浸入式超滤膜处理净水厂生产废水的研究

摘要

在饮用水水质标准越加严格的大背景下,常规工艺对净水厂生产废水处理利用的弊端日渐突出,特别是回用中微生物累积造成的健康安全风险不容忽视。膜技术作为公认的高效除浊、除菌工艺,越来越多的受到人们的关注,应用的领域也越加宽泛,但是对于净水厂生产废水处理还处于起步阶段,很多的问题还需进一步研究。本文采用外压浸入式超滤处理净水厂生产废水,研究了污染物去除效能及超滤运行参数优化,探讨了净水厂生产废水对系统过滤模式和反冲洗方式的影响,提出了气水延时反冲洗方式。结合生产废水特点,研究了超滤处理生产废水膜污染构成及形成过程,分析了运行工况、预处理和化学清洗对膜污染防治的影响。对膜丝破损后的出水健康安全风险进行评价,提出工艺优化方案,为外压浸入式超滤应用于净水厂生产废水处理提供了理论和技术支撑。
　　净水厂生产废水水质波动性较大,但是超滤对浊度、细菌、颗粒数以及铁的去除率几乎达到100％,出水浊度低于0.1NTU,大于2μm的颗粒数小于1个/mL,细菌多次检验均未检出,铁含量小于0.05mg/L。对UV254以及耗氧量的去除率在35%和40-85%,出水水质满足饮用水标准。由于膜孔径较小,对浊度的去除效果明显,生产废水浊度和运行参数的变化都没能影响膜出水浊度,对进水浊度具有很高的抗冲击负荷能力,膜出水浊度在0.11NTU以下,对浊度的去除效能稳定。
　　研究了超滤处理净水厂生产废水中膜污染构成及形成过程,建立了恒通量下的不可逆阻力模型,并根据此模型对系统运行模式进行了优化。结果表明进水浊度较低时,当过滤时间超过30min,运行初期的不可逆阻力是系统稳定后的8.5倍,且在后续稳定运行中,会使不可逆阻力增加一倍。当过滤周期为27min时,膜污染速率稳定且产水率高达92.3%;当进水浊度较高时,反冲洗恢复率的降低使得不可逆阻力升高,当反冲洗恢复率低于80%时,不可逆阻力增加40-85%,总阻力增加48-97%。对高浊度净水厂生产废水膜阻力变化率研究发现,当TMP超过0.060MPa时,膜阻力变化率增加5倍,1min内膜阻力可增加51.65×10-6m-1。处理高浊度净水厂生产废水以恒定末期TMP为0.060MPa的方式运行时,膜污染速率最稳定。
　　为使系统在不同浊度下获得高于90%的反冲洗恢复率,对膜阻力形成机理进行了分析,并对气水延时反冲洗方式进行了优化。结果表明,最佳气水延时反冲洗方式为气洗40s,水洗20s,其中水洗强度为95.2L/(m2.h),气洗强度由不同浊度形成的膜阻力确定。当进水浊度小于70NTU时,膜阻力以膜自身阻力为主,最高占总阻力的57%,滤饼层阻力几乎可以忽略,气洗强度为65L/(m2.h);当进水浊度在70-232NTU之间时,膜阻力中滤饼阻力和膜自身阻力并重,两者合占总阻力的85%,气洗强度为143L/(m2.h)。当进水浊度大于232NTU时,膜阻力以滤饼阻力为主,占总阻力的51%,气洗强度为190L/(m2.h)。
　　考察了不同混凝剂对出水有机物去除以及减缓膜污染效果的影响。在有机物去除方面,PAC>铝盐>铁盐,当PAC投加量为30mg/L时,去除率达84.7%;在减缓膜污染方面,铝盐、铁盐和PAC对膜通量衰减速度:铁盐<铝盐　　采用蒙特卡罗法,以系统出水颗粒数为指标,对出水健康安全风险进行了分析和评价。结果显示,出水中颗粒数在五个不同范围内的分布均符合对数正态分布函数,参数分别为(11,6)、(46,9)、(87,16)、(529,91)、(800,85)。出水颗粒数小于20个/mL时,50%的累积概率风险值在10-6数量级,低于最大可接受年风险水平一个数量级,健康安全风险值低;出水颗粒数在30-60个/mL之间时,与最大可接受年风险水平处于同一数量级,超过最大可接受年风险的累积概率为17.64%,健康安全风险值适中;当出水中颗粒数量在60-120个/mL时,超过最大可接受年风险的累积概率为89.01%,健康安全风险值高;出水颗粒数量在300个/mL以上时,终生健康风险值在10-2级,高出最大可接受风险两个数量级,健康风险值极高,应及时对膜丝进行修补。

目录

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 净水厂生产废水回用背景

1.2 常规回用工艺研究现状

1.2.1 国外研究现

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 常规工艺的缺点

1.3 超滤技术处理生产废水的研究进展

1.3.1 超滤技术概述

1.3.2 国内外超滤处理生产废水的研究进展

1.3.3 超滤处理生产废水中的膜污染研究

1.4 研究目的、意义和研究内容

1.4.1 研究目的和意义

1.4.2 课题来源

1.4.3 研究内容

1.4.4 课题研究的技术路线

第2章 试验装置与试验方法

2.1 试验装置及膜材料

2.1.1 小试装置图

2.1.2 中试装置图

2.1.3 膜材料

2.2 试验水质

2.2.1 浊度

2.2.2 常规指标

2.3 分析方法

2.3.1 分子量分布测定

2.3.2 扫描电镜

2.3.3 常规分析方法

2.3.4 膜的完整性测试

第3章 超滤处理生产废水污染物效能及运行参数优化研究

3.1 引言

3.2 生产废水水质特点对污染物去除效能的影响

3.2.1 浊度去除效能的影响

3.2.2 细菌的去除效果

3.2.3 颗粒物的分布特点及去除效果

3.2.4 有机物去除效能的影响

3.2.5 铁的去除效果

3.3 超滤处理生产废水运行方式的选择及优化

3.3.1 处理低浊度生产废水的运行方式

3.3.2 处理高浊度生产废水的运行方式

3.3.3 恒通量不可逆阻力分析

3.4 反冲洗方式优化及气水延时反冲洗

3.4.1 反冲洗液位及反冲洗方式对反冲洗效果的影响

3.4.2 气水延时反冲洗时间对反冲洗效果的影响

3.4.3 气水延时反冲洗强度对反冲洗效果的影响

3.4.4 生产废水水质特点对气水延时反冲洗膜污染去除效果

3.5 操作条件对跨膜压力的影响

3.5.1 温度对跨膜压力的影响

3.5.2 通量对跨膜压力的影响

3.6 本章小结

第4章 超滤处理生产废水中膜污染的形成与防治研究

4.1 引言

4.2 超滤处理生产废水过程中膜污染的形成

4.2.1 膜阻力构成及形成过程

4.2.2 生产废水浊度对膜阻力形成的影响

4.2.3 过滤时间对膜阻力形成的影响

4.2.4 有机物相对分子质量对膜污染的影响

4.3 预处理对膜污染的防治

4.3.1 不同混凝剂对膜通量的影响

4.3.2 FeCl3投加量对膜通量的影响

4.3.3 不同混凝剂对UV254去除效果的影响

4.3.4 粉末活性炭投加量对UV254去除率的影响

4.4 化学清洗对跨膜压力的恢复效能

4.4.1 化学清洗方式对跨膜压力恢复效能的影响

4.4.2 化学清洗药剂对跨膜压力恢复效能的影响

4.5 膜表面扫描电镜及膜污染分析

4.6 本章小结

第5章 膜丝破损性试验及出水健康风险评价

5.1 引言

5.2 膜丝破损性试验研究

5.2.1 破损率对出水颗粒数的影响

5.2.2 破损率对UV254去除率的影响

5.3 膜丝破损的出水健康风险评价

5.3.1 健康风险评价方法

5.3.2 颗粒数分布函数的确定

5.3.3 颗粒数健康风险评价

5.3.4 蒙特卡罗法健康危害风险评价

5.4 破损膜丝的修补

5.5 本章小结

第6章 超滤技术经济分析

6.1 引言

6.2 运行成本核算

6.2.1 运行成本构成

6.2.2 电费理论计算

6.3 实例分析

6.3.1 工艺流程简述

6.3.2 工艺设计参数

6.3.3 投资费用估算

6.3.4 运行成本分析

6.3.5 经济性比较

6.4 本章小结

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