浸入式超滤膜处理净水厂生产废水的研究

博士学位论文浸入式超滤膜处理净水厂生产废水的试验研究STUDYONSUBMERGEDULTRAFILTRATIONMEMBRANEFORTHETREATMENTOFWASTEWATERINWATERTREATMENTPLANT高国伟哈尔滨工业大学2012年1月国内图书分类号：TU991.2学校代码：10213国际图书分类号：628.162密级：公开工学博士学位论文浸入式超滤膜处理净水厂生产废水的研究博士研究生：高国伟导师：何文杰教授申请学位：工学博士学科：市政工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2012年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU991.2U.D.C:628.162DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONSUBMERGEDULTRAFILTRATIONMEMBRANEFORTHETREATMENTOFWASTEWATERINWATERTREATMENTPLANTCandidate：GaoGuoweiSupervisor：Prof.HeWenjieAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineeringDateofDefence：January,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-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)，气洗强度由哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-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PAC，当FeCl3投加量为15mg/L时，通量衰减速率最缓，比不添加混凝剂的衰减速度减缓了43%。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。关键词：净水厂生产废水；超滤；健康安全评价；膜污染Abstract-III-AbstractUnderthebackgroundofstricterstandardfordrinkingwaterquality,conventionalwatertreatmentprocesscanhardlyreachansatisfiedeffectforthereuseofproductionwastewaterofwaterworks,especiallythehealthsafetyriskcausedbyaccumulationofmicroorganism.Asahighlyeffectiveprocessforturbidityandbacteriaremoval,membranetechnologyisgainingmuchcloserattentionandbroaderfieldofapplication.Asforthetreatmentofproductionwastewaterinwaterworks,itisintheearlystageandneedsfurtherstudy.ExternalpressuresubmergedUFtechnologywasadoptedtopurifywastewatergeneratedduringthewatertreatmentprocess.Operationalefficiencyandoptimalparameters,influenceofthewastewateronbothfiltrationandbackwashmodewerediscussedbeforeextendedair-waterbackwashmodeputforward.Basedonwastewaterquality,compositionandformationofmembranefoulingwerestudied;effectsofoperationalcondition,pretreatmentandchemicalbackwashonmembranefoulingcontrolwereanalyzed.TheevaluationofhealthandsafetyriskofeffluentunderbrokenmembranefiberandanoptimumschemecouldprovidetheoreticalandtechnicalsupportfortheapplicationofexternalpressuresubmergedUFtechnologyintheproductionwastewatertreatment.Removalratesofturbidity,bacteria,particlenumber,andFewereallverycloseto100%byUFeventhoughqualityofthewastewatershowedalargefluctuation.Thetreatedwatercouldmeetstandardsfordrinkingwaterquality,withturbiditylowerthan0.1NTU,numberofparticlebiggerthan2μmlessthan1permL,bacterianotdetected,andFelessthan0.05mg/L.RemovalratesofUV254andCODwere35%and40%to85%respectively.Membranehadagoodandstableremovalefficiencyofturbiditythankstothesmallfiberdiameteranditsabilitytowithstandvariationofinfluentturbidity.Turbidityofthetreatedwaterwasbelow0.11NTUandnotaffectedbyinfluentturbidityandoperationalparameters.Irreversibleresistancemodelwasbuiltunderconstantflux,andoperationalmodeofthesystemwasoptimizedbasedonaninvestigationofcompositionandformationofmembranefoulingduringproductionwastewatertreatment.Atalowerinfluentturbidityandwithfiltrationtimeexceeding30min,theinitialirreversibleresistancewas8.5timesthatofstableoperationstateandachievedatwo-foldincreaseduringthesubsequentlystableoperationstate.Stablefoulingrateandawaterproductionrateof92.3%wereobtainedatthefiltrationcycleof27min.Forhigherwaterturbidity,thedecreaseofrecoveryratecouldleadtoaclimbingirreversibleresistance,with40%to85%increaseofirreversibleresistanceand48%哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-to97%increaseoftotalresistancewhenbackwashingrecoveryratewasbelow80%.Forhighturbidityproductionwastewater,whenTMPwasabove0.060Mpa