混凝微滤工艺处理微污染原水和低放废水的应用研究

论文摘要

随着水质标准的提高和膜法水处理成本的降低,混凝微滤工艺在处理微污染原水和低放废水领域越来越受到重视。混凝工艺能提高出水水质,同时其絮体在膜表面沉积也有效延缓了膜污染;微滤膜工艺则能有效的发挥过滤功能。在天津市某水厂建立了两套浸没式混凝微滤中试系统,即浸没式混凝膜过滤（SCMF）工艺和浸没式膜混凝反应器（SMCR）工艺,处理规模分别为150和300 m3/d,目的在于为建设混凝微滤工艺的自来水厂提供必要的基础参数和运行管理经验。与中国工程物理研究院合作开发了混凝微滤工艺处理低放废水的装置,在相关的设计中,对聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜的耐辐射性能也进行了研究。SCMF工艺稳定运行时,膜通量为53.3 L/（h·m2）,过滤时间为30 min,气水联合反洗为80 s。在稳定运行的154 d内,共进行了5次化学清洗。原水的水质状况显著影响膜污染的速率和出水的水质。低温低浊时期的原水水质较好,混凝剂FeCl3的投加量为6 mg/L;常温时期投加混凝剂聚合氯化铝1020 mg/L,并增大了强化通量维护（EFM）的频率;夏季高温高藻期的原水水质较差,需要进一步采取预氯化和降低膜通量等措施来控制膜污染。SMCR工艺采取连续曝气,出水8 min停歇2 min的运行方式,气水比为15:1,排泥周期可由24小时延长为48小时,膜通量为16.7 L/（h·m2）,FeCl3的投加量为34 mg/L。SMCR工艺在稳定运行的134 d内,从未进行化学清洗。在原水水质变差时同样需要采取加大混凝剂投剂量和增加预氯化等措施来控制膜污染和提高出水水质。混凝微滤工艺的出水水质稳定可靠,满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。SCMF、SMCR工艺的平均出水浊度均为0.09 NTU,出水浊度≤0.1 NTU的部分所占比例分别为89.5%和92.0%,表明混凝微滤工艺对浊度有良好的去除效果。SCMF工艺的平均出水CODMn为2.03 mg/L,SMCR工艺为2.25 mg/L。出水细菌指标良好。SCMF工艺的产水率为90.9%,SMCR工艺的产水率可达98.8%。SCMF、SMCR工艺的电耗分别为0.20、0.42 kW·h/m3,考虑电费和药剂费用之和,SMCR工艺为0.247元/m3,高于SCMF工艺低温低浊时期的0.162元/m3,而低于其常温期0.264元/m3。混凝微滤工艺对微污染原水中可溶性有机物和消毒副产物前体物的去除研究发现,原水中的溶解性有机物以小分子为主,其中分子量介于3k-1k Da之间的有机物THMs的生成能力最强;膜分离出水中大分子有机物的含量具有较大幅度的降低,而小分子物质去除效果较差,甚至出现负增长的现象;比较不同有机物指标的去除效果,在各个分子量区间,UV254的去除率高于DOC;两套处理系统对THMFP的去除率在40%左右。采用粉末活性炭吸附工艺可以提高THMFP的去除效果,烧杯试验确定了吸附平衡时间为45 min;在相同投加吸附时间的情况下,发现PAC在投加量为20 mg/L时,去除率为57%。采用不同的剂量和剂量率对浸泡在pH=10的氢氧化钠溶液中的PVDF中空纤维微滤膜进行辐照。对辐照前后的样品作相关的性能测试,得到了膜耐辐射的剂量限值和辐射后的膜性能变化,辐射与PVDF膜的化学反应机理表明,膜表面生成-OH、-COOH和不饱和键,从而影响了通量、最大孔径、力学强度等指标,最后对装置的设计提出了工程化建议。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水环境污染及控制
• 1.1.1 我国水资源短缺状况
• 1.1.2 我国地表水环境污染及控制状况
• 1.1.3 我国放射性污染及控制状况
• 1.2 微污染原水的处理技术
• 1.2.1 微污染原水的定义和特点
• 1.2.2 微污染原水处理的传统工艺
• 1.2.3 传统工艺所面临的问题
• 1.2.4 微污染原水处理技术的发展
• 1.3 低浓度放射性废水处理技术
• 1.4 膜分离技术在水处理中的应用
• 1.4.1 膜分离技术概述
• 1.4.2 膜分离技术在处理微污染原水中的应用
• 1.4.3 膜分离技术在处理低放水中的应用
• 1.5 混凝微（超）滤工艺在水处理中的研究进展
• 1.5.1 混凝微（超）滤集成工艺的影响因素
• 1.5.2 pH值对集成工艺处理效果的影响
• 1.5.3 混凝剂种类和投加量对处理效果的影响
• 1.5.4 混凝对集成工艺中微（超）滤膜性能的影响
• 1.5.5 混凝微（超）滤集成工艺膜污染机理研究
• 1.6 研究背景、内容和技术路线
• 1.6.1 混凝微滤工艺处理微污染原水
• 1.6.2 混凝微滤工艺处理低放废水
• 1.6.3 研究技术路线
• 第二章 试验装置与方法
• 2.1 SCMF工艺概述
• 2.1.1 SCMF工艺试验装置
• 2.1.2 SCMF工艺运行方法
• 2.2 SMCR工艺概述
• 2.2.1 SMCR工艺试验装置
• 2.2.2 SMCR工艺运行方法
• 2.3 水质分析方法
• 2.4 膜污染分析方法
• 2.5 膜耐辐射性能测试
• 2.5.1 试验材料与辐射试验
• 2.5.2 测试试验与方法
• 第三章 SCMF工艺研究
• 3.1 SCMF工艺试运行阶段
• 3.1.1 原水水质概述
• 3.1.2 试运行工艺概述
• 3.1.3 试运行期间工艺研究
• 3.1.4 试运行期间水质研究
• 3.2 SCMF工艺稳定运行阶段
• 3.2.1 工艺稳定运行情况概述
• 3.2.2 铝盐混凝剂预处理阶段
• 3.2.3 铁盐混凝剂预处理阶段
• 3.2.4 工艺运行参数优化研究
• 3.2.5 工艺稳定运行期间处理效果研究
• 3.3 SCMF工艺中的膜污染控制
• 3.3.1 膜污染阻力分析
• 3.3.2 膜污染定量描述
• 3.3.3 反洗工艺对膜污染控制的影响
• 3.3.4 混凝剂投加量对膜污染控制的影响
• 3.3.5 膜通量的强化维护工艺
• 3.4 膜污染物质分析及清洗
• 3.4.1 膜污染物质成分分析
• 3.4.2 膜清洗方法研究
• 3.5 本章研究结论
• 第四章 SMCR工艺研究及其与SCMF工艺比较
• 4.1 SMCR工艺运行概况
• 4.2 SMCR工艺处理效果研究
• 4.3 排泥周期对系统运行的影响
• 4.3.1 排泥周期对膜的比通量的影响
• 4.3.2 膜分离池内混合液的粒度分布
• 4.3.3 排泥周期对工艺出水水质的影响
• 4.3.4 膜分离池内有机物的积累和分子量分布
• 4.4 SMCR与SCMF工艺对比
• 4.4.1 出水水质主要指标对比
• 4.4.2 产水能力与产水率对比
• 4.4.3 工艺运行总体稳定性对比
• 4.4.4 工艺运行费用对比
• 4.5 本章结论
• 第五章 可溶性有机物与THMFP的去除研究
• 5.1 超滤法测定可溶性有机物分子量分布
• 5.2 原水的有机物分子量分布规律
• 5.2.1 原水在不同时期的有机物构成
• 5.2.2 原水有机物的构成比例
• 5.2.3 原水中不同分子量区间的THMFP
• 5.3 SCMF工艺出水中有机物的分子量分布
• 5.3.1 预氯化工艺对出水分子量分布的影响
• 5.3.2 混凝剂种类对出水分子量分布的影响
• 5.4 SMCR工艺出水中有机物的分子量分布
• 5.5 混凝微滤工艺对THMFP的去除
• 5.6 粉末活性炭对THMFP的吸附去除
• 5.6.1 PAC吸附时间对THMFP的去除
• 5.6.2 PAC投加量对THMFP的去除
• 5.7 本章结论
• 第六章 PVDF中空纤维微滤膜耐辐射性能研究
• 6.1 研究技术路线与实验概况
• 6.2 试验原料及辐射
• 6.3 膜性能测试试验方法
• 6.3.1 通透性能测试
• 6.3.2 最大孔径和孔隙率测试
• 6.3.3 力学性能测试
• 6.3.4 表面结构测试
• 6.3.5 表观形貌测试
• 6.3.6 热分析及动态热力分析
• 6.4 耐辐射限值试验研究
• 6.4.1 水通量变化研究
• 6.4.2 最大孔径变化研究
• 6.4.3 力学性能变化研究
• 6.4.4 本部分研究结论
• 6.5 低剂量辐射下膜性能变化试验研究
• 6.5.1 通透性能变化研究
• 6.5.2 最大孔径变化研究
• 6.5.3 孔隙率变化研究
• 6.5.4 膜的微观形貌
• 6.5.5 膜外表面红外光谱
• 6.5.6 膜外表面XPS光电子能谱
• 6.5.7 结晶度变化研究
• 6.5.8 动态热力学性能变化研究
• 6.5.9 纤维膜性能变化研究结论
• 6.6 项目研究工程实用化结论
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢