CN112093996A - 一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理方法 - Google Patents

一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理方法 Download PDF

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Abstract

一种人工湿地‑混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理方法，通过单级、多级串联或多级并联的人工湿地对饮用水原水进行深度预处理，降低水源水体中天然有机物(可溶性有机物及生物大分子物质)含量，从而有效降低膜孔堵塞，缓解超滤膜污染；人工湿地预处理能强化混凝处理过程，极大程度降低混凝剂所需量并提升后续膜工艺的膜通量及最终出水水质。该方法可结合当地水质及地形进行因地制宜的布局，并结合生态保护及景观价值的双重可持续发展理念，属绿色净水工艺，简单易行，可为新建采用膜法工艺分质供水的水厂提供借鉴和技术支撑。

Description

一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理 方法
技术领域
本发明涉及给水处理领域，特别涉及一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理方法。
背景技术
超滤，属低压膜分离技术，是一种介于微滤和纳滤之间的膜分离过程，可有效去除水中的颗粒物、胶体、微生物及大分子有机物等。超滤系统由于其操作简单、能耗较低且生产周期短，在饮用水净化领域具备广阔的应用前景。
提高超滤膜系统运行效率、强化超滤膜的抗污染能力及出水水质提升已成为近年来给水处理领域的研究热点。相比超滤膜的改性及新型膜材料研发制备，优化常规净水工艺流程是可最快进行工程化应用的改进方式。超滤膜的进水中有机污染物的含量及其特性(如有机物的分子量)均显著影响着超滤过程。大量研究表明超滤单元进水中的生物大分子物质是造成超滤膜不可逆膜污染的最直接因素。此外，伴随着超滤膜的长期运行，滤膜表面逐渐形成的生物膜及其上富集的微生物代谢产生所产生的胞外聚合物均会加速超滤膜污染，导致膜组件运行周期及使用寿命的降低。因此，如何降低膜滤单元的生物大分子含量及抑制超滤膜表面生物膜的生长，是提升超滤膜运行效率—提升水通量并缓解膜污染所面临的重要问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统及水处理方法，采用人工湿地生物强化深度处理混凝联用技术，并通过膜池浓水内回流工艺极大降低了进水生物大分子及可溶性有机物的含量。同时，由于膜池内部可同化有机碳的降低能一定程度上抑制超滤膜表面微生物的生长，进一步缓解超滤膜的膜污染问题，同时，水质得到提升。本发明提供一种高效的超滤膜抗污染性能工艺，可为新建采用膜法工艺分质供水的水厂提供借鉴和技术支撑。
本发明技术方案之一：提供一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统，包括：人工湿地深度处理模块，调节水池，混凝模块，超滤模块。
进一步的，所述人工湿地深度处理模块包括单级、多级串联或多级并联的人工湿地模块单元；多级串联模式为人工湿地模块单元A1-An串联，多级并联模式为人工湿地模块单元A1-An、B1-Bn……M1-Mn并联,具体运行模式可依据水质、水量及场地限制因地制宜的设计。
更进一步的，所述人工湿地深度处理模块中的人工湿地处理单元选自人工湿地、人工快滤池和人工慢滤池中的一种或多种。
更进一步的，人工湿地还可以是强化型人工湿地。
本发明技术方案之二：提供一种利用上述人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统进行水处理的方法，包括以下步骤：
原水进入人工湿地深度处理模块的人工湿地模块单元进行降解处理；降解处理后进入调节水池；再由调节水池进入混凝模块进行混凝处理，进一步降低进水中的生物大分子及微生物含量；经混凝处理后的水进入超滤模块进行膜滤处理，未滤过为浓水，滤过后得净水，处理得到的净水作为饮用水直接供给或经消毒步骤后供给终端用户。
进一步的，人工湿地模块单元的运行方式为潜流模式。
进一步的，所述降解处理为降解原水中的天然有机物，天然有机物包括可溶性有机物及生物大分子物质。
更进一步的，所述生物大分子物质为分子量大于10kDa的天然有机物。
进一步的，所述混凝处理为加入混凝剂混凝处理。
更进一步的，混凝处理还可以是强化混凝处理或氧化-混凝处理。
进一步的，超滤模块未滤过的浓水回流入湿地处理单元或进行原位矿化，最大程度降低膜池中可溶性有机物的积累。当水体中的生物可同化有机碳(AOC)含量低于50μg/L时，运行系统中的微生物繁殖可得到一定程度的抑制。因此，针对不同水质情况，采用单级或串并联联用的湿地深度处理运行模式并结合后续混凝处理，可使膜池水中生物可同化有机碳含量达到抑制微生物过度繁殖的水平。
进一步的，所述滤过处理使用的超滤膜为平板超滤膜或中空纤维超滤膜，运行方式为死端过滤或错流过滤。
本发明有益效果如下：
(1)本发明针对给水处理中超滤过程，以提高超滤膜抗污染能力及出水水质为目标，提出了一种基于人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理技术的强化超滤膜抗污染能力的方法，通过人工湿地深度预处理联合混凝工艺强化去除原水中的天然有机物，尤其是可溶性有机物及生物大分子物质，通过超滤模块内浓水回流至人工湿地深度处理模块，降低超滤模块内部有机物的积累，控制滤膜表面微生物及胞外分泌物的积累，达到缓解膜污染及水质提升的效果，属绿色净水工艺。
(2)本发明的基于人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统来强化超滤膜抗污染能力的方法，可在已投产的采用超滤膜工艺的净水厂经简单的混凝单元前端改造即可实现，同时符合生态保护及景观价值的双重可持续发展理念，为新建采用膜法工艺进行分质供水的水厂提供借鉴和技术支撑。
附图说明
图1为本发明人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统的水处理流程图；
图2为原水经实施例1、对比例1、对比例2预处理后的过水通量对比图；
图3为原水经实施例1、对比例1、对比例2预处理后的溶解性有机碳含量；
图4为原水经实施例2、对比例3、对比例4预处理后的过水通量对比图；
图5为原水经实施例2、对比例3、对比例4预处理后的溶解性有机碳含量；
图6为原水经实施例3、对比例3、对比例4预处理后的过水通量对比图；
图7为原水经实施例3、对比例3、对比例4预处理后的溶解性有机碳含量。
具体实施方式
现结合附图详细说明本发明的示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
图1为本发明各实施例强化超滤膜抗污染能力方法的流程图。
实施例1
以模拟夏季高藻期地表水作为试验用原水，DOC为11.8mg/L，pH值为8.2，水温为25.0℃。使原水进入单级人工湿地模块单元对原水进行生物降解深度处理，人工湿地模块单元的运行方式为潜流模式，人工湿地的水力停留时间控制为1天，经人工湿地降解处理后的水进入调节水池，人工湿地进入调节水池的产水量为130L/m2/d，调节水池出水进入混凝处理单元，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，混凝剂使用聚合氯化铝，投加量为0.1mM，使混凝单元出水作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。超滤膜池内浓水持续回流至人工湿地模块单元，以使膜池内浓水中生物可同化有机碳含量维持在50μg/L以下的水平。
对比例1
以模拟夏季高藻期地表水作为试验用原水，DOC为11.8mg/L，pH值为8.2，水温为25.0℃。使原水直接进入混凝处理单元，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，混凝剂使用聚合氯化铝，投加量为0.1mM，使混凝单元出水作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。
对比例2
以模拟夏季高藻期地表水作为试验用原水，DOC为11.8mg/L，pH值为8.2，水温为25.0℃。利用原水直接作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。
以过水通量表示膜污染程度，实施例1和对比例1-2的超滤膜污染程度对比结果如图2所示。经实施例1和对比例1-2处理后的溶解性有机碳含量结果如图3所示。
由图2可以得出，原水未经处理直接进行超滤，由于其生物大分子含量较高，其膜污染趋势显著，平衡通量约为977LMH；原水经常规混凝处理再进行超滤，由于混凝能去除部分生物大分子物质，其膜通量污染相对未经处理的原水略有提升，平衡通量约为1880LMH；原水经实施例1处理后，膜污染趋势显著降低，膜通量极大提升，平衡通量达8220LMH。
由图3可以得出，原水DOC为11.8mg/L，经对比例1的预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC分别为10.7和9.55mg/L；经实施例1预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC为2.24和1.98mg/L，出水水质显著提升。此结果证明本发明的基于人工湿地-混凝联用预处理技术的强化超滤膜抗污染能力的方法，单级人工湿地可有效减缓膜污染及提高出水水质，具有可期的应用前景。
实施例2
以模拟夏季高藻期地表水作为试验用原水，此实例中用水较实例1水质较差，DOC为15.6mg/L，pH值为7.9，水温为25.0℃。为确保出水水质及生物大分子物质的充分降解，使原水进入A1-A2两级串联的人工湿地模块单元对原水进行降解处理，人工湿地模块单元的运行方式为潜流模式，人工湿地的水力停留时间控制为1天，经人工湿地降解处理后的水进入调节水池，人工湿地进入调节水池的日产水量为130L/m2/d，调节水池出水进入混凝处理单元，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，混凝剂使用聚合氯化铝，投加量为0.1mM，使混凝单元出水作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。超滤膜池内浓水持续回流至人工湿地模块单元，以使膜池内浓水中生物可同化有机碳含量维持在50μg/L以下的水平。
对比例3
以模拟夏季高藻期某地表水作为试验用原水，此实例中用水较实例1水质较差，DOC为15.6mg/L，pH值为7.9，水温为25.0℃。使原水直接进入混凝处理单元，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，混凝剂使用聚合氯化铝，投加量为0.1mM，使混凝单元出水作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。
对比例4
以模拟夏季高藻期某地表水作为试验用原水，此实例中用水较实例1水质较差，DOC为15.6mg/L，pH值为7.9，水温为25.0℃。利用原水直接作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。
以过水通量表示膜污染程度，实施例2和对比例3-4的超滤膜污染程度对比结果如图4所示。经实施例2和对比例3-4处理后的溶解性有机碳含量结果如图5所示。
由图4可以得出，原水未经处理直接进行超滤，由于其生物大分子含量较高，其膜污染趋势显著，平衡通量约为917LMH；原水经常规混凝处理再进行超滤，由于混凝能去除部分生物大分子物质，其膜通量污染相对未经处理的原水略有提升，平衡通量约为1387LMH；原水经实施例2处理后，膜污染趋势显著降低，膜通量极大提升，平衡通量达7916LMH。
由图5可以得出，原水DOC为15.6mg/L，经对比例4的预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC分别为13.8和12.2mg/L；经实施例2预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC为2.12和1.89mg/L，出水水质显著提升。此结果证明本发明的基于人工湿地-混凝联用预处理技术的强化超滤膜抗污染能力的方法，串联人工湿地可有效减缓膜污染及提高出水水质，具有可期的应用前景。
实施例3
以模拟夏季高藻期地表水作为试验用原水，此实例中用水与实例2相同，DOC为15.6mg/L，pH值为7.9，水温为25.0℃。为确保出水水质及生物大分子物质的充分降解及提高产水量，使原水进入A1-A2，B1-B2双级并联的人工湿地深度处理单元对原水进行降解处理，人工湿地模块单元的运行方式为潜流模式，人工湿地的水力停留时间控制为1天，经人工湿地降解处理后的水进入调节水池，人工湿地进入调节水池的日产水量为260L/m2/d，调节水池出水进入混凝处理单元，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，混凝剂使用聚合氯化铝，投加量为0.1mM，使混凝单元出水作为膜滤单元进水，根据滤膜面积调节水流量为386L/m2/d，选取截留分子量为100kDa的PVDF超滤膜，运行模式为死端过滤，在操作压力为0.1MPa及工作温度为25.0℃的条件下对超滤膜污染程度进行检测。超滤膜池内浓水持续回流至人工湿地模块单元，以使膜池内浓水中生物可同化有机碳含量维持在50μg/L以下的水平。
以过水通量表示膜污染程度，实施例3和对比例3-4的超滤膜污染程度对比结果如图6所示。经实施例3和对比例3-4处理后的溶解性有机碳含量结果如图7所示。
由图6可以得出，原水未经处理直接进行超滤，由于其生物大分子含量较高，其膜污染趋势显著，平衡通量约为917LMH；原水经常规混凝处理再进行超滤，由于混凝能去除部分生物大分子物质，其膜通量污染相对未经处理的原水略有提升，平衡通量约为1387LMH；原水经实施例3处理后，膜污染趋势显著降低，膜通量极大提升，平衡通量达8006LMH。
由图7可以得出，原水DOC为15.6mg/L，经对比例4的预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC分别为13.8和12.2mg/L；经实施例3预处理后，超滤膜滤前、滤后水DOC为2.16和1.91mg/L，出水水质显著提升。此结果证明本发明的基于人工湿地-混凝联用预处理技术的强化超滤膜抗污染能力的方法，并联人工湿地可有效减缓膜污染及提高出水水质，具有可期的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统，其特征在于，包括：人工湿地深度处理模块、调节水池、混凝模块和超滤模块。
2.根据权利要求1所述一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统，其特征在于，所述人工湿地深度处理模块包括单级、多级串联或多级并联的人工湿地模块单元。
3.根据权利要求2所述一种人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统，其特征在于，所述人工湿地模块单元为人工湿地、人工快滤池和人工慢滤池中的一种或多种。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述人工湿地-混凝联用预处理超滤给水处理系统进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
原水进入人工湿地深度处理模块的人工湿地模块单元进行降解处理；降解处理后进入调节水池；再由调节水池进入混凝模块进行混凝处理；经混凝处理后的水进入超滤模块进行膜滤处理，未滤过为浓水，滤过后得净水。
5.根据权利要求4所述水处理方法，其特征在于，所述人工湿地模块单元的运行方式为潜流模式。
6.根据权利要求4所述水处理方法，其特征在于，所述降解处理为降解原水中的天然有机物。
7.根据权利要求4所述水处理方法，其特征在于，所述混凝处理为加入混凝剂混凝处理。
8.根据权利要求4所述水处理方法，其特征在于，超滤模块内未滤过的浓水回流入人工湿地模块单元。
9.根据权利要求4所述水处理方法，其特征在于，超滤模块中滤过处理使用的膜组为平板超滤膜或中空纤维超滤膜，运行方式为死端过滤或错流过滤。
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黄青禾 等主编: "《减灾农业—献给国际减灾十年》", 31 January 1993 *

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