饮用水纳滤深度处理系统优化设计与工程示范研究

摘要

当前，在水源地微污染普遍存在的生态环境条件下，如何通过采用先进的深度处理技术对传统水净化工艺进行升级改造，成为保障饮用水安全的重要内容。纳滤膜是近10年快速发展饮用水深度处理新技术，该技术不仅能够有效去除水体中多种有机物、适度去除无机离子，还可保持产水pH值中性，能在更广泛的水源条件下保障饮水安全。
　　论文以饮用水纳滤过程中膜系统优化设计、组合工艺及工程示范为核心研究内容。针对现有商品化纳滤膜，在特性分析与应用调研基础上，参照与类比超滤和反渗透膜的分离性能变化规律和膜系统设计方法，首次提出基于水处理应用领域的纳滤系统优化设计的数学模型;采用工程设计与模式验证结合法、理论模型推导、计算机软件模拟的研究方法，给出纳滤系统优化设计的重要约束指标及优化排列方式，提出与纳滤膜特性相关的多元化设计排列模式。同时针对钱塘江水源特性，开展以纳滤为关键技术的深度净化工艺设计与应用研究，首次开发了满足钱塘江潮汐水源特性的高回收率的超滤+纳滤+反渗透的三膜集成深度净化技术，并通过实际工程长期示范，为同类水源的纳滤深度净化提供了丰富全面的理论依据与实践经验。研究主要取得如下进展:
　　1.从数学规划的角度提出基于水处理应用领域的纳滤系统优化设计数学模型，结合纳滤系统工程设计特点对模型进行分析简化处理为可求解的经典模式。最终确立了以目标截留率和最高回收率为目标的优化模型的各限值约束指标，并给出短流程膜排列的变量结果，指出了不同系统约束条件下优化排列模式变量的差异性，为纳滤膜工程化设计与规模化应用提供了理论依据。
　　2.通过试验测试与理论推导结合的方法，首次测算了纳滤膜表面的盐浓差极化程度，并明确给出满足系统优化设计目标的量化限值为1.2;建立了浓差极化指标、膜面最低流速与截留率、回收率之间的关联，确立了纳滤系统极限回收率的测算方法，为纳滤系统膜污染的预防提供了理论依据。
　　3.给出了以溶解扩散机理为系统约束条件的纳滤膜饮用水处理设计优化短流程排列模式。对于规模化膜系统设计，纳滤所需流程可以较反渗透缩短:当目标回收率大于80％时，纳滤系统可采用二段式设计而非反渗透系统要求的三段式设计模式，二段式设计减少了系统设计的复杂性和长流程造成的压力损失，这对纳滤膜系统的合理化排列设计提供了重要参考与依据。
　　4.开展了钱塘江水源纳滤膜处理特性和优化工艺的中试研究。通过对两种预处理工艺产水指标的长期跟踪对比，选择UF+NF为自来水源的主要净化工艺;通过试验研究，确定了纳滤膜运行临界通量，并研究了纳滤膜的钱塘江水源无机盐、有机物和pH等水质指标变化的特性规律。
　　5.开展了钱塘江水源以纳滤膜为关键技术的示范工程研究，对各水文站采集水质数据进行跟踪分析，研究了钱塘江潮汐水源特性，结合前期成果设计建设了一套500m3/d的“超滤+纳滤+反渗透”三膜集成饮用水深度处理示范装置，水回收率达到90％以上，并进行长达二年的调试、运行与数据分析，从运行稳定性、水质保障性、经济可行性等方面论证了三膜集成工艺对饮水安全保障的可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 纳滤膜及产品现状

1．2．1 纳滤膜传递机理

1．2．2 常见纳滤膜材质与特点

1．2．3 商品化纳滤膜产品

1．3 纳滤膜饮用水处理技术国内外研究与应用进展

1．3．1 纳滤膜在饮用水安全保障方面的研究

1．3．2 饮用水净化工程纳滤膜系统的设计与应用

1．3．3 饮用水纳滤膜技术研究的不足与问题

1．4 论文研究的主要内容

1．4．1 饮用水纳滤膜系统优化设计模式的研究

1．4．2 钱塘江水源纳滤膜特性和优化工艺的中试研究

1．4．3 钱塘江水源纳滤膜技术示范工程系统研究

1．4．4 研究路线框架图

第2章 纳滤膜系统优化设计基础与研究方法

2．1 纳滤膜系统优化设计研究基础

2．2 试验研究内容和方法

2．2．1 无机盐体系试验内容

2．2．2 实际水源试验内容

2．2．3 反渗透模拟计算软件

第3章 纳滤膜基本性能的影响因素研究

3．1 纳滤膜选择与性能测试条件

3．2 纳滤膜基本性能测试结果

3．2．1 单一介质氯化钠溶液测试结果

3．2．2 单一介质硫酸镁溶液测试结果

3．3 影响纳滤膜系统设计重要因素

3．3．1 浓水流量及浓产水流量比值对纳滤膜产水量的影响

3．3．2 浓水流量变化对纳滤膜过程截留性能的影响

3．3．3 浓产水流量比变化对纳滤膜过程截留性能的影响

3．3．4 无浓永纳滤过程的产水通量与截留性能的变化

3．4 本章小结

第4章 纳滤膜表面浓差极化度与系统最大收率研究

4．1 纳滤膜表面浓差极化度的测算

4．1．1 纳滤膜浓差极化理论计算模型

4．1．2 纳滤膜表面的浓差极化程度测试与计算

4．1．3 纳滤膜与反渗透膜表面浓差极化程度的比较

4．2 纳滤膜系统最大回收事的确定模型

4．2．1 纳滤系统难溶盐浓缩倍率计算

4．2．2 纳滤膜表面浓差极化对系统收率的影响

4．3 本章小结

第5章 纳滤膜系统优化设计约束条件研究和控制

5．1 膜系统设计约束条件与确定方法

5．2 纳滤膜系统设计优化约束条件的确定

5．2．1 单一介质浓水流量与浓产水量比的限值

5．2．2 混合介质浓水流量与浓产水量比的限值

5．2．3 实际水源浓水流量与浓产水量比的限值

5．3 本章小结

第6章 纳滤膜系统结构优化设计模式

6．1 纳滤膜系统设计的主要内容

6．2 膜系统结构的优化设计

6．2．1 纳滤膜单元基本结构

6．2．2 膜单元的优化排列方式

6．2．3 改善膜单元最大回收率的方法

6．3 纳滤膜系统极限回收率

6．3．1 难溶盐极限回收率

6．3．2 关于浓差极化极限收率

6．3．3 纳滤膜系统最大收率的确定

6．3．4 不同分离机理纳滤膜的优化设计建议

6．4 本章小结

第7章 钱塘江水源超滤+纳滤膜处理试验研究

7．1 钱塘江水源自来水特性

7．2 预处理工艺选择研究

7．2．1 试验工艺介绍

7．2．2 不同预处理工艺SDI指标的比较

7．2．3 SDI测试膜片污染比较

7．2．4 超滤膜对浊度的去除

7．2．5 超滤膜的运行效果

7．3 UF+NF工艺运行效果分析

7．3．1 UF预处理条件下纳滤膜适量选择

7．3．2 纳滤膜对无机盐的去除效果

7．3．3 UF+NF工艺对有机物的去除作用

7．3．4 纳滤膜进水与产水的pH变化与反渗透膜对比

7．4 本章小结

第8章 钱塘江潮汐水源纳滤膜示范系统应用研究

8．1 钱塘江成潮水的采样与分析

8．1．1 钱塘江成潮对水源水质变化的影响

8．1．2 萧山仓前钱塘江水源电导率变化

8．1．3 钱塘江水源的水质特点概括

8．2 纳滤膜示范系统介绍

8．3 纳滤膜示范系统运行与分析

8．3．1 超滤膜单元的调试运行

8．3．2 纳滤膜单元的调试运行

8．3．3 浓水反渗透单元的调试运行

8．3．4 纳滤膜示范装置的水质净化效果

8．4 成本与效益分析

8．5 本章小结

第9章 结论与展望

9．1 结论

9．1．1 纳滤膜系统优化设计模式的研究

9．1．2 钱塘江水源纳滤膜特性和优化工艺的试验研究

9．1．3 钱塘江水源纳滤膜工程示范系统研究

9．2 主要创新点

9．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果