0 座，获批的有8 0 0 个，差不多增加了一倍多，同时获批的污水处理厂一般都包含有污水回用工程，这为 再生水的回用提供了空前的发展机遇。 1 2 污水回用技术概述 污水回用的类型主要包括城镇杂用、地下水回补、景观娱乐、工业冷却等几个方 面，与居住区相关的应用包括园林绿化、运动场浇洒、冲洗厕所、车辆清洗、街道清 扫、景观娱乐用水等，其再生水使用方式包括高压喷灌、低压滴灌、低压微灌、高压 2 山东建筑大学硕士学位论文 冲洗喷洒、水体娱乐等【9 】。可见，污水回用在我们社会什么的各个方面都存在，是城市 水资源节约利用不可或缺的一部分。目前，污水回用技术主要有以下几种： 1 、传统处理方法是通过在污水中预先投加混凝剂，在混凝剂的溶解和水解产物作 用下，使水中的胶体污染物和细微悬浮物脱稳并聚集成具有可分离性的絮凝体，通过 重力沉淀和常规过滤加以去除的过程【lo 】。采用传统处理方法对二级出水进行处理，可 使浊度降至0 1 2n t u ，总磷降至o 1r n g l ，b o d 浓度降至1 - - 2 5 m g l ，t o c 浓度 降至4 2 - 4 5 m g l ，有效降低细菌和病毒含量，但对氨氮去除效果较差，最佳的p h 值是6 - 6 5 t 1 1 】。 2 、生物过滤技术是人们模仿土壤自狰过程而创造出来的，目前在污水回用领域应 用越来越广泛。该技术充分利用了滤池中滤料的拦截作用和滤料上附着生物膜的降解 作用，能有效地将二沉池出水中未能去除的大多数物质加以去除，极大限度地降低浊 度并减少后续消毒费用。滤池的滤料对处理效果的影响较大，目前应用较新的滤料有 陶粒滤料、纤维球滤料和瓷砂滤料等【1 2 1 。 3 、消毒处理是污水回用过程中必须考虑的工艺步骤之一，具有非常重要的作用。 常见的消毒方法主要有物理法和化学法。物理方法主要有加热、冷冻、辐照、紫外线 和微波消毒等，但目前最常用的还是使用化学试剂的化学方法。常用的化学消毒剂有 多种氧化剂( 氯、臭氧、嗅、碘、高锰酸钾等) 、某些重金属离子( 银、铜等) 及阳离子型 表面活性剂等。其中氯价格便宜、消毒可靠又有成熟经验，是应用最广的消毒剂。但 自从人们发现氯消毒会产生致癌物质等不良副作用后，对其使用越来越谨慎。经过研 究发现，臭氧是可替代氯的有前途的消毒剂，除了可以利用其强氧化作用杀灭细菌和 病毒之外，还可以氧化分解水中的各种杂质，能有效去除水中的色、臭、昧。大量研 究结果表明【1 3 1 ，预臭氧加传统处理可去除4 5 的t h m s ( = 氯代甲烷) 前体，5 5 的紫外 线( u v ) 消光值，5 5 的色度及8 0 的c o d 。 4 、活性炭具有巨大的比表面积，在污水的深度处理中是应用最广泛和最有效的方 法之一，可有效去除残存的有机物、胶体粒子、微生物、余氯、痕量重金属，并可用 来脱色、除臭。活性炭一般用在生物处理之后，为延长活性炭工作周期，常在炭柱进 行过滤，处理典型流程为：原水、预处理、生物处理、过滤、活性炭吸附、消毒、排 水【1 4 1 。 5 、膜法水处理技术是一种物理分离过程，它是靠压力为推动力进行过滤的处理技 术，最早主要应用于饮用水处理工艺。近年来，由于膜材料和膜技术的发展，国内外 山东建筑大学硕士学位论文 水处理专家将膜分离技术大量引入到污水处理中。由于膜分离技术与传统的污水深度 处理工艺相比，具有流程较简单，滤出水品质高，处理效果稳定可靠的特点，使其越 来越广泛的应用于水处理行业，成为传统工艺的替代【1 5 】。例如，我国的“十五 科技 攻关重点项目“工业节水及膜法海水淡化技术开发中 将膜法处理及回用电镀废水作 为重点开发项卧1 6 1 。 目前常见的几种膜分离法主要有：微孔过滤( m i c r o f i l t r a t i o n ) 、超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ) 、 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ) 、渗析( d i a l y s i s ) 、电渗析( e l e e t r o d i a l y s i s ) 、渗透蒸发 ( p e r v a p a r a t i o n ) 液膜l i q u i dm e m b r a n e ) 等，现将这几种主要膜分离的特点归纳于表1 1 中【1 7 1 8 】 表1 i 几种主要的膜分离法特点 过程 动力 传质机理 透过物截留物膜类型 压力差多空膜、非对 微滤颗粒大小、形状水、溶剂溶解物悬浮颗粒、纤维 约l o o k m p a称膜 压力差分子特征、大 水、溶剂、分子及 生物制品、胶体、 超滤小分子 大分子 非对称膜 0 1 1 o m p a 小、形状 ( m w l 0 0 0 ( m w 1 0 0 0 )子交换 电解质离子的非电解质大分子 电渗析电位差电解质离子离子交换膜 选择性传递物质 压力差气体和蒸汽的渗透性的气体和难渗透性气体和均质膜、复合 气体分离 1 1 0 a 扩散渗透蒸汽蒸汽膜、非对称膜 浓度差选择性传递( 物溶质或溶剂( 易渗溶质或溶剂( 难渗均质膜、复合 渗透蒸发 ( 分压差)性差异)透组分的蒸汽)透组分的蒸汽)膜、非对称膜 化学反应和反应促进和浓溶质( 电解质离 液膜溶剂( 非电解质)液膜 浓度差度传递子) 1 3 微滤技术在污水回用中的应用 1 3 1 微滤技术概述 微滤膜【1 9 】( 亦称微孔膜、微过滤滤膜) 分离过程是在流体压力差的作用下，利用膜对 被分离组分的尺寸选择性，将膜孔能截留的微粒及大分子溶质截留，而使膜孔不能截 留的粒子或小分子溶质透过膜。微滤膜截留作用主要是依靠滤饼层内颗粒的架桥作用 等机理，而不是直接利用过滤介质的扎隙筛分截留的。与常规过滤相比，微滤属于精 山东建筑大学硕士学位论文 密过滤。 1 3 2 微滤膜过滤机理 微滤过程主要应用于分离大分子、胶体粒子、蛋白质以及其他微粒，它们的分离 机理是根据分子或微粒的物理化学性能、所使用膜的物理化学性能和它们的相互作用 ( 如大小、形状和电性能) 不同而实现分离的。微滤分离的过程一船经历以下几个阶 段：1 ) 过滤初始阶段，比膜孔径大的粒子被截留在膜的表面，而比膜孔径小的粒子进入 膜孔，其中一些粒子由于各种力的作用而被吸附于膜孔径内，减小了膜孔的有效直径； 2 ) 过滤中期阶段，微粒开始在膜表面形成滤饼层，膜孔内吸附逐渐趋于饱和；3 ) 过滤后 期阶段，随着更多微粒在膜表面被截曲，膜孔内吸附也趋于饱和，微粒开始堵塞膜孔， 最终使膜通量趋于稳定继而不断下降。 对于上面所说的微滤过程，不同的过程对应了微滤膜不同的截留机理。前人通过 电镜观察，认为微滤膜的截留机理可以分为以下几种，如图1 2 所示【2 0 】： 瀛 _ 一机械截留一吸附截爵_ 卜架桥截爵_ 1 ( a ) 在膜表层截留( b ) 在膜内部的网络中截留 图1 2 微滤膜截留机理 1 、机械截留作用：是指具有截留比其孔径大或者与其孔径相当的微粒等杂质的 作用，即筛分作用。 2 、物理作用或吸附截留作用。 3 、架桥作用。通过电镜可以观察到，在孔的入口处，微粒因为架桥作用也同样 可被截留。 4 、网络型膜的网络内部截留作用。这种截留作用是将微粒截留在膜的内部，而 不是在膜的表面。 由此可见，对滤膜的截留作用来说，机械作用固然重要，但微粒等杂质与孔壁 之间的相互作用有时较其孔径的大小显得更为重要。对于表面层截留( 表面型) 而言， 其过程接近于绝对过滤，易清洗，但杂质捕捉量相对于深度型较少；而对于膜内部 霾 山东建筑大学硕士学位论文 截留( 深度型) 而言，其( 深度型) 过程接近于公称值过滤，杂质捕捉量较多，但不易清 洗，多属于毕废弃型。完全表面型及完全深度型过滤的压降、流速与使用时间的关 系见图1 3 i 2 1 1 。 压降 1 3 3 微滤膜的过滤方式 压降 图1 3 流速与使用时间关系图 使用时间 微滤膜过滤工艺可以分为两种模式：静态死端过滤和动态错流过滤，如图1 4 所 示。死端过滤是指随着过滤的进行，膜的渗透率逐渐下降，滤饼层阻力也随着增加。 而错流过滤是指滤液沿膜面流动防止了颗粒在膜表面的沉积，所以膜的渗透下降只是 在运行之后，不过很快达到平衡。在这种情况下，泥饼层厚度也达到平衡。两种模式 的污染阻力增加与渗透体积成比例。另外，错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力 能促进膜表面被截留物质向流体主体的反向运动，从而提高过滤速度r 2 2 。错流过滤中， 一部分颗粒物质被膜排斥保持悬浮态，限制了滤饼层的形成和膜的可逆污梨2 3 j 。 死端过滤 膜 图1 4 微滤膜过滤方式 错流过滤 1 3 4 微滤膜在污水回用中的发展状况 微滤膜技术在污水治理及回用中作为一项实用技术，其优点是1 ) 出水水质好且稳 定；2 ) 处理装置紧凑；3 ) 可以去除细菌等微生物；4 ) 处理水中可以不添加混凝剂， 因此无化学污泥产生；5 ) 系统中需要处理的污泥量大大降低，在某些情况下，可以省 透 一 ，；，j膜 i ll 蠡爨蠢n f f 一 一 山东建筑大学硕士学位论文 去建造二沉池；6 ) 处理规模较小的系统其成本比一般处理工艺低【2 4 1 。m f 膜所具有的 这些优点是其成为生活污水回用处理研究热点的原因 2 5 1 。有文献 2 6 1 对微滤膜在污水回 用中的应用做了大量的研究，实验采用o 1 微米的中空纤维膜，处理后的污水满足回用 水标准。 m f 膜技术应用在我国起步较晚，目前已成功应用于工业废水的回收利用中，在生 活污水回用处理中的研究应用还较少。我国大部分城市虽然建有污水处理厂，但对于 我国北方缺水的城市来说，二级生化污水直接排放势必造成极大的浪费。因此，采用 m f 膜技术再生回用二级生化出水具有很大的空间及应用价值。目前国内研究人员采用 m f 技术对城市污水进行再生回用处理，例如对飞机场污水再生回用的实验表明，微滤 膜对浊度和有机物的去除率分别为8 0 和4 5 - - - 7 0 2 7 1 。天津以纪庄子污水处理厂二 沉池出水作为再生水原水，采用m f 膜过滤技术进行处理，建成总供水能力为5 0 0 0 0 m 3 d 污水回用工程 2 8 】。大连开发区排水管理有限公司也采用m f 膜过滤技术对其污水厂二 沉池出水进行处理，建成了8 0 0 m 3 d 的再生水深度处理工程【2 9 】。 国外对m f 膜技术用于再生水回用的研究开展的比较早，已经有很多工程实例。 从2 0 世纪7 0 年代末期美国就开始利用膜技术对市政废水进行深度处理【3 0 1 。1 9 9 7 年 开始的地下水补充计划，采用微滤作为再生水高级处理的工艺，生产的再生水回注地 下以补充地下水。菲律宾将m f 膜技术应用到其一旅游海岛的在生水处理中，处理后 的水达到了中水回用标准，可用于冲厕和浇灌【3 1 】。日本、德国等过家也研究了m f 膜 用于再生水回用的技术，并应用到了实际再生水回用工程当中去，取得了良好的处理 效果【3 2 】。 1 4 课题的提出 目前，应用于污水回用再生深度处理的传统技术主要存在工艺流程复杂、处理效 果不稳定、容易产生副产物及水质安全性保障不够等问题。基于这些问题，实验以微 滤膜工艺作为再生水处理技术，研究其在污水回用中的可行性。主要实验内容如下所 述 l 、通过实验确定微滤膜组件的最佳工况，对中水站出水进行过滤，检测浊度、氨 氮、c o d c ，、大肠杆菌的变化情况，同时观察微滤工艺产水率情况。 2 、对于膜污染的研究主要采用在实验基础上建立微滤膜的滤饼层模型和膜孔窄化 模型的方法进行对膜污染进行分析，并对膜的清洗方法进行研究。 7 山东建筑大学硕士学位论文 3 、根据m f 处理技术的出水水质中大肠菌群数，建立正态模型，来分析再生水回 用的水质安全性。 通过实验研究微滤膜工艺在再生水处理及再生水安全保障性方面的可行性，为提 高我国污水回用技术水平，促进污水回用事业的发展，解决我国水资源短缺现状，提 供一定的技术参考。 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 试验内容及目的 第二章试验内容和实验仪器 本课题主要应用微滤装置作为再生水回用处理工艺，对山东建筑大学内中水站出 水进行处理，并参照国家杂用水水质标准，研究微滤膜对水的处理情况及微滤膜处理 出水的水质安全性。从微滤膜过滤的出水水质、膜的运行情况和膜污染的特征及处理 后出水的水质安全性三个方面进行监测。 1 、监测反应器出水的浊度、色度、氨氮、c o d c ，、大肠杆菌的变化情况，考察工 艺的处理效果。 2 、考察不同温度、工作压力、进水流量等运行条件对渗透通量的影响。 3 、对于膜污染的研究主要采用在实验基础上建立微滤膜的滤饼层模型和膜孔窄化 模型的方法对膜污染进行分析，并对膜的清洗方法进行研究。 4 、根据m f 处理技术的出水水质中大肠菌群数，建立正态模型，来分析再生水回 用的水质安全性。 2 2 实验装置及工艺流程见下图： 本实验所采用的微滤膜为改性p v c ，其参数如表2 1 所示；实验装置及流程图如图 2 1 所示。实验采用恒压进水的方式，即保持进水泵压力不变，通过改变流量来进行实 验。 流量仪压力表 原水箱 增压泵 精 b l c 7 0 7 5 图2 1 实验装置图 9 压力表 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 实验用微滤膜参数表 技术参数表 障幺幺材盾 改性p v c 膜幺幺内外释0 9 1 6 6 r n m 膜圣幺切割分- v - 量 l o 万道尔顿 使用的p h 值范围 2 1 2 使用的温度范围 5 - 4 5 渡芯埴菇蹲垒幺数量 6 0 0 根 滤芯有效膜内压面积0 4 0 平方米 滤芯过滤方式内压式 滤芯纯水通量( 0 2 m p a ，2 51 2 ) 1 0 0 l h 2 3 实验分析方法 实验分析方法如表2 2 所示 表2 2 主要检测指标的分析方法及仪器 测试项目分析方法备注 浊度浊度仪w g z 1 0 0 型散射式光电浊度仪 色度铂钴标准比色法水和废水监测分析方法 氨氮纳氏试剂分光光度法水和废水监测分析方法 c o d 重铬酸钾氧化法水和废水监测分析方法 大肠杆菌滤膜法水和废水监测分析方法 温度温度计水和废水监测分析方法 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 第三章微滤膜工艺运行参数及处理效果分析 3 1 实验原水水质 实验在山东建筑大学水处理实验室内进行，原水为学校中水站曝气生物滤池出水， 中水站的出水水质如表3 1 所示 表3 1 曝气生物滤池出水水质 水质标注 水温( )浊度( n t u ) 色度( e u ) 氨氮( r a g l )c o d c f p h 值 平均值 2 05 55 02 93 07 8 9 波动范围 1 5 - - - 2 44 - - 74 9 5 52 8 3 02 6 3 46 6 7 1 0 2 5 3 2 、微滤膜工艺运行参数的研究 实验采用比渗透通量k w 作为工艺运行情况的衡量指标，对工艺运行参数( 温度、 运行压力、流量) 进行了分析。使用比渗透通量k 。作为标准进行工艺参数的分析，主 要原因在于比渗透通量k w ，可在无需保持压力恒定的情况下用来监测膜的状况【3 3 1 。比 渗透通量计算式为： e 2 南2 乏 ， 式中： k w ：比渗透通量，l ( h m 2 k p a ) ； q w ：渗透流量，m ； a ：膜面积，内压式膜按其内表面积计算，1 1 1 2 ； 昂渗透通量，l ( h m 2 ) ； p m ：半透膜压，k p m 另外实验所用到跨膜压差计算公式为 t m p = ( p l + p 2 ) 2 一p 3 ( 3 - 2 ) 式中： t m p ：跨膜压差； p 1 ：膜组件进口处压力； p 2 ：膜组件出口处压力； p 3 ：产品水或渗透液处的压力； 本实验中p 3 读数为零。 山东建筑大学硕士学位论文 3 2 1 温度对微滤膜工艺的影响 由于实验是在不同季节完成的，因此温度的影响是不得不考虑的。实验选取了i o c 和2 0 c 两个温度进行实验。实验采用比渗透通量k w 来分析。不同温度下的渗透通量 的变化如图3 1 所示 135791 11 31 51 71 9 2 1 过滤体积( l ) 图3 1 过滤温度对微滤膜性能影响图 从图3 1 可以看出，温度对渗透通量的影响变化很大，温度低时，通量下降的很快， 这是因为温度降低，溶液粘度增加使溶质扩散系数减小，故通量减小。 3 2 2 运行压力对微滤膜工艺的影响 实验选取微滤膜的工作压力分别为o 0 3 m p a ，o 0 6 m p a ，o 1 m p a 。实验结果如图 3 2 所示 12 3 4 5 678 91 01 11 2 1 31 4 时间( m i n ) 图3 2 不同运行压力对渗透通量的影响 从图3 2 可以看出，在操作压力为o 0 3 m p a ，o 0 6 m p a ，0 1 m p a 三个操作压力当中， 微滤膜组件在操作压力为o 0 3 m p a 时最先出现渗透通量稳定的现象，其次是o 0 6 m p a ， 而在o 1 m p a 时，渗透通量为直线下降，没有出现渗透通量稳定的现象。因此，我们可 1 2 删目黎 山东建筑大学硕士学位论文 以做如下分析，膜组件在低操作压力下运行，运行周期( 膜运行周期指开始运行到出 水通量保持不变) 为止缩短，反之，若压力过高，不但动力消耗大，而且膜易产生压 实现像，不易将堵塞膜孔的物质清洗掉，影响膜下一个阶段的运行，甚至形成凝胶化 现象。因此存在一临界压力。临界压力是在微滤膜透水率变得与静压力无关，而凝胶 层刚开始形成这一点的压力，因为此时，再增加压力只会增加凝胶层的厚度和致密性， 而不会增加透水率。 3 2 3 不同流量下渗透通量的变化 实验分别在l o i m a ，1 5 l h ，2 0 l h 三个不同流量下进行实验，观察渗透通量的变化 情况，如图3 3 所示 13 57 91 1 1 3 1 51 7 1 9 2 1 时间( m i n ) 图3 3 不同流量下渗透通量的变化情况图 通过图3 3 可以看出不同进水流量下渗透通量的变化情况很不相同。在进水流量为 l o l h 时，渗透通量的变化是较为平缓的，而在进水流量为1 3 l h ，1 5 l h 时，渗透通 量变化曲线一开始就出现了陡坡，下降剧烈。在产水率方面，两个较大流量开始时的 渗透通量都要高于小流量下的渗透通量，但随着时间的推移小流量下渗透通量逐步超 过两个大流量下的渗透通量，即小流量下产水率在长时间运行条件下要高于大流量下 的产水率。因此，为了保证微滤膜在产水率方面的可靠性，要选择在合适的流量条件 下进行工作。 3 3 微滤膜工艺运行效果分析 通过对微滤膜工艺运行参数的分析可以看出微滤膜组件在操作压力为o 0 6 m p a ， 进水流量在l o l h 的运行条件下运行效果最佳，因此，我们在最佳运行条件下研究了 4 2 1 8 6 4 2 o 1 l o 0 0 o 嘲目黎 山东建筑大学硕士学位论文 微滤膜工艺对中水站出水的处理效果。 3 3 1 对浊度的去除效果 浊度是衡量水的光透射率的方法，是用于标示排放废水和天然水水质在胶体和残 留悬浮物方面的一项检测。浊度是由于水中含有泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游 生物和微生物等悬浮物质所造成的。实验通过微滤膜组件对中水站出水进行处理，处 理后浊度变化如图3 4 所示： l234567891 0 时间( d ) 9 2 5 9 2 9 1 5 9 1 艺 9 0 5 萋 9 0 稍 8 9 5 8 9 图3 4 浊厦去除效果图 从图3 4 可以看出尽管原水浊度变化较大，但是经过微滤膜处理后，出水浊度平稳， 整体出水浊度 i n t u ，对浊度的去除率在9 0 以上，处理效果良好，满足城市杂用 水水质控制标准( g b t18 9 2 0 2 0 0 2 ) 的要求。 3 3 2 对色度的去除效果 图3 5 是微滤过程中，进出水色度及色度的去除率随时间的变化情况。 8 7 6 5 4 3 2 l 0 一。宝一毯爱 山东建筑大学硕士学位论文 1234567891 0 时间( d ) 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 ； 2 5 龉 2 4 鬟 2 3 2 2 2 1 2 0 图3 5 色度去除效果图 有图3 5 可知，原水的平均色度在5 0 左右，微滤膜处理出水的色度为3 8 左右，微 滤膜对色度的去除率在2 5 左右，对色度的去除效果不好。原因如下所述，水中的色 度分为真色度和表观色度两种，前者是除去水中悬浮固体测得的色度，后者是水样直 接测得的色度。污水中色度主要是由不同种类的有机物引起的，其次是一些无机盐类。 因此，当污水经过曝气生物滤池时，由微生物的作用将有机物进行吸附截留与氧化分 解，去除了一定的色度。实验所用水为曝气生物滤池出水，水中所含有机物量少，主 要是一些无机盐离子，而微滤膜对色度的去除主