（環(huán)境工程專業(yè)論文）澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究.pdf

中文摘要 隨著我國經(jīng)濟發(fā)展及人民生活水平的提高，大量工業(yè)污水及居民生活污水未 處理達到排放標準就直接排入自然水體，給水環(huán)境造成了極大的破壞，致使飲用 水源水質(zhì)急劇下降，嚴重影響到人民的身體健康和社會的健康有序發(fā)展。新的飲 用水標準的實施及人們對飲用水水質(zhì)要求的不斷提高，常規(guī)處理工藝已無法滿足 新形式下安全飲用水供給的需要。本論文以在北方地區(qū)具有典型性和代表性的灤 河水作為源水，采用澄清池一膜過濾工藝進行飲用水處理研究，對其處理效能、 操作條件、膜污染特點、清洗方法等進行綜合評價，為該工藝應用于飲用水處理 提供可靠的理論依據(jù)。 首先，根據(jù)原水的水質(zhì)特點篩選適合于膜過濾工藝的混凝劑，考察混凝劑對 污染物的去除效果及對膜污染的影響。發(fā)現(xiàn)混凝劑在水中形成的礬花尺寸及其對 有機污染物的去除效果直接影響膜污染，混凝礬花尺寸越大、有機污染物去除率 越高，膜污染越小。綜合評價認為膜過濾工藝中使用鐵系混凝劑優(yōu)于鋁系混凝劑， 從效費比來說三氯化鐵作為膜過濾工藝混凝預處理使用是經(jīng)濟有效的。 其次，論文創(chuàng)新性的將澄清池工藝與浸入式膜過濾工藝相結(jié)合處理飲用水。 對比該工藝與在線混凝工藝，二者出水水質(zhì)相當，前者的膜污染輕于后者；經(jīng)過 約九個月的運行實驗，新工藝在灤河各個水質(zhì)期的出水水質(zhì)穩(wěn)定、膜污染較輕， 證明該工藝是可行的。本文首次運用響應曲面法對新工藝的運行操作條件進行了 優(yōu)化，得出了該工藝的最佳運行條件。 再次，針對影響膜工藝有效運行的膜污染問題進行了認真分析。發(fā)現(xiàn)膜自身 阻力和復合濾餅層阻力是對膜過濾影響最大的兩種阻力，實驗表明在有效的混凝 預處理后，相比于其他阻力膜自身阻力是影響膜過濾的最主要因素。對不同水質(zhì) 期運行污染后的膜組件進行化學清洗研究，認為次氯酸鈉與鹽酸配合使用能夠很 好的恢復膜性能。 最后，本文首次建立以傳質(zhì)機理為基礎的膜反洗模型，確定了反洗過程中反 洗壓力、反洗流量和反洗有效長度的理論關系。并用澄清池一膜過濾工藝中的實 驗數(shù)據(jù)對反洗模型進行了驗證，結(jié)果表明反洗模型能夠較好的對反洗操作進行模 擬、預測和評價。該模型的建立為確定反洗操作條件提供了較完備的理論依據(jù)， 有效減少了反洗操作過程中清洗劑的消耗量，提高了膜工藝的產(chǎn)水效率。 關鍵詞：飲用水混凝澄清池膜過濾響應曲面方法膜污染反洗模型 a b s t r a c t a i o n gw i t hc h i n a s e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s e n h a n c e m e n t , al a r g en u m b e ro fi n d u s t r i a le f f l u e n ta n dr e s i d e n t ss e w a g eh a sn o t a c h i e v e dt h ee m i s s i o ns t a n d a r dd i r e c t l yt od i s p e r s ei n t ot h en a t u r a lw a t e rb o d y , w h i c h h a sc r ea ：t e dt h ee n o r m o u sd e s t r u c t i o nf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n t ，r e s u l t i n g i ns h a r p d e c l i n ei nw a t e rq u a l i t yo fd r i n k i n gw a t e rs o u r c e s ，a n ds e r i o u si m p a c to nt h ep e o p l e s h e a l t ha n dt h eo r d e r l yd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y t h en e wd r i n k i n gw a t e rs t a n d a r d s i m p l e m e n t a t i o na n dr e q u i r e m e n t sf o rd r i n k i n gw a t e rq u a l i t yc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ， t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sh a v eb e e nu n a b l et os a t i s f yu n d e r t h en e wf o r m t h es e c u r i t yt a pw a t e rs u p p l i e sn e e d i np r e s e n tp a p e rt h ew a t e rf r o ml u a n h er i v e r , w h i c hi st h et y p i c a la n dr e p r e s e n t a t i v eg r o u n dw a t e ri nt h en o r t h e r nr e g i o n ，w a s t a k e n a st h em o d e ls a m p l e ，t h ec l a r i f i e r - m e m b r a n ef i l t r a t i o nt e c h n o l o g yw a su s e da st h e t e c h n o l o g y f o r d r i n k i n g w a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c h t od e a l w i t ht h ep r o c e s s p e r f o r m a n c e ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h em e m b r a n ef o u l i n ga n d c l e a n i n gm e t h o d s ，s u c h a sac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o ri tu s e di nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tt op r o v i d ea r e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i s f i r s t , a c c o r d i n gt or a ww a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sf i l t e r e dt h ec o a g u l a n t sw h i c h i st h es u i t a b l ec o a g u l a n tf o rm e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s s ，a n dt h ep o l l u t a n tr e m o v a l e 街c i e n c ya n dt h ei m p a c to nm e m b r a n ef o u l i n gh a db e e ns t u d i e d t h o u g ht h es t u d y , f o u n dt h a tt h ef l o cs i z ea n di t si m p a c to nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cp o l l u t a n t s d i r e c t l va f f e c tt h em e m b r a n ef o u l i n g ，t h eg r e a t e rf l o cs i z ea n dt h er e m o v a le f f i c i e n c y o fo r g a n i cp o l l u t a n t s ，t h em e m b r a n ef o u l i n gm u c hl o w e r t h ev i e wo fc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nt h a tt h ei r o n b a s e dc o a g u l a n tf o r t h em e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s si s s u p e r i o rt o a i b a s e dc o a g u l a n t , f r o mt h eb e n e f i t c o s tr a t i o f o rf e r r i cc h l o r i d e c o a g u l a t i o n a s p r e t r e a t m e n to fm e m b r a n e f i l t r a t i o nt e c h n o l o g yi se f f e c t i v ea n d e c o n o m i c a lu s e s e c o n d l y , t h ep a p e rh a si n n o v a t i v e l yt a k e nc l a r i f i e rt e c h n o l o g ya n di m m e r s i o n m e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s sc o m b i n e dt r e a t m e n to fd r i n k i n gw a t e r c o m p a r i s o no f n e wt e c h n o l o g ya n dc o a g u l a t i o n m e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s s ，b o t ho ft h e mh a s a l m o s ti d e n t i c a lw a t e rq u a l i t y , t h ef o r m e rw a st h el o w e rm e m b r a n ef o u l i n gt h a nt h e l a t t e r ：a f t e ra b o u tn i n em o n t h sr u n n i n gt e s t , i nv a r i o u sw a t e rq u a l i t yp e r i o do f l u a n h e t h en e wp r o c e s sw a ss t a b l e ，m e m b r a n ef o u l i n gw a su n d e rc o n t r o l ，t op r o v et h a tt h e t e c h n o l o g yi sf e a s i b l e r e s p o n s es u r f a c e p r o c e s st o r u nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s m e t h o d o l o g yf i r m l ya p p l i e df o rt h en e w o p t i m i z e dp r o c e s s ，h a so b m i n e dt h eb e s t t h i r d ，h a dc a r r i e do nt h e e a r n e s ta n a l y s i si nt h em e m b r a n ef o u l i n gw h i c h i n f l u e n c em e m b r a n ep r o c e s s i th a db e e nf o u n dt h a tt h em e m b r a n e r e s i s t a n c ea n dc a k e l a y e ri sc o m p o s i t e t ot h em o s to ft h em e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c e t h ee x p e r i m e n t s s h o w e dt h a ta f t e rt h ee f f e c t i v ec o a g u l a t i o np r e t r e a t m e n tc o m p a r e dt oo t h e rr e s i s t a n c e m e m b r a n er e s i s t a n c eb e c o m et h em a i nf a c t o r a f t e r t h es t u d yo fc h e m i c a lc l e a n i n gt h e d i f f e r e n tp e r i o dw a t e rq u a l i t y h y p o c h l o r i t ew i t hh y d r o c h l o r i c p e r f o r m a n c e o fd i f f e r e n tm e m b r a n ef o u l i n g ，c o n s i d e rs o d i u m a c i dc l e a n i n gc a nb eg o o dt o r e s t o r em e m b r a n e f i n a l l y , t h i sa r t i c l ef i r s t l ye s t a b l i s hb a c k w a s h i n gm o d e l b a s e do nt h em a s st r a n s f e r m e c h a n i s m d e t e r m i n e dt h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k w a s h i n gp r e s s u r e ， b a c k w a s h i n g f l u xa n dt h eb a c k w a s h i n ge f f e c t i v el e n g t hi nt h ec o u r s eo fb a c k w a s h i n g a n dt h et e s td a 協(xié)o fc l a r i f i e r s m e m b r a n ef i l t r a t i o np r o c e s sw a su s e dt ov a l i d a t et h e b a c k w a s h i n gm o d e l ，t h er e s u l ts h o w t h a tt h eb a c k w a s h i n gm o d e lc a nb e t t e rs i m u l a t i o n , p r e d i c t i o na n de v a l u a t i o n t h e b a c k w a s h i n go p e r a t i o np r o c e s s t h e m o d e lf o r d e t e r m i n i n gt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h eb a c k w a s h i n gp r o v i d e sa m o r ec o m p l e t e t h e o r e t i c a lb a s i s ，i ti se f f e c t i v ei nr e d u c i n gt h ec l e a n i n ga g e n tc o n s u m p t i o ni nt h e b a c k w a s h i n gp r o c e s s ，i m p r o v e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f m e m b r a n ep r o c e s s k e yw o r d s ：d r i n k i n gw a t e r , c o a g u l a t i o n ，c l a r i f i e r , m e m b r a n ef i l t r a t i o n ， r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ( r s m ) ，m e m b r a n ef o u l i n g ，b a c k w a s h i n g m o d e l v 。 天津大學博士學位論文澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究 第一章緒論 水是生命之源，飲用水與人們生活水平和身體健康息息相關。但近些年來， 隨著全球工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，尤其是石油化工、有機化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、殺蟲 劑及除草劑等生產(chǎn)工業(yè)的迅速增長，有機化合物的產(chǎn)量和種類不斷增加，各種生 產(chǎn)廢水和生活污水未達排放標準就直接進入水體，給水環(huán)境造成了極大的污染， 水源水質(zhì)也因此急劇下降。為了保證飲用水水質(zhì)，在修訂飲用水水質(zhì)標準的同時 還必須研究能有效去除有機物和水致傳染病微生物的水處理技術(shù)，如化學氧化 ( 投加氧化劑) 、物理吸附( 投加粉末活性炭或經(jīng)活性炭過濾) 、生物降解( 生物 預處理或生物活性炭) 以及膜過濾( 反滲透、納濾、超濾、微濾) 等。在這些水 處理技術(shù)中膜過濾技術(shù)由于有良好的調(diào)節(jié)水質(zhì)的能力，能去除從顆粒雜質(zhì)到離 子、細菌和病毒的污染物，去除污染物的范圍廣，所需藥劑少，運轉(zhuǎn)可靠，設備 緊湊和容易自動化控制，而被認為是最有前途的一種飲用水處理方法【1 1 。 1 1 我國水資源現(xiàn)狀 我國是世界上水資源比較豐富的國家之一，水資源總量2 8 1 2 4 億m 3 ，位居 世界第六，但是人口基數(shù)較大，以1 3 億計，人均占有量只有2 1 6 0 m 3 ，約為世界 人均占有量的1 4 - - 1 5 。由于水污染控制的相對滯后，受污染的水體逐年增加， 更加劇了水資源的短缺；同時，我國水資源的分布極不平衡，大多以降雨為主， 降雨又多集中在7 、8 、9 三個月份，總體的格局是南方多、北方少，東南多，西 北少。所以，就不可避免的面臨這樣的情況：北方城市大部分受到資源型缺水的 困饒，而南方多水地區(qū)由于受到不同程度的污染，呈現(xiàn)水質(zhì)型缺水的趨勢f l ，2 1 。 近年來，我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展，但是，隨之而來的環(huán)境污染問題也不斷引 起人民的重視，尤為突出的是水環(huán)境污染問題。監(jiān)測表明，全國約6 3 的城市河 段受到了中度或嚴重污染，9 7 的城市地下水受到了不同程度的污染【3 1 。水利部 根據(jù)我國各大水系所在省( 市) 水利委員會提供的水質(zhì)檢測資料，采用地表水 環(huán)境質(zhì)量標準( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，對2 0 0 6 年全國河流、湖泊、水庫的水質(zhì)狀況 進行了評價，結(jié)果如下【4 j ： 河流水質(zhì)2 0 0 6 年，對約1 4 萬公里河流水質(zhì)進行評價，i 類水河長占3 5 ， 類水河長占2 7 3 ，u i 類水河長占2 7 5 ，i v 類水河長占1 3 4 ，v 類水河長 第一章緒論 占6 5 ，劣v 類水河長占2 1 8 。與2 0 0 5 年比較，全國水質(zhì)總體狀況變化不大。 各水資源一級區(qū)中，西南諸河、西北諸河、珠江、長江和東南諸河5 個區(qū)水質(zhì)較 好，符合和優(yōu)于類水的河長占9 3 6 5 ；黃河、遼河、淮河、松花江和海河 5 個區(qū)水質(zhì)較差，符合和優(yōu)于類水的河長占4 2 3 0 。 湖泊水質(zhì)對4 3 個湖泊的水質(zhì)進行評價，水質(zhì)符合和優(yōu)于i 類水的面積占 4 9 7 ，i v 類和v 類水的面積共占1 5 3 ，劣v 類水的面積占3 5 o 。對4 3 個湖 泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，云南的瀘沽湖為貧營養(yǎng)，1 7 個湖泊處于中營養(yǎng)狀態(tài)， 2 5 個處于富營養(yǎng)狀態(tài)。 水庫水質(zhì)在評價的3 2 7 座水庫中，水質(zhì)優(yōu)良( 優(yōu)于和符合i 類水) 的水庫 有2 6 0 座，占評價水庫總數(shù)的7 9 5 ；水質(zhì)未達到類水的水庫有6 7 座，占評 價水庫總數(shù)的2 0 5 ，其中水質(zhì)為劣v 類水的水庫有1 1 座。主要超標項目為總 磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量和氨氮。對2 7 5 座水庫的營養(yǎng)狀態(tài)進行評 價，三分之二的水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài)，三分之一的水庫處于富營養(yǎng)狀態(tài)。 地下水水質(zhì)2 0 0 6 年，對北京、遼寧、吉林、黑龍江、上海、江蘇、海南、 甘肅、青海、寧夏l o 個省( 自治區(qū)、直轄市) 7 7 6 眼地下水監(jiān)測井的監(jiān)測資料 進行了評價。評價結(jié)果表明，水質(zhì)適合于各種使用用途的i i i 類水井占監(jiān)測井 總數(shù)的1 0 1 ，適合集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的類水井占2 8 6 ， 適合除飲用外其它用途的v 類水井占6 1 3 。 總體來看我國水資源狀況讓人擔憂，水資源短缺、水質(zhì)污染嚴重的現(xiàn)狀讓以 地表水為主要飲用水水源的城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)面臨巨大的壓力。開發(fā)研制能夠經(jīng)濟有 效地處理微污染水源水的飲用水處理技術(shù)已經(jīng)急切的擺在了科研人員的面前。 1 2 飲用水處理技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 1 2 1 常規(guī)飲用水處理技術(shù) 近幾年以來，我國的飲用水處理事業(yè)取得了長足進步，對典型水源的水廠工 藝情況的調(diào)查結(jié)果表明：大部分水廠處理工藝以常規(guī)工藝“混凝+ 沉淀+ 過濾+ 消毒”為主。目前國內(nèi)外城市給水處理普遍采用的常規(guī)處理工藝流程圖1 1 所 示。只有個別水廠由于當?shù)厮此|(zhì)的特性采用了其他技術(shù)措施【3 】；在一些水源 水質(zhì)較好的水廠中，采用“微絮凝過濾+ 消毒工藝”( 如山東省濟南市分水嶺水 廠) ；對于采用地下水作為水源的水廠，一般只采用消毒工藝( 如山東省濟南市 玉清水廠) ；另外相對于常規(guī)工藝，也有“混凝+ 氣浮+ 過濾+ 消毒”工藝運行 ( 如天津市芥園水廠、昆明市第五水廠) 1 5 。 天津大學博二l 學位論文澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究 參考罨三一嗲 9 勺 亟勺匿 圖1 一l 常規(guī)飲用水處理工藝流程圖 f i g 1 - 1f l o wd i a g r a mo fc o n v e n t i o nd d n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s 1 2 2 常規(guī)飲用水處理技術(shù)的局限性 2 0 0 7 年7 月1 日，由國家標準委和衛(wèi)生部聯(lián)合發(fā)布的生活飲用水衛(wèi)生標 準( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 強制性國家標準和1 3 項生活飲用水衛(wèi)生檢驗國家標準正式 實施。這是國家2 1 年來首次對1 9 8 5 年發(fā)布的生活飲用水標準進行修訂，飲 用水的水質(zhì)標準更加嚴格。新的飲用水水質(zhì)標準的提出和現(xiàn)階段我國水源環(huán)境的 持續(xù)惡化，導致了常規(guī)水處理工藝已不能夠滿足飲用水處理的要求，在水源水質(zhì) 沒有得到根本改善之前，供水系統(tǒng)便成為飲用水安全保障的關鍵所在。據(jù)調(diào)查結(jié) 果顯示，目前我國城鎮(zhèn)絕大多數(shù)供水設施不能滿足新標準的要求。水廠普遍采用 的常規(guī)飲用水處理工藝始于1 0 0 年以前，雖然隨著社會的發(fā)展，常規(guī)水處理工藝 也取得了長足進步，但常規(guī)處理工藝的主要去除對象是水源水中的懸浮物、膠體 雜質(zhì)和細菌，工藝控制的主要目標是出水的濁度、色度和細菌總數(shù)。對于水質(zhì)良 好的水源，常規(guī)處理工藝可獲得安全合格的飲用水。但對于現(xiàn)階段的飲用水水源， 常規(guī)飲用水處理工藝的局限性就顯現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 有機污染物 飲用水水源中的有機污染物的來源一部分是天然有機物，主要是水中動、植 物分解形成的產(chǎn)物，這些有機物大部分呈膠體狀，部分呈真溶液狀或懸浮物狀。 它們可以分為兩個主要部分：腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)。腐殖質(zhì)是一類構(gòu)造和化學特性 比較復雜的天然有機物，其分子量范圍從幾百到幾十萬，是天然有機物的主要組 成部分，約占8 5 - 9 5 6 ；非腐殖質(zhì)包括蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、糖類等小分子 有機物，這類物質(zhì)容易被微生物分解，因此殘留較少。腐殖質(zhì)在天然水體中表現(xiàn) 為帶負電荷的大分子有機物，其表面含有多種官能團，具有與水中大多數(shù)成分進 行離子交換和絡合的特性，這樣就增大了本來難溶于水的元素或有機物在水中的 溶解度，促使其遷移能力增強，分布范圍更為廣泛。腐殖質(zhì)還能對膠體產(chǎn)生嚴重 第一章緒論 的保護作用，導致混凝劑用量增加，這不僅使制水成本相應升高，而且使水中剩 余鋁、鐵的濃度升高，影響飲用者的身體健康。再有，腐殖質(zhì)已經(jīng)被證明是多種 消毒副產(chǎn)物( d b p s ) 的前體物，是導致飲用水致突變性增加的主要因素。另外， 極性較大的小分子有機物很難被常規(guī)飲用水處理工藝去除，這些有機物進入到管 網(wǎng)中，會導致微生物二次繁殖。有機污染物來源的另一部分是人工合成有機物， 主要來自工業(yè)、生活污水和農(nóng)業(yè)排水等。隨著社會的發(fā)展、工業(yè)化進程的加速， 地表水成分逐漸趨于復雜，水體中有機成分增多、濃度增大，其中一部分有機物 對人類身體健康具有較大危害，如持久性有機物、內(nèi)分泌干擾物、“三致物”等 1 3 】 o 國內(nèi)外的實驗研究和實際生產(chǎn)結(jié)果表明，受污染水源水經(jīng)常規(guī)的混凝、沉淀 及過濾工藝只能去除水中2 0 - - 、一3 0 的有機物，而且由于溶解性有機物的存在， 不利于破壞膠體的穩(wěn)定性使得常規(guī)工藝對原水濁度的去除率僅為5 0 - - - 6 0 1 1 。 ( 2 ) 氯化消毒副產(chǎn)物 氯化消毒是我國在給水處理中沿用多年并且仍然普遍采用的消毒技術(shù)。但近 三十年來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在氯化消毒的同時氯與水中某些有機成分反應，生成 一系列鹵代有機副產(chǎn)物，其中很多鹵代有機物對人體健康構(gòu)成了潛在的危脅。尤 其是在傳統(tǒng)的預氯化工藝中，高濃度的氯與原水中較高濃度的有機污染物直接反 應，生成大量的氯化副產(chǎn)物?；炷倪^程只能去除部分疏水性大分子有機物，大 部分的小分子親水性、與氯氣反應活性很高的有機物殘留在濾后水中，在消毒過 程中它們勢必會和消毒劑相互作用，不但影響消毒效果，而且生成的消毒副產(chǎn)物 直接影響水質(zhì)。目前國內(nèi)大多數(shù)水廠都采用折點加氯法以獲得必要的活性余氯。 有研究顯示，當有氨氮存在時，在氯化曲線折點以前，三鹵甲烷的產(chǎn)率最低；當 水中自由性余氯存在時，三鹵甲烷生成量會明顯增加。常規(guī)工藝中氯化作用為對 水中微生物滅活，投量一般都超過折點，這樣必然產(chǎn)生大量有機鹵化物。 揮發(fā)性三鹵甲烷( 刪s ) 和難揮發(fā)性鹵乙酸( h a a s ) 被認為是兩大類主 要氯化消毒副產(chǎn)物。它們的前體物質(zhì)主要是腐殖酸、富里酸、藻類和一些具有活 性碳原子的小分子有機物?，F(xiàn)行的關于水中t h m s 的水質(zhì)標準，一般是限制其在 水中的總濃度，或限制水中三氯甲烷濃度。我國新頒布的生活飲用水水質(zhì)標準 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 常規(guī)檢驗項目中規(guī)定三氯甲烷的限值為6 0 “g l ，在非常規(guī)檢驗 項目中新增規(guī)定三鹵甲烷( 總量) 的限值為1 0 0 p g l 。 ( 3 ) 致病微生物 水中致病微生物的尺寸一般在微米數(shù)量級，常規(guī)處理工藝中混凝的吸附、卷 掃作用，過濾時濾料表面的吸附與截留作用可以去除水中一部分微生物。但一些 尺寸很小、危害很大的致病微生物如賈第蟲( g i a d i a ) 、隱孢子蟲( c r y p t o s p o r i d i u m ) 天津大學博士學位論文澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究 ( 賈第蟲長9 - - - - 1 2 9 m ，寬7 l o 岬，隱孢子蟲為4 , - - - 6 p m ) 【6 】等在常規(guī)處理過程中 難以被混凝、過濾過程去除，而且它們的抗氯性強，分別為大腸桿菌的2 ，3 5 0 倍 和2 4 0 ，0 0 0 倍，需要增大投氯量才能保證9 9 9 的去除率，但過高的投氯量會增 加了三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物生成的可能性。即便滅活細菌和病毒，殺菌后的熱原 物質(zhì)( 細菌、病毒的尸體) 依然殘留在水中同。此外即使很少量的致病微生物進 入自來水中，也可能對飲用水安全構(gòu)成很大的風險。 ( 4 ) 藻類及藻毒素 水體富營養(yǎng)化造成藻類過量繁殖，加大了常規(guī)工藝的處理難度，主要表現(xiàn)在 以下幾個方面p j ： 1 ) 藻類密度小，不宜被沉淀池、澄清池等分離，而且具有較高的穩(wěn)定性， 混凝時需投加較多的混凝劑，使凈水成本升高，生成的絮體輕而且強度低，沉淀 困難，又極易穿透濾床； 2 ) 由于含藻水p h 值都偏高，阻礙鋁鹽產(chǎn)生帶高電荷的水解聚合物，不利 于膠體脫穩(wěn)： 3 ) 藻類在水中大量繁殖后，所產(chǎn)生的芳香族臭、青草臭、水藻臭、魚腥臭、 霉臭和泥土臭等不同臭味，在處理過程中很難被去除； 4 ) 藻類導致水的色度增高； 5 ) 藻類容易在濾床表面滋生形成一層毯狀物，使快濾池過濾水頭損失增加， 運行周期大為縮短，反沖洗頻繁，產(chǎn)水量大為減少； 6 ) 常規(guī)處理過程中，藻類代謝過程中會釋放出藻毒素，對人體健康帶來危 害； 7 ) 穿透濾池進入管網(wǎng)的藻類以及殘留在水中的生物可同化有機物成為微生 物繁殖的基質(zhì)，促進了細菌生長，甚至可能在管網(wǎng)中生長較大的有機體，如線蟲 和海綿動物等，這些浮游動物是很難消除的，嚴重時可堵塞水表、水龍頭。 ( 5 ) 嗅味 嗅味是影響飲用水水質(zhì)的重要因素，嗅味來源主要有兩大方面：其一是藻類 代謝產(chǎn)物，如土臭素和2 - m i b ；其二是化學污染物。嗅味物質(zhì)在水中的濃度一般 在n g l 數(shù)量級，而且一般呈親水性。預氯化工藝往往會產(chǎn)生刺激性的嗅味或氯 酚味；在氯消毒時氯與氨氮反應會產(chǎn)生揮發(fā)性的氯胺。 1 2 3 常規(guī)飲用水處理工藝強化 強化常規(guī)水處理工藝就是在基本維持原有常規(guī)處理構(gòu)筑物不變的情況下，通 過強化混凝和強化過濾等措施，在除濁的同時增加對有機物的去除。強化混凝就 是通過采取一定措施，根據(jù)不同的原水水質(zhì)，確定混凝的最佳條件，發(fā)揮混凝的 第一章緒論 最佳效果，盡可能地降低能被混凝階段去除的成分，特別是有機成分。主要表現(xiàn) 為：無機或有機絮凝藥劑性能的改善；強化顆粒碰撞、吸附和絮凝設備的研制與 改進；絮凝工藝流程的強化，如優(yōu)化混凝攪拌強度、優(yōu)化反應時間、確定最佳絮 凝p h 條件等。強化混凝是去除水中天然有機物比較經(jīng)濟實用的一種處理工藝。 在美國，強化混凝是達到飲用水消毒消毒副產(chǎn)物( d d b p ) 標準第一階段 要求和控制飲用水中天然有機物( n o m ) 的最佳方法之一。 對于過濾，目前多數(shù)水廠采用廉價的石英砂作為濾料對水進行過濾處理，由 于石英砂的凈水機理主要是機械截留作用，對水中的懸浮物具有比較好的去除效 果，而對溶解性污染物，如重金屬離子、溶解性有機物等幾乎沒有去除作用，因 此為了改善濾池處理效果，確保供水水質(zhì)，需要對濾池系統(tǒng)進行強化改進。對于 過濾工藝采取的強化措施是多方面的，可以對濾速進行控制，使用新型濾池、采 用多層濾料代替單層濾料以及投加助濾劑掣3 1 。 強化常規(guī)水處理工藝通常具有投資省，不需改造新的構(gòu)筑物，不占地及運行 費用低等特點，更適合對原有系統(tǒng)的改造。而且采用強化常規(guī)水處理技術(shù)處理后 的出水水質(zhì)較常規(guī)工藝的水質(zhì)好，尤其是對有機物的去除效果，更是優(yōu)于常規(guī)工 藝。強化混凝是強化常規(guī)處理的一個重要組成部分，在整個強化工藝中具有舉足 輕重的地位。 1 2 4 飲用水預處理技術(shù) 原水預處理，就是在原水進入混凝一沉淀一過濾為核心的常規(guī)處理工藝之 前，通過一定的處理方法，去除那些常規(guī)工藝難以去除的污染物，或者是改變這 些污染物的性質(zhì)，使其能夠通過后續(xù)處理得到有效的去除。一般來說，預處理要 想完全去除某種污染物是非常困難的。因此，改變污染物的性質(zhì)，使之易于被后 續(xù)工藝去除通常是預處理的主要目的。預處理方法主要包括：( 1 ) 化學預氧化技 術(shù)；( 2 ) 生物預處理技術(shù)；( 3 ) 粉末活性炭吸附預處理技術(shù)。上述各種預處理方 法除對水中有機物污染物有去除外，還具有除味、除臭和除色作用。 ( 1 ) 化學預氧化技術(shù) 化學預氧化技術(shù)是在水處理前端投加氧化劑，以氧化水中的有機物或改變有 機物的性質(zhì)，使之在后續(xù)工藝中得到有效去除的強化處理技術(shù)。自從1 9 7 0 年 d i a p e r 等人最先提出預氧化( 當時稱之為預臭氧化p m o z o n a t i o n ) 的處理工藝后， 人們對預氧化作了大量研列引?；瘜W預氧化的目的主要為去除水中有機污染物和 控制氯化消毒副產(chǎn)物，從而保障飲用水的安全性。此外，預氧化的目的還有除藻、 除臭味、除鐵錳和氧化助凝等方面的作用。在預氧化過程中，氧化劑和水中多種 成分作用，能夠提高對有害成分的去除效率，但在一定條件下也會產(chǎn)生某些副產(chǎn) 天津大學博士學位論文澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究 物。各種氧化劑作為預處理藥劑對給水處理的綜合影響程度差別較大。目前能夠 用于給水處理的氧化劑主要有氯、二氧化氯、過氧化氫、臭氧、高錳酸鉀等。衡 量一種氧化劑氧化能力的指標是它的氧化還原電位【9 】，從氧化劑還原電位來看， 幾種氧化劑的氧化能力由強到弱的排序為：臭氧( e o = 2 0 7 ) 高錳酸鉀( e o = 1 6 8 ) 氯( e o = 1 3 6 ) 。 ( 2 ) 生物預處理技術(shù) 飲用水生物預處理技術(shù)1 9 7 1 年始于日本，是指在常規(guī)飲用水處理工藝前增 設生物處理工藝，利用附著在固體表面上的生物膜使水中的氨氮、有機污染物、 亞硝酸鹽、鐵、錳等污染物被初步的去除，減輕常規(guī)處理和深度處理的負荷，通 過綜合發(fā)揮生物預處理和后續(xù)處理的物理、化學和生物的作用達到提高出水水質(zhì) 的目的。由于生物膜上的生物量很大，即使原水中的有機物濃度很低，也能得到 有效處理。另外，由于不斷的充氣，水在填料中多次往復循環(huán)，生物膜不斷更新， 保證了活性，提高了對有機物的去除效果【1 0 1 。微生物只能降解易被生物氧化的有 機物，一般對親水的小于1 0 0 0 分子量的有機物( 這部分有機物也是常規(guī)混凝沉 淀處理工藝難以去除的污染物。) 去除效率高，由于還可以去除氨氮、亞硝酸鹽 氮( 硝化作用) 使水質(zhì)得到全面提高，減輕后續(xù)處理的負擔，因此常用于原水的 預處理 i l l 。生物預處理的主要去除效果：1 ) 飲用水生物預處理可以去除進水中 8 0 左右的可生物降解有機物，如以高錳酸鹽指數(shù)表示，生物預處理的去除率一 般在2 0 - 3 0 ；2 ) 生物預處理對氨氮的去除率可以達到7 0 - - - 9 0 1 1 2 以5 1 。 生物預處理技術(shù)應用于飲用水這類貧營養(yǎng)水的處理，對凈化水質(zhì)起主要作用 的絕大多數(shù)微生物屬于貧營養(yǎng)型，具有時代周期長，繁殖速度慢的特征。為保證 處理效果和加快凈化的效率，必須保證有足夠的微生物量。生物膜法因微生物附 著于載體填料上，相對而言能獲得更為穩(wěn)定的生長環(huán)境，適合于世代周期長的微 生物生存和繁殖，因而絕大多數(shù)生物預處理都采用生物膜法的形式。 ( 3 ) 粉末活性炭吸附預處理技術(shù) 活性炭是一種多孔性物質(zhì)，其中由微孔構(gòu)成的內(nèi)表面積約占總面積的9 5 以上，過渡孔和大孔僅占5 左右?；钚蕴繉τ袡C物的去除主要靠微孔吸附作用。 粉末活性炭吸附預處理工藝通常是將粉末活性炭投；0 nn 原水中，吸附水中的有機 物，然后通過后續(xù)的混凝沉淀加以去除。因粉末活性炭價格便宜、基建投資省、 不需增加特殊設備和構(gòu)筑物、應用靈活等特點，尤其適合于原水水質(zhì)季節(jié)性變化 大的原水凈化和現(xiàn)有常規(guī)處理水廠的工藝改善 1 6 , 17 1 。該方法是完善常規(guī)處理工 藝以去除飲用水中的有機污染物的有效方法之一【1 8 】。 粉末活性炭1 9 2 9 年初次應用于美國新米爾福水廠的目的是為了去除氯酚產(chǎn) 生的嗅味，但隨后的研究發(fā)現(xiàn)它對水中的色、嗅、味的去除效果都十分顯顯著 第一章緒論 1 9 - 2 1 】。七十年代以來，隨著水源污染的日益嚴重以及消毒副產(chǎn)物( d b p ) 的檢出， 人們對去除飲用水源中的酚類、農(nóng)藥、消毒副產(chǎn)物及其前體物方面作了研究，并 發(fā)現(xiàn)粉末活性炭對此類物質(zhì)也有很好的去除效果【2 2 扔】。因此粉末活性炭在水處理 中得到了普遍的應用，且有逐年遞增趨勢。粉末活性炭在美國、荷蘭、法國、比 利時、英國等國都有廣泛的應用【17 1 。 1 2 5 飲用水深度處理技術(shù) 深度處理通常是在飲用水常規(guī)處理工藝以后，采用適當?shù)奶幚矸椒?，將常?guī) 及預處理工藝無法有效去除的微量、痕量有機污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物加以 去除，以提高和保證飲用水質(zhì)。應用較為廣泛的深度處理技術(shù)主要有：活性炭吸 附、臭氧活性炭、高級氧化處理技術(shù)、膜技術(shù)等。 ( 1 ) 粒狀活性炭吸附法：以粒狀活性炭為濾料，常規(guī)處理后的水通過濾池 過濾，水中殘余有機物得以去除； ( 2 ) 臭氧一活性炭處理法：水通過臭氧化后，再通過粒狀活性炭濾池進行 吸附處理，利用臭氧預氧化作用，初步氧化分解在水中的有機物及其它還原性物 質(zhì)，以降低生物活性炭濾池的有機負荷。同時臭氧氧化能使水中難以生物降解的 有機物斷鏈、開環(huán)，將大分子有機物氧化為小分子有機物，提高原水中有機物的 可生化性和可吸附性，從而減小活性炭床的有機負荷，延長活性炭的使用壽命。 另外，由于臭氧在水中自行分解為氧，活性炭柱進水含有較高濃度的溶解氧，因 此促使好氧微生物在活性炭表面繁殖。好氧微生物以活性炭表面吸附的有機物為 養(yǎng)料，將它們轉(zhuǎn)化為二氧化碳和生物量，從而不僅去除了原水中的有機物，而且 在一定程度上使活性炭再生，從而具有繼續(xù)吸附有機物的能力，即大大地延長了 活性炭的使用壽命和再生周期。在水處理過程中臭氧與生物活性炭兩者的作用表 現(xiàn)出互補性； ( 3 ) 高級氧化法：使用化學氧化劑( 臭氧、過氧化氫等) 或運用光催化、 超聲波、紫外線等與化學氧化組合進行水的氧化處理，去除水中有機污染物； 光催化氧化法( p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o n d e g r a d a t i o n ) 處理、凈化受污染水體 的方法是一種高級( 深度) 氧化技術(shù)( a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s t e c h n o l o g y ，簡 稱a o p 或a o t ) 。其研究和應用是近3 0 年來迅速發(fā)展的一個新領域，對許多有 毒有害的有機污染物的處理均顯示出其獨特的優(yōu)勢，如氧化降解水體中不飽和有 機化合物、芳烴、鹵代烴、芳香類化合物、雜環(huán)化合物、染料、表面活性劑、有 機氮磷農(nóng)藥等。光催化能將難降解有機污染物氧化、分解，直至h 2 0 、c 0 2 和無 機鹽等，使有機物部分或完全礦物質(zhì)化( 礦化) ，從而達到污染物無害化處理的 要求【2 6 1 。 天津大學博l ：學位論文澄清池膜過濾用于飲用水處理的工藝研究 超聲空化技術(shù)是指頻率在1 5 k i - i z 以上的超聲波輻照溶液所引起的化學變化 稱之為超聲空化效應。超聲空化是指水中的微小泡核在超聲波作用下被激化，表 現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮及崩潰等一系列動力學過程。超聲空化技術(shù)就是利 用聲解將水中有機物轉(zhuǎn)化為c 0 2 、h 2 0 、無機離子和有機酸等成分。該技術(shù)具有 少污染或無污染、設備簡單等優(yōu)點，同時還伴有殺菌消毒功效，是一種很有潛力 的水處理新技術(shù)。 光激發(fā)氧化技術(shù)是以0 3 、h 2 0 2 、0 2 和空氣等作為氧化劑，將氧化劑的氧化 作用和光化學輻射相結(jié)合，產(chǎn)生氧化能力很強的羥基自由基，其氧化效果要比單 獨使用u v 或0 3 好得多【2 7 j 。目前，研究較多的是u v + 0 3 和u v + h 2 0 2 工藝。 ( 4 ) 膜處理法：運用微濾、超濾、納濾、反滲透等膜技術(shù)，可有效去除水 中各種雜質(zhì)，膜處理既是深度處理技術(shù)，又可單獨形成處理系統(tǒng)，代替水的常規(guī) 處理和其它深度處理流程。 人們對膜的認識已經(jīng)有2 0 0 年的歷史，實用膜的研究開始于上世紀初期， 到了上世紀7 0 年代膜分離技術(shù)開始逐漸發(fā)展起來的，在9 0 年代得到了飛速發(fā)展。 該技術(shù)是一種以壓力為推動力、利用不同孔徑的膜進行水與水中污染物質(zhì)的篩選 分離技術(shù)。近年來，膜分離技術(shù)以其多方面的優(yōu)點在世界各地受到高度重視。膜 分離技術(shù)是最有前途的水處理技術(shù)，膜過濾技術(shù)在過去被廣泛的應用于工業(yè)給水 脫鹽、海水淡化，近幾年朝飲用水方向發(fā)展，可以將各種水源水，包括苦咸水、 海水、高度污染的或被原子核、生物毒劑污染的水制成合格的飲用水。其在國外 已經(jīng)發(fā)展成為飲用水深度處理的核心技術(shù)，歐、美、日等國家和地區(qū)將膜分離技 術(shù)作為2 l 世紀飲用水凈化的優(yōu)選技術(shù)。李圭白【2 8 】等也認為，在我國水環(huán)境急劇 惡化、水質(zhì)污染急劇加重的情況下，為了滿足日益提高的水質(zhì)要求，保證人民群 眾身體健康，膜技術(shù)應用于飲用水處理工藝是水處理技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著 膜技術(shù)的廣泛應用，膜原件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，以及國產(chǎn)膜種類、規(guī)格的不斷更新和 完善，膜的使用價格連續(xù)下降，為在飲用水處理中使用膜技術(shù)創(chuàng)造了便利條件。 1 3 膜分離技術(shù)在飲用水處理中的應用 1 7 4 8 年法國學者a b b en o l l e t 發(fā)現(xiàn)水能自然地擴散到裝有酒精溶液地豬膀胱 內(nèi)，首次提出了膜分離( m e m b r a n c es e p a r a t i o n ) 現(xiàn)象【2 9 1 。2 0 世紀5 0 年代j u d a 試制成功了具有高選擇透過性的陽、陰離子交換膜【3 0 】，6 0 年代l o e d 和s o u r i r a i a n 對不對稱反滲透膜的制備取得了突破性的進展【3 。 1 8 6 1 年s c h m i d t 首先提出了超濾地概念，在1 9 3 6 年f e r r y 作了詳細地介紹。 雖然早在1 0 0 多年前已在實驗室制造微孔濾膜，但直到1