臭氧陶瓷膜集成工艺处理微污染原水研究

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1、臭氧/陶瓷膜集成工艺处理微污染原水研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：范小江指导教师：张锡辉教授二○一五年一月CombiningOzonationwithCeramicUltrafiltrationforTreatingDrinkingWaterfromMicro-pollutedWaterSourceDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinEnvir

2、onmentalScienceandEngineeringbyFanXiaojiangDissertationSupervisor:ProfessorZhangXihuiJanuary,2015摘要摘要微污染水源的净化处理是我国饮用水安全领域面临的重大挑战。传统的饮用水常规处理工艺不能有效去除微污染物，而传统的饮用水深度处理工艺流程冗长，投资和运行成本大幅上升。本文采用新型的耐氧化平板陶瓷超滤膜（膜孔径60nm），构建了半程混凝/臭氧/陶瓷膜-生物活性炭新型集成工艺，能够将传统的常规工艺和深度处理进行高度集成，大幅度减少工艺流程的单元数目。本文从实验室、现场小试和中试（120

3、m3/d）等三个层次进行了全面系统研究。在实验室证明了臭氧/陶瓷膜协同作用，为其一体化集成提供了理论和技术证据。臭氧在负载MnO2/Al2O3催化剂陶瓷膜孔内的分解速率是膜孔外的428倍，H2O2、pH、SO2--2+4、NO3、Ca等因素都对膜孔内的反应有显著影响，臭氧对硝基苯和阿特拉津在陶瓷膜孔道内的降解过程加快。本文提出了膜孔“纳米反应器”概念以阐明这些反应现象，在水处理领域具有重要的创新意义。通过现场小试研究，证明了集成工艺“半程混凝/臭氧/陶瓷膜-生物活性炭”的技术有效性；通过中试工艺证明了集成工艺连续运行效果的稳定可靠性和运行成本的经济性。膜出水浊度低于0.1NT

4、U，大于2μm的颗粒数少于10个/mL。出水细菌总数、大肠杆菌和藻类等微生物细胞数几乎是0。集成工艺对UV254、CODMn、DOC的去除率分别为85%、87%和73%，对消毒副产物三卤甲烷、卤乙酸和三氯乙醛生成势的去除率分别为77%、76%和83%，对微量有机污染物土臭素、2-甲基异莰醇、8种环境内分泌干扰污染物（EDCs）和14种残留药品与个人护理品（PPCPs）去除率分别为96%、88%、98%和98%。原水氨氮浓度低于3.5mg/L时，氨氮去除效率大于97%，出水氨氮低于0.1mg/L。中试集成工艺运行成本为0.423元/m3水。臭氧能够比KMnO4、ClO2和NaC

5、lO等三种氧化剂更有效地控制陶瓷膜污染；投加臭氧2~5mg/L能够稳定控制膜污染。采用高岭土、腐植酸、海藻酸钠和牛血清蛋白等四种模型污染物进行的研究表明，各种混合性的污染物对膜污染的形成具有复杂的协同作用。投加足够的臭氧量，可以直接改变有机物的结构性质，减少有机物在陶瓷膜表面吸附或者促进有机物的脱附，实现对陶瓷膜的原位化学清洗。这对于本文开发的集成工艺的稳定运行具有重要意义。本论文开发的集成工艺基于臭氧/陶瓷膜协同作用，可以取代传统工艺和深度处理工艺，在水厂现有构筑物基础上实现工艺升级，具有重要理论和工程意义。II摘要关键词：微污染原水；臭氧；陶瓷膜；膜孔“纳米反应器”；饮用

6、水处理IIIAbstractAbstractThetreatmentofdrinkingwaterfrommicro-pollutedwatersourceisoneofthegreatchallengesinthefieldofdrinkingwatersafetyinChina.Thetraditionaltreatmentprocesstraincannotefficientlyremovemicro-pollutants.Whilethefrequently-usedadvancedtreatmentprocesstrainhassomeproblemsaslongp

7、rocedures,highinvestmentandoperationcost.Thisthesisinvestigatedaninnovativeintegratedprocessincludingcoagulation,ozonation,ceramicultrafiltration(UF)andbiologicalactivatedcarbon(BAC)filtration,combiningtheregularandadvancedtreatmentprocesstogether,inwhic