（模式识别与智能系统专业论文）浸没式超滤膜及其组合工艺处理微污染原水中试研究.pdf

】 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丑竖立三些太堂或其它教育机构 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。 始粕 关于论文使用授权的说明 日期：2 咀0 5 塑 本人完全了解j e 立王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢芦稻翩虢扔吼一 一 摘要 摘要 饮用水水源的恶化和水污染事件以及饮用水水质标准的提高，使得对饮用水 处理技术和水质安全的要求提高到了一个新的水平，研发和应用新的技术与工艺 是当前水处理工作者亟须解决的重要问题。近年来膜技术得到了快速的发展和广 泛应用，其中超滤技术在饮用水领域中最具大规模应用前景。 本文采用微污染原水研究了以浸没式外压中空纤维超滤膜为核心的组合工 艺的除污染效能、膜污染及影响因素，主要针对膜材料的选择、超滤工艺、粉末 活性炭一超滤组合工艺三个方面展开研究，得到了大量实际运行数据和参数，为 超滤工艺的实际应用提供了有价值的参考。 对p v c 和p v d f 两种超滤膜的试验结果表明，p v c 超滤膜的除污染效能明 显优于p v d f 超滤膜，但抗污染特性却略低于后者。 得到了在现有原水水质和工况条件下的浸没式p v c 超滤膜临界膜通量。试 验结果表明，对浊度、u v 4 1 0 、氨氮的去除效果与膜通量的大小无关，而c o d m i l 、 u v 2 5 4 的去除率会随着通量的增大而略有下降，但下降幅度不大；曝气和反冲洗 对膜污染都有较好的控制作用。在临界膜通量下连续运行的结果表明，浸没式超 滤膜对浊度的去除效果优异，膜出水浊度均低于o 1 n t u ；对有机物尤其是溶解 性小分子有机物的去除效果不太理想。混合液的浊度随膜滤时间呈线性增长，但 不随膜通量的大小而成倍累积，u v 2 5 4 不随膜滤时间和膜通量的改变而进行累积。 采用混凝沉淀的预处理方式可以有效延缓膜污染；超滤膜经过化学清洗运行压力 可以基本得以完全恢复。 粉末活性炭一超滤组合工艺处理微污染原水的试验表明，通过投加粉末活性 炭可以大幅度提高对有机物的去除效果，弥补单独超滤有机物去除率低的不足。 投炭量越多对有机物的去除率越高，但过高的投炭量反而会加剧膜污染的速率， 试验中的临界投炭量为1 0g l 。 关键词：浸没式超滤膜，粉末活性炭， 膜污染，组合工艺，预处理 北京工、i k 大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d e t e r i o r a t i o no f 越1 1 l ( i n g w a t e rs o u r c e s ，靴l t e r p o l l u t i o ni n c i d e n t sa n d i i i l p r o v 锄e n to f 幽幽n gw a 【t e r 删时s 切n d a r d sm a l ( e s 蛐gw a t e r 仃e a 缸1 1 e n t t e c h i l 0 1 0 9 ya i l dw a t e rs a f e t ) rr e q u 的m e n tr i s et oan e wl e v e l s od e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fn e wt e c h i l o l o g ) ra i l dp r o c e s si su r g e n t l yh n p o 血m ti s s u e st ob er e s o l v e d 士_ o rt h ec 岍e n tw a t e r 骶a 恤e n tw 础粥i nr e c e n ty e a r s ，m e m b 湖et e c l l 】l o g yh a s b e e nr 叩i d l yd e v e l o p e da n d 诚d e l y a p p l i e d 加l dt l l eu l t r a 面l 仃a t i o nt e c h n o l o g yi si 1 1m e m o s tl a 玛e - s c a l ed r i m 血gw a t e r a p p l i c a t i o i l s h l “sp a p e r ，i m m e r s e do u t s i d ep r e s s u r eh o l l o wf i b e ru l t r a f i l 协l t i o nm e m b 姗e t e c l l i l o l o g ya s 廿1 ec o r eo ft 1 1 ec o m b i n e dp r o c e s sw a sa p p l i e dt 0 缸e a t 面c r o p o l l u t e d r a v 旷w a t e r t h er e m o v a lp e 怕n l l a i l c e ，m e m b 啪e 旬u l 迦锄d 疵c t e df a c t o r sw e r e m a i l l l ys t u d i e di i lt h r e ea s p e c t si n c l u d i i l gt h ec h o i c eo fm e m b r a i i em a t e r i a l s ，u f p r o c e s sa 1 1 dp a c u fp r o c e s s al o to fm ea c t u a l o p e r a c i n gd a t aa i l dp a r a m e t e r s p r 0 v i d e d av a j u a b l er e f e r e n c ef o rt h e p r a c t i c a l印p l i c a t i o no fu l 把a 矗l 饥越o n t e c l l l l o l o g y p v ca i l dp v d fm e m b r a l l ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o 、v e dt h a t r e m o v a le f f e c t sw e r e b e 眦rb yp v c - u ft h a l lp v d f u f ，b u ta n t i - p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r es l i g b t l y l o w e rn l a n l el a t t e r t h ec r i t i c a lf l u ) ( o fi i l l m e r s e dp v c u fm e m b r a n e 、a so b t a i n e di nr a ww a t e r q u a i i 锣a n dw o r k i n gc o n d i t i o n e x p e r i m e n tr e s u h ss h o w e dt l l a tt h er e m o v a lo f t u r b i d i t ) ，u v 4 l o ，i l i 仃o g e n 、r ei n d e p e n d e n to fm e m b r a n en u x ，w h i l et h er e m o v a l r a t e so fc o d m l l ，u v 2 5 4 、v o l l l ds l i g h t l yd e c r e a s ea sn l en u xi n c 陀a s i n g ，b u tn o tt o o m u c h a e r 撕o na 1 1 db a c l ( 、v a s t l i i 培h a da g o o de f 毪c to nm e m b r a i l ef i o u i i i l gc o m r 0 1 h 1 c o n t l m l o u s o p e r a t i o nr e s u l t su n d e rt ：h ec r i t i c a lf l u xs h o w e dt l l a ti m m e r s e d u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n eh a de x c e l l e n te f f e c t so nr e m o v a lo ft u r b i d t t 、，w i t l l t 1 1 e m e m b r a n ew a t e rt u r b i d 毋l o w e rt 1 1 a 1 10 1n 7 r u ，b u tw a sn o tu l 】s a t i s 梳t o 巧彻o r g 锄i c m a 惭r e n l o v a l ，e s p e c i a l l yt od i s s 0 1 v e ds m a l lm 0 1 e c u l eo 略a 1 1 i cm a 呛r t h et i l r b i d 蛔 o f 也em i x _ t u r ei n c r e a s e dl i n e a r l y 丽t 1 1f i l 仃a t i o n 缸e ，b u tn o tc 啪u l a t i 耐w i t ht 1 1 es i z e o fn u xd o u b l e d u v 2 5 4o ft h ei i l i 姓鹏w a si n d e p e n d e mo f 位f i l t r a t i o nt i n l ea 1 1 dn u ) 【 c h a i l g i n g p r e t r e a t i n e n tb yc o a g u l a t i o n s e 击m e n t a t i o nc o u l dd e l a yt h em e m h a n e f o u l 啦，a n dc h 锄i c a lc l e 觚i n gc o u l db e 凡l l yr e s t o r e dt h eo p e r a t 地p r e s s 眦et o o r i g i i l a ll e v e l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 c o m b i n e dp r o c e s so fp o 、v d e r e da c t i v a t e dc a r b o n u l 位血l 仃a t i o ne x p e 血n e m s h o 、e d 恤to 唱a n i cr e m o v a lw e r e 乒e a 廿yi m p r o v e db ya d d i i l gp o w d e r e da c t i v a t e d c 打b o n ，m a ：虹n gu pn l el a c ko fu 1 仃a f i l t r a t i o nt or e 】n o v eo r g a i l i cm a t t e r t h em o r ep a c d o s a g em eh i 曲e rr e m o v a l lr a t ew a s ，b u tr a t h e rt h ee x c e s s i v ed o s a g eo fp a cw o u l d i n c r e a s em e m b r a n ef o u l i n gr a t e t h ep a cd o s a g eo f10 9 lw 嬲t l l ec r i t i c a lv a l u ei n t 1 1 es t u d y k e yw o r d s ：h 衄e r s e du l 舰f i l t r a t i o nm 锄b r 趾e ，p o w e r e da c t i v a t e dc a r b o n ， m e m b r a n ef o u l i n g ，c o m b i n e dp r o c e s s ，p r e t r e a 缸n e n t i v 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 超滤膜技术2 1 1 1 超滤原理2 1 1 2 超滤技术特性一2 1 2 超滤膜及其组合工艺的除污染效能及工程应用3 1 2 1 超滤膜除污染效能及工程应用3 1 2 2 超滤组合工艺除污染效能及工程应用一5 1 3 膜污染及其控制方法7 1 3 1 膜污染现象与成因7 1 3 2 膜污染的影响因素一8 1 3 3 膜污染的控制8 1 4 研究意义与研究内容9 1 4 1 课题研究意义9 1 4 2 课题研究内容9 第2 章试验装置与试验方法1 1 2 1 原水水质。1 l 2 2 试验装置与工艺流程1 l 2 2 1 浸没式超滤膜中试装置1 1 2 2 2 工艺流程1 4 2 2 3 工艺参数与运行条件1 5 2 3 分析项目与测定方法16 第3 章p v c 与p v d f 超滤膜处理微污染原水效能比较1 9 3 1 膜种类与膜结构。19 3 1 1 膜种类1 9 3 1 2 膜结构1 9 3 2 除污染效能一2 0 3 2 1 对浊度的去除效能2 0 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 对有机污染物的去除效能2 1 3 3 运行压力的增长特性2 2 3 4 化学清洗2 3 3 5 膜材料的选择2 6 3 6 本章小结一2 6 第4 章浸没式超滤膜处理微污染原水中试研究2 7 4 1 膜通量与运行压力的关系。2 7 4 2 不同通量下超滤膜的运行特性2 8 4 2 1 除污染效能2 8 4 2 2 运行压力的增长特性31 4 2 3 混合液浊度的累积特性3 3 4 2 4 曝气对运行压力的影响3 4 4 2 5 反冲洗对运行压力的影响3 5 4 3 临界通量下超滤膜长期运行特性3 6 4 3 1 除污染效能3 6 4 3 2 运行压力的增长特性3 9 4 3 3 混合液的累积特性4 0 4 4 预处理工艺对超滤膜运行的影响4 1 4 5 化学清洗4 2 4 6 本章小结4 3 第5 章粉末活性炭一超滤处理微污染原水中试研究4 5 5 1 除污染效能4 5 5 1 1 对浊度的去除效能4 5 5 1 2 对有机物的去除效能4 6 5 2 粉末活性炭投量对污染物的去除影响。4 7 5 3 粉术活性炭投量对膜污染的控制及影响。4 8 5 4 本章小结4 9 结论5 l 参考文献5 3 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 9 致谢6 1 第1 章绪论 第1 章绪论 人类为满足各种用水需求，不断超量开采和利用淡水资源，使得全球水环境 不断恶化，严重影响了自然界生态系统的生存和发展。我国水资源状况也不容乐 观，尽管我国是水资源较为丰富的国家之一，但人均占有量却排在世界第8 8 位， 是1 3 个贫水国之j 。淡水资源短缺、污染及用水效率过低的现状还引发了地下 水位下降、近海污染日趋严重等问题，进一步加剧了水资源的供需矛盾，并已成 为制约社会发展的瓶颈。与此同时，随着人民生活水平的日益提高和对健康的重 视，对饮用水水质的要求也不断提高；新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的出台也对饮用水处理技术提出了更高的要求。 然而常规水处理工艺( 混凝一沉淀一过滤一消毒) 在水源受污染的情况下并 不能保证饮用水的水质安全。国内外研究和生产实践表明，常规处理工艺对水中 溶解性有机物的去除率只有2 0 一3 0 。由于溶解性有机物的存在不利于破坏胶体 的稳定而使常规饮用水处理工艺对原水浊度去除效果明显下降。用加大混凝剂投 量的方式来改善处理效果，不仅使水处理成本增加【2 】，同时金属离子浓度的增加 也不利于居民长期饮用。其次，常规水处理工艺对一些新的水质问题也难于应对， 例如“两虫 ( 贾第虫、隐孢子虫) 、水蚤、红虫问题，藻类、臭味及藻毒素、内 分泌干扰物等问题【3 】。第三，在氯化消毒过程中，氯与水中的有机物反应产生的 卤代烷烃及其他副产物都无法在工艺中被去除，虽然其含量很低，但长期饮用也 会对身体健康造成极大危害。第四，常规水处理工艺占地面积庞大，一次性建设 投资费用高，不利于资金合理有效运转。第五，常规水处理工艺对突发水污染事 件的应急功能较差，在突发事件下无法有效保障饮水安全【4 】。这就迫切需要一种 适合时代发展的饮用水深度处理技术，以缓解水资源的短缺状况和污染严重的现 状。 膜技术被称为“二十一世纪的水处理技术 ，在饮用水处理中得到了日益广泛 的应用。膜分离技术以其出水优质稳定、安全性高、占地面积小、容易实现自动 控制等优点【5 】在国外已经发展成为饮用水深度处理的核心技术，欧、美、日等国 家和地区将膜分离技术作为饮用水净化的优选技术【6 】。并且与常规的处理方法相 比，膜处理技术在小水量方面具有明显的优势，无疑成为农村和小城镇水厂的最 佳处理工艺选择。因此用膜处理技术替代常规处理工艺是新的技术增长点l7 j 和必 然的发展趋势。其中应用最为广泛的是超滤膜技术，产值约占整个膜产业2 5 以 u 引。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 超滤膜技术 超滤是介于微滤( m f ) 和纳滤呷) 之间的一种膜滤过程，膜孔径范围为1 姗 ( 接近n f ) 至0 0 5 岬( 接近) ，一般可以分离相对分子质量大于5 0 0 道尔顿 ( d a ) 的大分子和胶体物质，由于这种液体的渗透压很小，因而采用的操作压力 较小，一般为0 1 1 0 m p a 。 1 1 1 超滤原理 超滤是在静压差的推动力作用下进行的液相分离筛分过程，原理如图1 1 所 示。即在一定的压力作用下，当含有高分子溶质和低分子溶质的混合液( 原料液) 流过膜表面时，溶剂和低分子溶质透过膜，成为滤出液被收集，大于膜孔的高分 子溶质则被膜截留而作为浓缩液被回收或排放【1 0 1 。 图1 1 超滤原理示意图 f i g u r e1 - ls c h e m a t i cd i a g r 锄o f u f 膜 但在实际膜滤过程中，膜孔径在分离过程中并不是唯一支配的因素，超滤膜 表面的化学性质也起到了决定性的截留作用【l o 】。因此一般认为超滤膜对溶质的分 离过程主要有以下三种形式【l i 】： ( 1 ) 在膜表面及膜孔壁上产生吸附( 吸附) ； ( 2 ) 粒径大小与膜孔径相仿的溶质在膜孔中停留而被去除( 阻塞) ； ( 3 ) 粒径大于膜孔径的溶质在膜表面被机械截留( 筛分) 。 1 1 2 超滤技术特性 超滤膜技术作为当今研究较为活跃的新型水处理技术，其优势主要为【3 1 2 18 】： ( 1 )绿色物理分离技术，能将水中悬浮物、胶体、大分子有机物、细菌、 病毒、两虫、藻类及水生生物全部去除，保证了水的微生物安全性； 第l 章绪论 ( 2 )浊度去除效果好，降低混凝剂投量使污泥减量，并减少了水中残留药 剂，从而减轻了对水质的二次污染； ( 3 )膜出水只需投加少量消毒剂以保证持续消毒能力，大大减少了消毒副 产物的生成量，从而提高了水的化学安全性； ( 4 )供水规模灵活，可积木式搭建，适用于各种规模的饮用水处理工程， 并且易于改扩建； ( 5 )膜装置的标准化、模块化相对集约，有利于实现水量需求与产量同步， 并可大大缩短施工周期，有利于节省宝贵的土地资源； ( 6 )分离装置简单，运行操作容易，易于自控和维修； ( 7 )投资和运行成本均低于常规饮用水处理工艺； ( 8 )对突发事件具有较好的应急能力。 因此，超滤膜技术优越的性能完全符合新一代净水工艺的要求【1 9 】，是替代常 规水处理工艺的最理想技术之一。 但从国内外的研究表明，超滤的缺点是：对于水中小分子量有机污染物和溶 解性有毒有害无机物( 如氨氮、砷、重金属等) 的去除效果并不理想1 2 0 】，膜较易堵 塞和污染，尤其是高浊度原水对膜的运行会产生较大影响1 2 l j 。 1 2 超滤膜及其组合工艺的除污染效能及工程应用 1 2 1 超滤膜除污染效能及工程应用 通过超滤膜的过滤截留，可以有效降低水中的铁、锰、色度、浊度、细菌含 量，并完全去掉了水中易致病的大肠杆菌。超滤膜对物质的去除主要包括三个 方面，如1 1 1 所述： ( 1 )在膜面及微孔内吸附( 一次吸附) ； ( 2 )在孔中停留而被去除( 阻塞) ； ( 3 )在膜面的机械截留( 筛分) 。 超滤膜对铁离子的去除主要是膜的一次吸附作用，对锰离子的去除主要基于 膜的一次吸附及氢氧化铁絮体的吸附作用。而膜对色度、浊度、细菌的去除主要 是膜的截留和吸附作用。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 1 1 对浊度的去除效能 浊度是反映水中颗粒物浓度的综合指标，表现为浊度的胶体本身不仅是污染 物，而且是水中细菌、病毒等微生物的重要附着载体，出水中浊度过高将明显降 低消毒剂灭活微生物的效能，因此控制低浊度出水至关重要。超滤过程是一个物 理筛分过程，能有效地截留无机颗粒物及大分子有机物等胶体杂质【2 2 1 。国内外对 超滤膜去除饮用水中污染物的试验研究结果表明，超滤膜能够有效地去除悬浮固 体、胶体，试验中出水浊度始终保持在0 2 n t u 以下【2 3 乞5 1 ，这也有效提高后氯化 消毒过程中消毒剂的效能。美国s a r a t o g a 水厂的运行结果表明，虽然原水中的浊 度变化很大，最低时小于1 n t u ，最高时大于2 5 0 n t u ，但出水浊度一直保持在 o 0 5 n t u 以下【2 6 。由此可见，超滤膜出水浊度不受原水浊度的影响【2 7 】，这意味 着可以大大降低混凝剂的投加量，减少水中金属离子浓度，与其他除浊工艺比较， 超滤膜具有对进料浓度波动相对不敏感的优势。 1 2 1 2 对微生物指标的控制效能 水中原生动物和病毒是饮用水处理中面临的难题之一，用常规的消毒方法难 以保证全部灭活致病微生物。j a c a n g e l o 等人1 2 8 j 的研究发现通过中空纤维膜组件 处理后的水，水中的贾第虫和隐孢子虫都在检测限以下，在膜保护完好的情况下， 出水中检测不到原生动物。c 1 i v e 眇1 的研究也表明，超滤膜能去除寄生虫卵，并 能去除最小的病毒脊髓灰质炎病毒。为了提高对病毒的去除率，有人【3 0 】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，此法取得 了较好的效果并在进一步研究中。 1 2 1 3 对有机物的去除效能 超滤膜对水中有机物的去除主要依靠截留、吸附等作用，去除效果与膜孔径 有很大关系。国内外研究证实了由于超滤膜的截留分子量较大，导致它对水中有 机物的去除率不理想【3 1 1 。吴舜泽【3 2 】等人的研究表明超滤膜对水中高锰酸盐指数 和u v 2 5 4 的去除效率分别在o 4 9 和2 0 3 6 之间，出水高锰酸盐指数 ( c o d m l l ) 比较高。l a i n e 等人1 3 3 j 也经实验证实，截留分子量为1 0 0 0 5 0 0 0d a 的 超滤膜去除三卤甲烷( t h m s ) 前驱物效果不是很好。对此问题，l a i n e 等【3 3 】提 出将颗粒活性炭与超滤膜组合，利用颗粒活性炭去除低分子量的溶解性有机物。 实验证明，这种组合能提高出水水质。 检测了总铁、铝的浓度变化，结果表明，水中铁、铝得到了良好的处理效果。薛 罡例等的研究也证明了超滤膜除铁、锰的效率高，两者的去除率均达到8 5 以 上。 1 2 2 超滤组合工艺除污染效能及工程应用 超滤膜直接过滤原水时，会随时间的推移，通量不断下降。这是由于水中微 粒、胶体粒子或溶质大分子在膜表面或膜孔内吸附、沉淀，造成膜孔变小或堵塞 的结果，即膜污染。膜污染不但影响膜的稳定运行，而且还使膜的使用寿命缩短， 增加膜处理的经济费用，是限制膜在水处理领域推广应用的主要障碍。如何控制 和减缓膜污染是近年来国内外研究者最为关注的问题，同时单独应用超滤膜对有 机物的去除效果不理想，因此提出结合其他工艺来解决上述问题。常见的超滤组 合工艺有： 1 2 2 1 混凝超滤组合工艺 国内一些学割3 6 。3 7 1 认为混凝作为预处理对膜污染的缓解作用主要是由于：a ) 混凝预处理使小分子有机物成为微絮体，并在膜表面被截留，减少了进入膜孔的 污染物量；b ) 混凝预处理形成的微絮体改变了膜表面沉积层的性质；c ) 在混凝过 程中絮体颗粒直径增大，导致其在膜表面的传输速度随之增大，从而减轻了有机 物在膜表面的吸附沉积。 应用混凝膜滤组合工艺处理地表水，发现混凝剂采用铁盐和铝盐均可以 提高天然有机物州o m ) 的去除效果，同时减少三氯甲烷前体的形成【3 引。研究【3 9 】 也表明，对有机物的去除效果和控制膜污染与投加混凝剂的种类有关，其中铝盐 混凝剂优于铁盐混凝剂。 1 2 2 2 高级氧化超滤组合工艺 一些高级氧化技术如臭氧氧化、光催化等与超滤膜的组合工艺正在受到广泛 关注。研究表明，在膜前投加臭氧可以减缓膜污染，并且投加量越大，效果越显 著m 。在膜前结合紫外光照、二氧化钛粉木催化，可以使t o c 去除率达到9 0 【4 1 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 3 溶气气浮超滤组合工艺 采用溶气气浮法作为膜前预处理工艺可以去除颗粒物、浊度、腐殖质等有机 物，并能减轻膜污染h 2 1 。 1 2 2 4 生物陶粒柱粉末活性炭超滤组合工艺 将生物陶粒柱和粉末活性炭( p a c ) 用于膜前预处理工艺使高锰酸盐指数去 除率从3 9 1 9 达到7 6 9 7 ，氨氮和亚硝酸盐的平均去除率分别达到了9 5 5 0 和 9 9 1 5 。生物陶粒柱粉末活性炭做预处理使膜过滤阻力下降7 2 。试验表明 生物陶粒柱和粉末活性炭作为膜生物反应器的预处理工艺对减轻超滤膜的膜污 染、维持高比通量具有重要作用【4 3 】。 1 2 2 5 粉末活性炭超滤组合工艺 粉末活性炭超滤组合工艺可以去除有机物或者痕量物质，这种工艺可以 取代常规水处理中的颗粒活性炭吸附或者臭氧技术。超滤膜作为物理屏障阻碍粉 末活性炭的透过，同时粉末活性炭反复吸附水中有机物，它们的协同作用也降低 了有机物对超滤膜表面的吸附。该组合工艺可去除的物质包括有机物、杀虫剂、 除草剂、引起嗅味的物质以及生成消毒副产物的前体物等m 】。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”会议上提出，投加p a c 可 以吸附原水中小分子有机物，改善出水水质，同时也可减缓膜污染【4 5 1 。国外研究 者m j 通过将一定量( 6 1 5 m g l ) 的粉末活性炭投加到超滤膜装置的循环水流中， 组成吸附固液分离工艺流程来处理饮用水。试验表明粉末活性炭可有效吸附水 中低分子量的有机物，使溶解性有机物转移至固相，再利用超滤膜截留去除微粒 的特性，可将低分子量的有机物从水中去除。l o s e p h 等人通过电子显微镜观察证 实此结论，并发现粉末活性炭会在膜面上形成粉末活性炭的滤饼层，能有效避免 膜污染，并且该活性炭层通过反冲洗可被轻易去除【4 7 】。但也有研究认为，活性炭 会造成膜过滤阻力的增加m 引。因此，粉末活性炭对膜污染的影响与其投加量有关， 并非越高越好。 1 2 2 6 膜生物反应器 膜生物反应器( m b r ) 应用于饮用水处理的优势与其在污水处理中相似，通 过生物降解来去除有毒的微污染物质，但由于水质条件差异，微生物生长特性与 第1 章绪论 污水中m b r 工艺有所不同。由于国外饮用水水源水质较好，对此研究报道不多， 国内学者【4 9 。5 2 】研究结果表明，膜生物反应器对c o d m n 、u v 2 5 4 、浊度和氨氮等水 质指标的去除有着优异效果。 综上所述，国内外很多专家学者及水处理工作者对超滤及其组合工艺进行了 大量研究，并在很多方面得出了重要结论，但结论多集中在内压膜工艺，对于浸 没式外压膜及其组合工艺的研究还不够系统深入，且基本处于小试规模，对于实 际应用还需要重要的工艺参数作为参考，来更好的指导和大面积推广超滤膜及其 组合工艺的应用。 1 3 膜污染及其控制方法 1 3 1 膜污染现象与成因 膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化 学作用或机械作用而引起在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔变小或堵塞， 使膜透过流量减小的现象。膜污染不但影响膜的稳定运行，而且还使膜的使用寿 命缩短，增加膜处理的经济费用，膜污染是限制膜在水处理领域推广应用的主要 障碍。 很多研究者认为膜污染的发生过程分为三个阶段，如图l 一2 所示。第一个阶 段是比膜孔径小的颗粒在膜孔内被吸附的过程；第二个阶段是和膜孔径大小相差 不多的颗粒在膜孔中的堵塞过程；第三个阶段是颗粒在膜表面形成滤饼层的沉积 过程。 小于膜孔径的 低分子沉积在 膜孔内部 隧8 与膜孔径相仿 的分子将膜孔 完全堵塞 悬浮颗粒和大分 子沉积在膜表面 形成滤饼层 | j，、 老：遽矛象 图1 2 膜污染机理 f i g u r e1 2m e c h a n i s mo fm e m b r a n ef o u l i n g 膜受到污染的标志是：单位面积过水速率逐步下降，即膜通量下降；通过膜 的压力和膜两侧的压差逐渐增大，即进料压力和运行压力差逐渐增大。 北京丁业大学工学硕士学位论文 1 3 2 膜污染的影响因素 膜污染的影响因素一般包括三个方面：膜材料的特性、混合液性质和膜组件 的运行操作条件。这三个方面在不同情况下影响膜污染，并且对膜污染的影响程 度也有所不同。 膜材料的特性包括膜的材质、孔径大小、孔隙率、粗糙度和亲疏水性等；混 合液性质包括水中的有机物浓度、溶液p h 值、离子强度、电荷组成、颗粒粒径 分布等：膜组件的运行操作条件主要包括：膜通量、运行压力、膜面流速和运行 温度等。 1 3 3 膜污染的控制 为延缓膜污染，提高系统处理能力，降低运行费用，从影响膜污染的因素出 发，可以采取不同措施来预防膜污染。控制方法主要包括【5 3 弼】：( 1 ) 合理选用膜 组件；( 2 ) 对膜表面进行预处理；( 3 ) 对原水进行预处理，改善膜进水特性；( 4 ) 优化运行操作条件。采用上述多种预防措施，也只能在一定程度上延长膜的清洗 周期，因此定期对污染膜进行清洗是十分必要的。膜清洗方式主要有物理清洗、 化学清洗和生物清洗三类。 物理清洗主要是借助于机械力、声波、热力、光等方式清除杂质，从而使膜 的分离性能得以恢复的技术。可分为清水或气水混合液正向冲洗、反向冲洗和水 力运送海绵球去除软质堵塞物及超声波清洗膜面等。 化学清洗是借助于化学试剂的反应、溶解、乳化、分散、吸附等作用清除膜 污染的技术。化学清洗常用的药剂有稀酸、稀碱、酯、表面活性剂、络合剂和氧 化剂等。化学清洗的效果与清洗剂的种类、清洗剂浓度、温度和p h 值等密切相关 【5 6 j o 生物清洗是指通过利用微生物来溶解膜上的污染物质的技术。但由于容易引 起膜发生劣化，目前应用较少【5 7 】。 从上述分析可知，尽量减少基建费用和运行费用，优化系统运行，减轻膜污 染及由此而产生的问题就显得十分必要了。而基于膜技术的组合工艺则是利用不 同的原理，从不同的角度采用多种技术延缓低压膜过程中的膜污染来解决上述问 题；并且在进行运营成本控制的同时提高出水水质，保障饮用水安全。 第1 章绪论 1 4 研究意义与研究内容 1 4 1 课题研究意义 目前我国水源水质不断恶化、水污染事件频发，并且在相当长的时期内难以 得到根本好转的状况下，如何保障我国供水水质达到饮用水标准，成为我国水 处理工作者当前急需解决的关键问题与重大难题。膜技术及以其为核心的组合 工艺不失为解决上述问题的可行途径之一。其中超滤技术备受专家学者的关注。 国外已经对超滤膜处理地表水做出一些研究和开发，并且建立了水厂进行规 模性产水，但应用只适合水源较好的情况。我国膜技术应用正处于起步阶段， 随着膜分离技术的不断成熟，膜成本越来越低，大规模应用乃大势所趋。 前期研究主要针对超滤膜进行小试及小型中试规模的研究，并且主要针对的 为内压式超滤膜的研究。 本课题的研究意义在于：以大型中试规模为平台，基于对浸没式超滤外压膜 在不同膜通量条件下的除污染效能及膜污染问题的研究，寻找到临界膜通量；并 在临界膜通量的运行条件下长期运行优化出较合理的运行条件；通过不同膜前预 处理工艺对膜运行压力的影响研究出针对水质水源条件下的最佳预处理工艺。基 于前面的研究，进一步通过考察粉末活性炭超滤( p a c u f ) 组合工艺的出水水 质及粉末活性炭对膜污染的延缓作用，确定最佳的p a c 投加量。试验还研究曝气、 气水反冲洗、化学清洗等对膜运行压力的影响和膜污染的控制作用，从而得到更 好的出水水质并提供更多实际运行数据及参数，为浸没式超滤外压膜及其组合工 艺的大规模应用作为理论及实践基础。 1 4 2 课题研究内容 本课题的研究内容主要以大型中试为平台，针对超滤膜技术及其组合工艺处 理微污染地表水的应用展开，主要内容包括： 1 针对原水水质，以浸没式超滤外压膜为试验对象，研究了两种不同膜材料 ( p v c 和p v d f ) 超滤膜的除污染效果、抗污染特性及化学清洗的效果，分析研 究出适合原水水质的膜材料类型得以进一步试验。 2 以浸没式p v c 外压超滤膜为研究对象，研究了不同膜通量运行情况下超 滤膜的除污染效能、运行压力的增长情况、混合液的累积及曝气和反冲洗对膜污 染的控制作用，通过对比得出在该种工况条件下的临界膜通量。 3 在临界通量下长期运行，研究其除污染效能、混合液累积和运行压力增长 北京工业大学工学硕士学位论文 特性，并对比了单独膜滤、混凝沉淀超滤、混凝沉淀污泥回流 超滤三种运行条件下预处理对膜污染的控制情况，以探讨此种工艺是否适合 在该水质下长期运行的可能性，及采取何种预处理工艺效果更佳。 4 向膜反应器中直接投加粉末活性炭，形成粉末活性炭超滤一体反应 器。以粉末活性炭超滤组合工艺为研究对象，研究四种投炭浓度下，工艺的 除污染效能及不同投炭量对污染物的去除效果和膜污染控制的影响，从而得出最 佳的组合工艺运行条件。 第2 章试验装置与试验方法 2 1 原水水质 第2 章试验装置与试验方法 原水引自江苏某厂微污染河水，原水水质如表2 1 所示。河水主要污染源为 厂区生活污水和部分生产废水，水源水质四季较为稳定，由表可见该河水质符合 典型的微污染水源水质特征，因此很适合作为试验用水。 表2 1 试验期间原水水质 水质指标单位变化范围平均值 浊度 n t u 2 6 0 2 3 4 9 6 5 p h 值 7 6 l 8 1 0 7 8 7 c o d 地m g l 5 2 2 7 7 6 6 4 0 u v 2 5 4 c m 。l 0 0 7 4 0 11 0 0 0 8 8 u v 4 l o c i n - l 0 0 0 3 0 0 0 9 0 0 0 5 氨氮m g l 0 2 4 4 o 7 7 2 o 3 7 6 温度 1 0 3 6 2 5 2 2 2 试验装置与工艺流程 2 2 1 浸没式超滤膜中试装置 试验采用国内某公司生产的浸没式帘式超滤膜组件试验装置。一个单元的浸 没式超滤膜系统处理微污染地表水的中试试验装置如图2 1 所示，膜组件实物图 分别如图2 2 和图2 3 所示。整套中试装置主要由进水系统、中空纤维膜组件、 抽吸系统、曝气系统、反冲洗系统和排泥系统六部分构成。膜滤池的进水取自沉 淀池出水；出水由膜滤池外的抽吸泵抽出；运行压力( 运行压力差) 通过设置在 浸没式超滤膜组件和抽吸泵之间的真空压力表来检测；为延缓膜污染，在膜组件 底部设置穿孔管进行曝气；运行一段时间后，由反冲洗系统对浸没式膜组件进行 反冲；膜滤池内的高浓度混合液通过排泥系统排出膜滤池外。浸没式超滤膜装置 配置如表2 2 ，膜组件的主要性能参数见表2 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 l 1 反应器2 超滤膜组件3 曝气管4 气体流量计5 阀门6 。空压机 7 压力表8 转子流量计9 抽吸泵1 0 反洗泵1 1 产水箱1 2 液位计 图2 - 1 浸没式超滤膜中试试验装置示意图 f i g u m2 - ls c h e m a t i cd i a 鲫no f 圮i 姗e r s e du fs e t u p 矗) rp i l o ts t u d y 1 l 图2 2 浸没式中空纤维p v c 超滤膜组件的照片 f i g u r e2 2p i c t u 陀o ft h ei m m e r s e du fm e m b r 锄em o d u l ef o rp i l o ts t u d y 一1 2 图2 34 个单元的浸没式超滤膜系统的中试试验装置照片 f i g u r e2 - 3p i c t u r eo f m ef o u ri m m e r s e du f 吼i t sf o rp i l o ts n j d y 表2 2 超滤装置配置表 名称 技术参数 单位数量备注 超滤膜组件1 3 6 0 幸8 9 0 ( 长木宽) 帘 38 组 原水泵 3 6 15 6 m 3 m 厶 l 扬程：2 5 5 1 5 m 口 反洗泵0 8 ，5 7 m 3 i l 厶 1 扬程：4 1 2 0 m口 三叶罗茨鼓风机1 0 7 m 3 m i n 厶 1 1 0 7 6 r p m 口 真空压力表( 反洗用) o 一o 6 五p a 只 l 精度：o o l m p a 负压硅油真空压力表 - 0 1 o 噼a 只 4 精度：0 0 0 2 m p a 流量计 0 2 5 2 5m 3 m 只 4 玻璃转子流量计( 曝气用) 2 5 2 5m 3 l l 只 3 精度：o 5m 3 m 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 。 表2 - 3 膜组件主要性能参数 改性p v c改性p v c改性p v d f 膜材料 ( 第四章用) ( 第三、五章用)( 第三章用) 有效膜面积( m 2 ) 8 38 18 1 膜孔径( 内夕 ) ( m m ) 0 8 5 1 4 51 0 1 61 o 1 6 膜丝有效长度( m m ) 1 4 5 09 0 09 0 0 公称孔径( m ) o 0 1o 0 l0 0 1 截留分子量a ) 5 0 k 5 0 k5 0 k 设计膜通量l ( m 2 h ) 1 0 7 0l o 7 01 0 5 0 推荐- 丁作压力( m p a ) 0