浸没式超滤膜处理地表水的性能及膜污染控制研究

【摘要】： 当前我国的地表水源普遍受到污染,常规给水处理工艺已经无法满足要求日益严格的饮用水水质标准,迫切需要开发新型水处理技术。随着膜技术的进步,人们发现包括微滤和超滤在内的低压操作膜分离过程能满足要求,其中又以超滤出水水质更佳而得到更多的关注。浸没式超滤膜由于其过滤面积较大并且安装操作方便而具有更广泛的应用潜力,但就其在饮用水处理中的实际应用而言,仍存在一些关键问题需要解决。 本论文主要针对膜特性、预处理和运行方式等对浸没式超滤膜过滤性能的影响进行研究,从预处理和运行条件两方面来研究膜污染控制技术,提出膜运行优化工艺方案,并分析用浸没式超滤膜来替代常规饮用水生产工艺的可行性,为浸没式超滤膜在水厂的实际应用提供重要技术支撑。 首先针对不同截留分子量和材质的超滤膜对原水中有机污染物等的去除效能进行研究,结果表明,随着膜截留分子量的减小,超滤膜对浊度和有机物的去除率逐渐升高,但超滤膜对溶解性有机物的去除率较低。不同材质的超滤膜对有机物的去除率存在差异,表明不同材质的超滤膜与有机物之间存在着不同的相互作用。进而,试验针对膜材质和有机物对膜污染的影响进行研究,结果表明,大于30KDa的亲水性有机物和憎水酸容易引起可逆膜污染,而小于1KDa的亲水性有机物容易引起不可逆膜污染,但有机物引起不同材质超滤膜污染的程度不同,并且引起不同材质超滤膜污染的有机物种类也有所不同。长期膜过滤过程中,聚偏氟乙烯(PVDF)膜对分子量小于1K和1K~3KDa有机物的吸附速度比聚氯乙烯(PVC)膜和聚砜(PS)膜要快,膜污染也较快,聚砜(PS)膜抗有机污染的能力较好。 由于浸没式超滤膜对有机物的去除作用有限,并且污染较快,试验考察了预处理对膜出水水质的改善效果及其对膜污染的控制作用。预膜滤试验中,随着预过滤膜孔径或截留分子量的减小,预膜滤对原水浊度和有机物的去除率逐渐升高,而且膜运行过程中的表面饼层阻力逐渐减小,堵孔阻力也有明显降低,但由于吸附阻力主要由小分子有机物引起,试验中采用的预膜滤不能有效降低膜的吸附阻力。其他预处理方式包括混凝、粉末活性炭(PAC)预吸附+混凝、污泥回流、炭泥回流四种,结果发现,膜前预处理对原水浊度和有机物具有较好的去除效能,可显著提高膜出水水质,其中炭泥回流对膜出水水质的改善作用最为明显,在本试验条件下其对原水中浊度、DOC、UV254、CODMn、BDOC和THMFP的去除率分别达到93.8%、37.3%、41.1%、48.7%、83.0%和57.9%。各预处理可对水中颗粒物和膜污染有机物有不同程度的去除作用,因而膜前预处理可以有效降低膜运行的跨膜压力,从而延缓膜污染。对膜运行过程中的膜阻力分析可知,各预处理均能有效降低膜表面饼层阻力和浓差极化阻力,而炭泥回流预处理还可有效降低膜的吸附阻力,且其总阻力值也最低,这主要是由于炭泥回流对原水浊度以及容易引起可逆膜污染和不可逆膜污染的有机物均具有较好的去除效能。 研究还发现,运行条件也是影响膜过滤性能的重要因素,试验主要研究了过滤方式对膜出水水质和膜污染的影响以及临界通量的影响因素。结果表明,恒压和恒流两种过滤条件下,膜对颗粒物和有机物的去除作用相差不大。在长期运行过程中,恒压过滤引起的不可逆膜污染比恒流过滤严重,而通过选择合理的膜通量和清洗方式,采用恒流过滤可使膜在较长时间内保持稳定运行。曝气、间歇过滤间歇曝气和混凝均可以提高超滤膜过滤原水时的临界通量,几种操作方式相结合可以在膜长期运行过程中有效缓解膜污染。此外,短期通量阶梯增加试验所得出的临界通量值对浸没式超滤膜的实际应用具有一定的指导意义。 在前面实验室研究的基础上,针对国内两处地表水进行了浸没式超滤膜处理地表水的中试研究,在浸没式超滤膜处理苏州内河水的研究中,混凝、PAC预吸附+混凝、污泥回流和炭泥回流四种预处理可以提高超滤膜的出水水质,另外炭泥回流预处理对原水中颗粒物和有机物的去除率比其他三种预处理要高,因而炭泥回流可以更加有效的缓解膜污染。对运行条件的研究结果表明,曝气和间歇过滤相结合可以较好的控制膜污染,但在应用时应选择合理的曝气强度。混凝预处理可降低膜运行的TMP,其与曝气和反洗方式相结合可以更好的缓解膜污染。在浸没式超滤膜处理东江水的研究中,膜出水浊度比水厂同期砂滤出水具有优势,均保持在0.1NTU以下,但膜对有机物的去除率与砂滤相差不大。对膜的运行条件优化研究发现,在东江水水质条件较好的情况下可选取较高的膜通量,运行时膜过滤周期应作适当的缩短,过滤周期之间采用有效的物理清洗并辅助以短时间的在线化学清洗可保证膜过滤的长期稳定运行,另外用NaClO和HCl相结合的清洗方式可使膜比通量有较大程度的恢复。

【关键词】：浸没式超滤膜 地表水 膜特性 预处理 运行条件 膜污染
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU991.2
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