膜法饮用水净化与处理

1混凝剂种类和用量对膜法饮用水净化处理出水水质影响混凝是饮用水处理工艺中至关重要的单元，能够有效去除大分子憎水性有机物和溶解性磷酸盐，提高了出水水质的生物稳定性。混凝经常与膜法联合应用于饮用水处理领域，水厂一般采用铝盐或铁盐作为常规的混凝剂。研究表明，混凝所去除的主要是疏水性大分子量(3000-100000)有机物，残留在水中的有机物多为亲水性小分子。水样经过预处理后，结构松散的矾花沉积在膜表面，而小分子有机物会沉积在矾花上，不会直接沉积在膜表面。通过膜清洗等方法，滤饼层被冲洗干净，从而避免了膜污染。1.1混凝剂对出水水质的影响S.J.Judd等应用混凝-微滤联合工艺处理地表水，发现混凝剂采用铁盐和铝盐均可以提高天然有机物(NOM)的去除效果，同时减少三氯甲烷前体的形成，而且随着混凝剂投加量的增加泥饼层比阻力减少，分析原因为泥饼层的透水性增加或者为膜表面随着混凝剂药剂量增加抗污染性得到了改善。A.T.Pikkarainen等在文献基础上研究了混凝预处理对MF处理地表水的作用，试验为中试规模，原DOC分别为7.81mg/L和6.30mg/L，UV254分别为0.37cm-1和0.36cm-1，采用的混凝剂分别为FeCl3、Fe2(SO4)3、AlCl3和PAC。试验结果同样发现四种混凝剂的投加使膜分离系统泥饼层的形成过程发生了变化，减少了泥饼层比阻力；投加混凝药剂后对于DOC的去除率在78%～88%之间，FeCl3在四种药剂中效果最佳；UV254的去除率≥99%，处理效果良好。纪洪杰等利用混凝沉淀-PAC-UF工艺处理黄河下游引黄水库冬季原水，并进行了原水的混凝试验，从而确定适合原水水质的最佳混凝剂投加量。混凝试验中，混凝剂采用聚合氯化铝，对0、2、4、6、8、12、16mg/L(以Al2O3计)等7个聚铝投量水平进行考察，混凝条件为：快速混合反应1min(150r/min)，慢搅分为两个阶段，第一阶段4min(60r/min)，第二阶段5min(30r/min)，然后静置20min，取上清液进行水质检测，结果如图1所示。最终得到的最佳聚铝投加量为6mg/L。图1聚铝投加量对浊度和UV254的去除效能的影响董秉直等通过研究不同的混凝剂对有机物各组分的去除效果发现，三种混凝剂去除效果差别明显，聚氯化铝去除DOC的效果最好，其次是聚硅硫酸铝，最差是氯化铁。对于UV254，它们之间的去除效果差别较小，效果最好的为氯化铁，其次是聚氯化铝，最差的是聚硅硫酸铝。试验结果如图2所示。图2不同混凝剂对有机物的去除效果田家宇等在超滤膜/混凝生物反应器去除饮用水中有机物的效能研究中发现，当聚合氯化铝投加量为10mg/L时，UF-MCBR对溶解性有机物指标即DOC和UV254的去除率分别达到44.0%和54.5%，对综合有机物指标即TOC和CODMn的去除率分别达到49.0%和58.5%，对可生物降解有机物指标即BDOC和AOC的去除率分别达到72.8%和58.3%。超滤、生物降解以及混凝的协同作用确保了UF-MCBR对溶解性有机物的去除，就DOC而言，三者的贡献率分别为11.1%、6.2%和26.7%。1.2混凝剂对膜污染的影响董秉直等对不同混凝剂改善超滤膜通量的效果进行试验，发现利用不同的混凝剂来做预处理，它们对通量的改善显示了不同的效果。聚硅硫酸铝改善通量的效果最差，其次为氯化铁，它们过滤结束时的通量分别为初期通量的28%和32%。聚氯化铝改善通量的效果最为明显，在整个过滤过程中，聚氯化铝处理水的通量始终明显高于其他三种水样，而且到过滤后期，它们之间的通量差距越来越明显，这说明聚氯化铝处理水的通量下降最为缓慢。聚氯化铝处理水过滤结束时的通量为47%。王胜江等在研究不同混凝剂对各种超滤膜跨膜压力的影响时发现，对于PVDF膜，投加铝盐作为混凝剂后，跨膜压力升高情况较投加铁盐混凝剂时有较大的减缓，在50%左右；而材质为PVC合金的膜则投加铝盐后效果较铁盐要差。对于膜法处理工艺中预处理采用的混凝剂，应该根据膜的材质进行选择。膜的操作方式对于混凝剂选择并没有太大的影响。1.3结论(1)目前在饮用水处理与净化中主要用到的混凝剂为铝盐和铁盐，而具体的混凝剂种类的选择则要根据不同的处理工艺与进水水质等多方面因素来综合考虑；(2)由于地区、进水水质及处理工艺等的差异，导致混凝剂的最佳投加量没有一个固定值，而需要由试验来进行确定；(3)混凝预处理对膜通量的影响非常复杂，最佳投药量须通过试验确定。对于膜法处理工艺中预处理采用的混凝剂，应该根据膜的材质进行选择。膜的操作方式对于混凝剂选择并没有太大的影响。2不同沉淀池（斜管、竖流）内部设计对膜污染的影响沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响出水水质。传统的沉淀分离机理是絮凝体借助接触碰撞相遇，表面吸附水中大量悬浮物和胶体以及部分天然有机物，絮体以单颗粒分选沉降模式从水中分离去除。当原水中絮体颗粒的浓度较高时，由于絮体间距的缩小，表面的接近和接触，这种分选的自由沉降会逐渐转变为非分选的干扰沉降。由于水源水质的有机污染增加，水中除含有悬浮物和胶体物以外，又增加了大量低分子可溶性有机物、各种金属离子、各种盐类、氨氮等有机和无机成分。它们是很难借助絮体的碰撞或架桥吸附而被去除的。实测资料表明水的浊度与有机物关系十分密切。将水的浊度降低至0.5NTU以下，则有机物可能减少80%。所以强化常规处理、提高沉淀池净化效果、降低出水浊度，是处理受污染水的一项重要技术措施。2.1不同沉淀池对比(1)平流式沉淀池平流式沉淀池的构造见图3。平流式沉淀池的优点较多，例如，造价较低；操作管理方便，施工较简单；采用机械排泥的效果好；尤其是对原水浊度适应性较强，潜力大，处理效果稳定，是一种较为理想的沉淀设备，在大、中型水厂中的应用较多。但平流式沉淀池占地面积大，对水厂建设中的征地问题影响较大。机械排泥设备的维护与维修问题也应引起重视。图3带回转式隔板反应机械排泥的平流式沉淀池(2)竖流式沉淀池竖流式沉淀池的结构见图4。竖流式沉淀池排泥较方便，一般与反应池合建，不需另建反应池，而且占地面积较小，通常应用于小型水厂。但竖流式沉淀池中上升流速受颗粒沉降速度所限，出水效果不理想，而且竖流式沉淀池在施工中难度较大。竖流式沉淀池已逐渐被各种澄清池所取代，现已很少采用。图4竖流式沉淀池(3)辐流式沉淀池辐流式沉淀池沉淀效果好，而且由于采用机械排泥装置，排泥效果好。不过基建投资及经营费用大，使用及维护均较平流沉淀池复杂。辐流式沉淀池一般适用于高浊度水的预沉。辐流式沉淀池的构造见图5。图5幅流沉淀池(4)斜管、斜板沉淀池斜板或斜管沉淀池是一种在沉淀池内装置许多间隔较小的平行斜板或管径较小的平行倾斜管的沉淀池，见图6。从改善沉淀池水力条件的角度来分析，由于斜板沉淀池水力半径大大减小，从而使雷诺数Re大为降低，而弗劳德数Fr则大为提高。斜管沉淀池的水力半径更小。传统的理论认为，斜板沉淀池中的水流基本上同层流状态，而斜管沉淀池的Re多在200以下，甚至低于100。斜板沉淀池的Fr一般为10-3~10-4,斜管的Fr将更大。因此，斜板、斜管沉淀池满足了水流的稳定性和层流的要求，其处理水效果应较平流沉淀池更好。但实际情况并非如此，从国内水厂的应用情况可知，斜板或斜管沉淀池存在着抗冲击负荷能力差、排泥效果差等问题，其运行效果与平流沉淀池相比，并未显现出优势。分析其原因，主要是：①在相同流量的情况下，由于斜板、斜管沉淀池的停留时间短，其抗各种不利因素的能力较弱；②斜板斜管沉淀区只占沉淀池的1/2～1/3，这一区域的Re与Fr不能代表整个斜板、斜管沉淀池的水流状态，而在平流沉淀池中，沉淀区的水流状态基本一致，因此，平流沉淀池的Re和Fr与斜板、斜管沉淀区Re和Fr不具有可比性；③斜板、斜管沉淀池的进水区约占整个池子容积的1/3，进口配水是否均匀和稳定对沉淀池的影响远远超过这一区域对平流沉淀池的影响。图6斜板(管)沉淀池2.2沉淀池对膜污染的影响膜污染是影响膜法饮用水处理与净化技术应用的主要问题之一。随着运行时间的增加，膜孔内的吸附堵塞和表面滤饼层都将造成膜污染，导致膜渗透通量的下降或跨膜压差的升高。陶润先等在混凝-超滤工艺处理低温低浊原水的试验研究中发现，在工艺流程为原水-混凝池(FeCl3)-斜管沉淀池-V型滤池-加氯消毒时，在原水直接超滤过程中，就整体的TMP变化而言，随着过滤时间的延长，TMP不断增加。运行60h(第120个周期)时，TMP0已由初始的10kPa增加至64kPa，TMP30最高达到111kPa；就单个产水周期而言，周期内的TMP变化幅度显著提高。3臭氧、紫外与氯消毒技术的筛选与优化为防止通过饮用水传播疾病，在生活饮用水处理中，消毒是必不可少的。消毒并非要把水中微生物全部消灭，只是要消除水中致病微生物的致病作用。致病微生物包括病菌、病毒及原生动物胞囊等。3.1常用消毒工艺目前国内外常用的消毒工艺有液氯消毒、二氧化氯消毒、紫外线消毒和臭氧消毒等。1、氯(Cl2)具有余氯的持续消毒作用；药剂易得，成本较低，工艺简单，技术成熟；操作简单，投量准确；不需要庞大的设备。但原水有机物高时会产生有机氯化物(THMs)，具致癌、致畸毒害作用；处理水有氯或氯酚味；氯气有毒，腐蚀性强，运行、管理有一定的危险性。能有效杀菌，但杀灭病毒的效果相当差。2、ClO2消毒ClO2是一种强氧化剂，其有效氯含量是液氯的2.6倍。它可与许多物质发生氧化反应，对含酚水以及对水中的Fe2+、Mn2+、CN-等无机离子均有良好的去除效果。使用二氧化氯消毒能有效控制饮用水中卤仿等有机卤代物的形成。投放简单、方便，不受pH值影响，但ClO2是不稳定的化合物，对温度、压力和光较敏感，遇火花和有机物易爆炸，不利于大批量制取和运输，只能就地生产，就地使用。制取设备复杂，操作管理要求高。3、紫外线消毒细菌受紫外光照射后，紫外光谱能量被细菌核酸所吸收，使核酸结构破坏，从而达到消毒的目的。紫外线消毒速度快、接触时间短，反应快速、效率高，无需投加任何化学药剂，不影响水的物理性质和化学成分，不增加水的臭和味，操作简单，便于管理，易于实现自动化。其缺陷是水中悬浮物的浓度直接影响消毒效果，对色度和有机物无去除作用，且一次投资较高。紫外线消毒系统主要由紫外灯管、管架及自动清洗装置组成。4、臭氧消毒臭氧是一种带有鱼腥味的气体，臭氧的特性很不稳定并具有很强的氧化性(还原电位2.07，是人类已知最强的氧化剂之一)，因此人们就用其强氧化性来进行杀菌消毒。臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应,穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA；臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上。3.2臭氧消毒特点臭氧制备法有电晕放电法、紫外线法、化学法和辐射法等，工程一般采用电晕放电法。臭氧消毒具有以下特点：1）杀菌谱广，对几乎所有的细菌、微生物都具有极强的杀灭能力；2）杀菌作用速度快，是氯的600~3000倍，紫外线杀菌的1.5-5倍；3）易溶于水；4）可在低温下使用；5）不易受各种物理化学因素影响；6）毒性低，消毒后无残留毒害；7）使用安全，由于采用高科技和先进的生产工艺，无须人工干预，安全可靠；8）无二次污染：臭氧消毒后还原成氧气，无任何有毒有害物质残留。9）消除色度：臭氧在消毒的同时，对降低出水色度十分有效。10）去除部分有机物：臭氧在降低色度的同时，可去除部分产生色度的有机物。但操作要求高，设备复杂，基建投资较大。臭氧消毒系统主要由臭氧发生器、尾气回收装置及辅助设备组成。根据以上比较，综合考虑消毒效果、水质要求等，推荐采用臭氧消毒工艺。4地表水关键污染物去除组合工艺技术我国目前城市给水处理普遍采用常规处理工艺，即“混凝→沉淀→过滤→消毒”工艺流程。该工艺流程具有投资省、运行稳定、