凝-中空纤维膜微滤工艺处理微污染地表水的研究

1、.凝-中空纤维膜微滤工艺处理微污染地表水的研究1 概述 由于地表水的日益污染，野外作业人员很难找到不经处理即可饮用的天然地表水，应付突发的自然灾害（如地震、洪灾等）也需要效率高、机动性强的水处理设备。传统净水工艺占地面积较大，工艺流程复杂；而一些附加的深度处理工艺（如生物处理、活性炭吸附、膜滤等）在改善水质的同时，使得传统工艺的缺点更为突出。若将这些单元工艺合理组合，则能取长补短，达到更佳的处理效果。本试验根据絮凝、活性炭吸附和中空纤维微滤膜各自的优缺点，设计运行了投加粉末活性炭（Powdered Activated Carbon，PAC）的膜絮凝反应器（Membrane Flocculati

2、on Reactor，MFR）。PAC-MFR可将去除大分子有机物的絮凝单元与去除小分子有机物的活性炭吸附单元相结合，最后通过微滤（Micro-Filtration，MF）膜实现液固分离，以获得良好的出水水质。PAC-MFR与传统工艺相比具有机动灵活、处理效果好、体积小、构造简单、运行方便的特点。2 试验材料与方法 2.1 试验设备与材料设备的工艺流程如图1所示。PAC-MFR设备总体积约为1.65 m3，分为絮凝反应器与膜分离器两个部分，其体积大致相同。膜分离器内置膜组件12只，共72 m2，材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔径为0.22 m，膜组件通过集水管连接，由出水泵抽吸出水。整个反应

3、器的运行由可编程序逻辑控制器（Programmable Logical Controller，PLC）控制。PAC-MFR自备发电机，结构紧凑，可以放置在吉普车上运输。2.2 试验装置的运行2.2.1 原水水质本试验原水取自天津大学青年湖湖水，该水混浊，呈绿色，有腥臭味，可见大量滋生的藻类，试验期间主要水质参数见表1：表1 原水水质水质指标范围平均值CODMn，mg/L13.9531.7719.89NH3-N，mg/L0.1612.8400.921UV254，cm-10.1830.3610.247UV410，cm-10.0100.0370.020浊度，NTU7.560.4 29.9水温，20.

4、227.024.1pH9.289.879.542.2.2 PAC-MFR的运行参数表2 PAC-MFR的运行参数试验阶段运行时间(d)MFR总有效容积(m3)膜分离器排泥量(L/d)气水比PAC消耗量(mg/L)出水流量(m3/h)11111.545080131 570.650.7221227500600300.680.80整个试验根据PAC消耗量及排泥量分为两个阶段。PAC-MFR采用间歇进水、连续出水（每8 min出水有1 min间歇）的运行方式。原水进入MFR后，在絮凝反应器的进水管中投加2030 mg/L絮凝剂（FeCl3），经微絮凝后进入膜分离器，在膜分离器中投入2040 mg/L

5、PAC，吸附后通过微滤膜经泵抽吸出水。2.2.3 水质分析项目及方法本试验所采用的水质分析方法遵循国家环境保护局的标准方法1，见表3。表3 水质分析项目及方法水质分析项目水质分析方法仪器CODMn酸性高锰酸钾法NH3-N纳氏试剂比色法722可见分光光度计UV254仪器法754紫外分光光度计UV410仪器法722可见分光光度计浊度仪器法GDS-3B光电式浊度计pH仪器法PHS-3C型精密pH计水温直读法普通水银温度计3 试验结果及讨论3.1 对水质感官性状指标的改善PAC-MFR由于其膜截留作用，出水晶莹剔透，无色无嗅无味，感官性状良好。该装置对浊度的去除率平均为94.03%，出水平均浊度为0.

6、9 NTU，远低于国家饮用水卫生标准规定的3 NTU2，图2为PAC-MFR进出水的浊度及去除率。3.2 对CODMn的去除PAC-MFR中原水、出水、絮凝反应器及膜分离器混合液的CODMn变化如图3及表4所示。在第一个阶段，将500 g PAC一次性投入膜分离器中，其在膜分离器混合液中的浓度为0.75 g/L，之后每天排出膜分离器混合液5080 L，同时适量投加PAC，维持膜分离器中PAC浓度恒定。这一阶段中原水CODMn应等于出水CODMn与被絮凝去除的CODMn及PAC吸附的CODMn的代数和。在该阶段前5天混合液和出水的CODMn值均较低，但从第5天起呈上升趋势，造成该现象的原因是：一

7、次性投入大量PAC，吸附了水中的有机物，因此CODMn值较低；以及在该阶段排泥量较少，造成了有机物在膜分离器中的累积，从而使CODMn值呈上升趋势。此运行方式表明，有机物在膜分离器中呈累积趋势。表4 各阶段PAC-MFR中CODMn的平均值CODMn(mg/L)原水絮凝反应器混合液膜分离器混合液出水第1阶段18.2816.8021.385.98第2阶段21.0023.5924.066.85在第二阶段，采取每天排空膜分离器的方法，这样使膜分离器混合液CODMn值有所降低；同时降低PAC投量，其出水CODMn的平均值仍较上一阶段后期低（第一阶段第611天出水CODMn平均值为7.57 mg/L）。

8、表4中絮凝反应器混合液的CODMn是将该混合液用定性滤纸过滤后测得的，与原水比较，其两个阶段的去除率分别为8.0%和-12.3%。有试验证明，絮凝对于分子量低于1000的有机物没有去除效果，反而会引起增加3，其原因可能是部分被大分子有机物或其他无机胶体吸附的小分子有机物在絮凝过程中由于这些大分子有机物或胶体与金属离子络合而释放出来所致。在运行期间，曾试图加大PAC投量以改善出水水质，当将PAC投量由30 mg/L增加到60 mg/L时，膜分离器混合液CODMn降低412 mg/L。在整个运行过程中，出水CODMn值除前5天较低，其后一直维持在67 mg/L左右。出水水质不理想的主要原因是原水水

9、质太差，其CODMn劣于国家地面水环境质量标准（GB3838-88）中的类标准（CODMn<10 mg/L）4；在第25天，曾经测定原水的CODCr，其数值高达57.28 mg/L。如果原水水质的CODMn能够优于上述标准中的类标准，则出水CODMn应能够低于5 mg/L。3.3 对UV254的去除芳香族化合物或具有共轭双键的化合物在波长254 nm处有吸收峰4。UV254对于测量水中天然有机物（如腐殖酸等）有重要意义，可作为总有机碳（TOC）及总三氯甲烷生成能（T-THMFP）的代用参数。图4是PAC-MFR运行过程中原水、出水及去除率的变化情况。运行期间出水平均值及去除率分别为0.1

10、09 cm-1和58.13%。由图中可见，UV254的变化情况与CODMn类似但波动较大：在第一阶段前期出水UV254较低，去除率总体呈下降趋势且后期波动很大；第二阶段出水UV254降低，去除率也趋于稳定。3.4 对UV410的去除UV410主要反映水中具有较大共扼体系的有机化合物，如天然水体中的大分子腐殖质等，它们是地表水中的主要成色物质，因此UV410与水体色度有良好的相关性5。图5是PAC-MFR进出水UV410的变化情况，可以看出，虽然原水UV410波动很大，絮凝混合液与膜分离器混合液UV410值也较高（分别为0.013 cm-1和0.018 cm-1），但出水的UV410始终保持在一

11、个较低的水平（平均值及去除率分别为0.003 cm-1和85.81%）。这说明UV410主要是靠膜截留作用去除的，并且PAC-MFR对水中的成色物质有很好的去除效果。3.5 对NH3-N的去除由于PAC-MFR中的生物量很少，而且絮凝和PAC吸附对的NH3-N的去除能力有限，所以PAC-MFR对NH3-N的去除率波动很大，尤其是在第一个阶段后期，这是由于吸附NH3-N的颗粒性物质被膜截留，并在膜分离器中累积所造成的，见图6。表5所示是第二阶段不同的三个周期中出水NH3-N随时间的变化。由于天然水体中一些微生物在膜分离器中富集，PAC-MFR中又一直曝气，提供了充足的溶解氧，使得膜分离器中发生了

12、硝化作用，从而出水的NH3-N值随时间而降低。表5 PAC-MFR出水NH3-N随时间的变化时间，minNH3-N(mg/L)030506090110120150第13天0.3220.2140.054第16天2.1430.6430.268第23天 0.5890.3750.1613.6 PAC-MFR的处理效果在整个运行期间，除原水水质太差而导致出水中CODMn略高外，PAC-MFR运行正常，出水水质基本达到设计要求，表6是整个运行期间出水的水质情况。PAC-MFR对有机物的去除率平均在60以上，高于传统工艺的去除率；对氨氮的去除率不太理想，其值波动较大。表6 出水水质及去除率水质指标范围平均值

13、平均去除率，CODMn，mg/L2.949.106.4965.97NH3-N，mg/L 00.7500.39150.78UV254，cm-10.0290.1400.10959.13UV410，cm-100.0110.00385.81浊度，NTU0.13.20.9 94.034 PAC在MFR中的作用机理4.1 与絮凝剂（FeCl3）协同作用，去除有机物。有研究认为1，PAC吸附主要去除分子量为5003000的有机物。在本试验中，当一次性投入PAC 500 g时，对CODMn、UV254及UV410的去除均很明显。4.2 维持膜通量，减缓膜污染的过程。在累计处理43.24 m3湖水后，出水流量未

14、下降，见图7；将一个膜组件取出，清洗后做清水试验，其比通量也未见下降。这说明投加PAC对于维持膜通量有很好的效果。4.3 有效去除TOC及T-THMPF。在试验中发现，投加PAC对于UV254的去除最为明显：絮凝反应器混合液中UV254平均值为0.313 cm-1，膜分离器中UV254平均值为0.283 cm-1，尽管在膜分离器中有机物呈累积趋势，其混合液仍比絮凝反应器低0.030 cm-1；而原水与出水UV254值相比也仅相差0.150 cm-1，可见PAC吸附对于UV254的去除是非常有效的。5 结论1 本试验研制的PAC-MFR，采用PLC自动控制系统，运行操作简单，易于管理和控制；其运

15、行情况稳定，对于快速高效处理地表水是可行的。2 PAC-MFR完全适用于对微污染地表水的处理。对CODMn、UV254、UV410及NH3-N的平均去除率为65.97%、59.13%、85.81%和50.78%，出水浊度<3 NTU。3 在原水水质极为恶劣的情况下，本试验仍取得了较好的效果，若原水水质能达到国家地面水环境质量标准（GB3838-88）中的类标准，处理后的出水能达到国家饮用水卫生标准。4 投加PAC在该工艺中发挥了重要作用，尤其是在去除有机物及减缓膜污染方面。5 MF膜在处理43.24 m3水后膜通量及出水流量均未见下降，说明该工艺中减缓膜污染的措施是行之有效的；膜使用寿命

16、的延长是可以预见的。牛皮制革废水治理工程成功实例江苏省某牛皮制革厂，为国内较大型牛皮制革生产厂家之一，其废水排放量约1800m3/d，有机污染物浓度高，悬浮物多，含有重金属铬等有毒物质，且外观污浊、气味难闻，周围群众反应强烈。该企业原有一套污水处理系统，采用催化氧化脱硫后，再经混凝沉淀处理外排。随着当地对环保要求的提高，原有设施处理后的总排水已远远不能达到GB89781996新废水排放标准中有关制革废水的二级排放标准。为此，业主委托我公司对原有污水处理系统进行改造。经过四个多月的调试运行，系统运行可靠，出水稳定达标，同时在不断优化运行参数的基础上，运行成本有了明显的下降。1 废水的来源及特点该

17、厂制革生产工艺流程如图1所示。制革废水主要来自准备工段和鞣制工段，有含高浓度氯化物的原皮洗涤水和浸酸水，含石灰和硫化钠的强碱性脱毛浸灰废水，含三价铬的蓝色铬鞣废水，含丹宁和没食子酸的茶褐色植鞣废水，含油脂及其皂化物的脱酯废水，加脂染色废水和各工段冲洗废水等，其中以脱脂废水、脱毛浸灰废水、铬鞣废水污染最为严重。制革废水水量随时间变化大，往往是间歇排水，在5h的排放高峰期，排水量可占总排水量的70%；水质差别也大，该厂废水浓度高：CODcr=16000mg/l，Cr3+ =800mg/l，S2-=300mg/l；低时：CODcr=600mg/l，Cr3+ =2mg/l，S2-=10mg/l；混合废

18、水呈碱性，有毒，难降解物质含量高，外观污浊，气味难闻，排放量为12001800m3/d，水质指标：pH 8.510, CODcr 为500012000mg/l,BOD5为20006000mg/l, Cr3+为80180mg/l, S2-为40200mg/l,SS为 30005000mg/l,Tss为800016000mg/l,色度为120300倍。2 废水处理系统2.1 处理工艺 厂区内各路制革污水经格栅后进入集水池；再由泵提升至预曝气调节池，此池中视水质情况投加Ca(OH)2(调节pH在89之间，一般勿需调)、MnSo4进行催化氧化脱硫；再泵至竖流式沉降器，管道混合投加FeSO4和PAM，使

19、S2形成FeS沉淀，Cr3+形成Cr(OH)3，去除绝大部分SS、S2-和Cr3+；上清液自流入一体化气浮装置，在搅拌作用下依次投加适量液碱、PAC、PAM，彻底去除细小SS和Cr(OH)3微絮体，确保生化进水水质；出水用管道泵提升至强化活性污泥池，大幅度去除溶解性的有机物；然后再自流入斜板二沉池，视水质情况投微量PAC和PAM，确保出水达标排放。二沉污泥大部分回流至生化池补充菌种，剩余污泥同初沉、气浮污泥一并进入污泥储池，再由带式压滤机脱水后外运妥善处置。 2.2 主要工艺参数污水处理系统设计处理量为1800m3/d (75m3/h)，实际平均每天运行约18h，主要工艺参数列于表1表1 污水

20、处理系统设计运行参数 构 筑 物 工   艺   参   数 调 节 池 总容积2000m3，可储存一天的废水 初 沉 池 表面负荷为1.5m3/(m2·h) 气 浮 池 有效池容7.5×2.5×2.5, q =4m3/(m2·h) 生 化 池 HRT=16h,容积负荷Nv=2.4kg COD/(m3·d)，SV30=25%，DO=24mg/l 二 沉 池 HRT=1.2h，q = 3m3/(m2·h)2.3 运行处理效果经过近一年的运行,污水处理系统运行可靠，出水稳定达标(

21、GB 8978-1996 二级)，表2为实际运行监测结果。表2 污水处理设施运行监测数据(平均值)mg/l序号指 标调 节 池初 沉 池气 浮 池二 沉 池标 准进水出水出水效率(%)出水效率(%)出水效率(%)1PH8.68.27.2/8.0/7.5/692CODcr80006000300050200033200903003SS4000420020095209025/2004S2-1508010878200.5941.05总铬1401002.0981.0500.4601.53 讨论与分析(1)工艺成熟可靠，耐冲击负荷性能佳本工艺在生化处理前采取了强有力的物化处理措施，有效地保证了生化进水水质的较稳定性，从而促成了整个系统的稳定达标运行。硫化物去除的彻底，采用催化氧化脱硫和FeSO4化学沉淀法脱硫双重措施保障；沉淀和气浮相结合，互相取长补短，将生化进水水质保障到了最佳状态。(2)生化前气浮效果显著在沉淀与生化之间加一级气浮，既缓解了有时沉淀效果差的矛盾，同时又对生化进水起到了预曝气的作用，更为重要的是使皮革废水中较难生物降解、易起泡的表面活性物质得到了较彻底的去除，为生化池的高效、少泡沫运行创造了有利的条件。(3)强化活性污泥法本工艺生化池实际上是普通推流式活性污泥法装置，但在池中放置了球形悬浮填料，有效地富集了好氧微生物，提高了混合液污泥浓度，增