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国内外饮用水深度处理技术概述

  • 发布时间:2015-12-20
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国内外饮用水深度处理技术概述

  • 发布时间:2015-12-20
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  随着有机化工、石油化工、采矿、农药和医药工业的迅速发展,造成水源水污染的有害物质数量也逐年增多。水源水中的人工合成有机物污染、内分泌干扰物污染等问题 都开始受到人们的关注。这些污染物浓度很低,但很难通过常规的水处理工艺有效去除,且来源难以确定,已成为饮用水水质净化面临的重要挑战。研究表明,通过对原水采用预处理,以及在常规水处理后再进行深度处理可以改善和提高饮用水水质。
  
  一、饮用水预处理
  预处理通常是指在常规处理工艺前面采用适当的物理、化学和生物的处理方法,对水中的污染物进行初级去除。同时使常规处理更好的发挥作用,减轻常规处理和深度处理的负担,发挥水处理工艺的整体作用,改善和提高饮用水水质。工程中可采用的预处理方法有:生物预处理法、化学预氧化法、粉末活性炭法等。
  
  (1)生物预处理法
  针对水源水被污染的特性,可适时增加生物预处理。生物预处理主要是对原水进行曝气或其他生物处理,去除水中氨氮和生物可降解有机物,包括生物接触氧化池和曝气生物滤池等。1971年,日本的小岛贞男首次成功地将生物接触氧化法应用于富营养化水源水预处理,去除藻类60%^80%,氨氮90%以上,嗅味50%-70%,使水厂出水水质得到明显改善,把本来属于污水处理应用范畴的生物法引人了给排水处理领域。
  生物预处理工艺以生物膜法为主导,生物预处理的填料上生长着细菌、原生动物、后生动物等微生物形成生物膜,在与水接触时,生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物和氮、磷等营养物质。去除常规工艺不能充分去除的氨氮、亚硝酸盐氮、藻类、可生物降解有机污染物等,此外,还能去除或减少可能在加氯后生长的致突变物质的前驱物,不同程度地去除原水中的铁、锰、色、嗅及浊度,从而使水得到净化。其中,CODMn,,去除率一般为15%-20%,氨氮和亚硝酸盐去除率可高达80%以上。
  生物预处理适合于水中有机污染物可生化性较强、无工业废水污染的情况,对优先污染物去除效果也不佳,且无法间歇运行等。如果原水受生活污水污染,有机物和氨氮较高〔接近或超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002) 中的111类水体的上限〕,与增加臭氧一活性炭深度处理相比,选用生物预处理是解决该类水质问题的经济合理的选择方案。生物预处理方案的确定应结合已有研究成果和原水水质特征进行必要的模拟试验,确定生物预处理的工艺适用性、池型及设计和运行参数。
  
  (2)化学预氧化法
  化学预氧化法是将氯、臭氧、高锰酸盐等氧化势较高的氧化剂投加到原水中,以氧化或者催化氧化水中的有机物或改变有机物的性质,同时削弱污染物对常规处理工艺的不利影响,强化常规处理工艺的除污效能。化学预氧化的目的主要是为去除水中有机污染物和控制氧化消毒副产物,从而保障饮用水的安全性。此外预氧化的目的还有除藻、除嗅和味、除铁和锰、氧化助凝等作用。
  在传统给水处理工艺中,可在多个点加人氧化剂,氧化剂在不同点起着不同的作用。在预处理过程中,氧化剂和水中多种成分作用,能够提高对有害成分的去除效率,但各种氧化剂作为预处理对给水处理的综合影响程度较大。目前,能够用于给水处理的氧化剂主要有臭氧、高锰酸盐、氯、二氧化氯、过氧化氢等。
  
  (3)粉末活性炭法
  粉末活性炭法通常将粉末活性炭投加到原水中,吸附水中的有机物,然后通过后续的混凝沉淀加以去除,该法能够显着改善水的色嗅味、对相对分子质量为1000-5000 的有机物有较好的去除效果,对于相对分子质量较小的有机物,吸附效果往往随有机物 性质的不同而差别较大。国外对粉末活性炭吸附性能做的大量研究表明:粉末活性炭对三氯苯酚、二氯苯酚,农药中所含的有机物,三卤甲烷及前驱物以及消毒副产物三氯乙酸、二氯乙酸和二卤乙睛等均有很好的吸附效果。粉末活性炭可分为干式投加和湿式投加两种,一般干式投加采用干式投加机,湿式投加采用计量泵。从净水效果和操作环境考虑,推荐采用湿式投加。粉末活性炭的投加点一般是水厂进出口、快速混合处、反应 池中段和滤池进口,其投加量根据水质的不同而变化较大。
  粉末活性炭与粒状活性炭相比具有基建与投资少、使用灵活、管理方便的特点,特别适于季节性短期污染高峰负荷的水质净化。在水源受污染较重的季节,投加粉末活性炭可作为应急措施。粉末活性炭可与硅藻土、高锰酸钾等药剂联用,不仅可以节省投加量,也能取得更好的处理效果。
  
  二、饮用水深度处理
  在饮用水常规处理后再加上深度处理,能够对微量的影响水质安全的杂质起到很好的去除效果。得到很好的水质,另外,现在对直饮水需求的呼声越来越高,深度处理技术就显得更为重要。
  
  (1)砂滤技术
  利用石英砂,去除大颗粒的水中悬浮物,降低水的浊度。
  
  (2)活性炭吸附技术
  活性炭属于一种非极性吸附剂,对非极性、弱极性的有机物有很好的吸附能力。在水处理中,主要用于去除水中的有机物、胶体硅、微生物、余氯、嗅味、色度及部分重金属离子,除余氯效果更佳。活性炭作为一种深度处理技术,可以用来吸附去除水中的有机物、色、嗅、味、和部分重金属离子。但在直饮水处理中只能与膜过滤、离子交换器联合应用,作为其预处理技术,滤料为颗粒活性炭。活性炭过滤器在以往的工程中,也可用活性炭与臭氧连用方法,处理效果明显。作为膜法过滤、离子交换器的预处理,对这些设备能起到很好的保护作用。
  
  (3)离子交换软化技术
  常用的钠离子交换系统、电渗析——钠离子交换系统和弱酸氢——钠离子串联系统3种。它通过阴、阳离子交换去除水中的钙、镁离子,降低水中硬度。
  
  (4)电渗析技术
  在外加直流电场的作用下,利用离子交换膜的选择透过性(即阳膜只许阳离子通过,阴膜只许阴离子通过),使水中阴阳离子作定向迁移,从而达到离子从水中分离的过程。其主要作用是脱出水中的盐。体积较大,管理、维护要求较高。
  
  (5)电吸附技术原理
  电吸附水处理技术,又名电吸式水处理技术(Electro Sorb Technology),简称EST技术。它是利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子的现象,使水中溶解盐类及其它带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化或淡化的一种新型水处理技术。原水从一端进入阴、阳电极组成的空间,从另一端流出。原水在阴、阳极电极之间流动时受电场作用,水中带电粒子将分别向带相反电荷的电极迁移,被该电极吸附并储存在双电层内。随着电极吸附带电粒子的增多,带电粒子在电极表面富集浓缩,最终实现与水的分离,使水中的溶解盐类、胶体颗粒及其带电物质滞留在电极表面,而获得净化水或淡化水。
  
  (6)微滤膜技术
  微滤膜也称微孔滤膜,属于筛型精滤介质,表面截留微粒、污染物,达到净化、分离、浓缩等目的。微滤膜大多是由具有一定刚性和均匀性的纤维素、高分子聚合物材料、无机材料制成的多孔性过滤介质。微滤膜过滤技术,使过滤从一般比较粗糙的相对性质,过渡到精密的绝对性质。它可以分为表面型和深层型两类。鉴于微孔滤膜的分离特征,微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物,以达到净化、分离、浓缩的目的。制备微孔滤膜的材料很多,商品化的主要有:纤维素脂类、聚酰胺类、含氟材料类、聚烯烃类、无机材料类、聚酯类和聚砜类。其中水处理应用最多的是前五种。
  
  (7)超滤技术
  超滤是水和处理应用中较早、较成熟的一种膜分离技术。能够将溶液净化、分离或者浓缩。超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程,膜孔径范围为0.05μm(接近微滤)~1nm(接近纳滤)。超滤的典型应用是从溶液中分离大分子物质(如细菌)和胶体。超滤膜可视为多孔膜,其截留取决于膜的过滤孔径和溶质的大小、形状。其分离机理主要依靠物理筛分、扩散、迁移作用,小分子物质可以透过该膜,而大分子物质则被阻在膜外。超滤可以除去水中直径为0.005-10um的微小物质,可以去除水中胶体粒子,改善水体感官性状,去除水中有机物、细菌等,同时保留对人体有益的微量元素。超滤可以截流水中的胶体,去除水中的细菌、病毒、大分子颗粒,但此方法不能脱盐。
  
  (8) 反渗透技术
  反渗透是相对于渗透而言的。渗透是一种溶剂(通常指水)通过一种半透膜进入一种溶液或者是从一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透。而反渗透则是在溶液一边加上比自然渗透压更高的压力,扭转自然渗透方向,把浓溶液中的溶剂(水)压到半透膜的另一边稀溶液中,这是和自然界正常渗透过程相反的,因而成为反渗透。反渗透作为一门新型膜分离技术,利用高分子膜进行物质分离,可去除水中98%以上的溶解性盐类和99%以上的胶体、微生物和有机物等,成为现代纯水、高纯水、海水淡化工程中最佳设备。它最突出的特点是无污染、工艺简单、易于操作维修。反渗透处理机理与超滤相似,但它可以有效地脱除水中的无机离子、小分子,与超滤不同的是它具有脱盐的性能,已在国外广泛应用,也是深度处理饮用水最好的方法。
  
  (9)纳滤技术
  与超滤及反渗透等膜分离过程一样,纳滤也是以压力差为推动力的膜分离过程,是一个不可逆过程。其分离机理可以利用电荷模型(空间电荷模型和固定电荷模型)、细孔模型以及近年来才提出的静电排斥和立体阻碍模型等来描述。与其他膜分离过程比较,纳滤的一个优点是能截留透过超滤膜的小相对分子质量的有机物,又能透析反渗透膜所截留的部分无机盐——也就是能使”浓缩“与脱盐同步进行。纳滤是国际上近几年发展起来的一种膜分离技术,它的孔径范围在1nm-5nm之间,分子量在100-200Dalton之间的有机物可脱除一部分,分子量在200Dalton以上的有机物,基本完全脱除。而且能脱除水中的细菌、色度、病毒和溶解性有机物等,并保留部分对人体有益的微量元素,其脱盐率为80%以上。
  
  (10)膜生物反应器技术
  膜生物反应器(MBR)是由膜分离技术与生物反应器相结合而形成的一种生物化学反映系统。膜生物反应器工艺的实质是生物降解与膜分离相互影响、共同作用的过程,即MBR在利用微生物对水中可生物降解污染物进行生物转化的同时利用膜组件分离水中不可生物降解杂质,并截留生化反应的产物——生物体。膜生物反应器的研究始于60年代的美国,70年代,日本由于污水再生利用的需要,开始重视膜分离技术在废水处理与回用中的应用,建产省分别组织日本的大学、研究所,企业开始了全面的研究,该研究的深入使得膜生物反应器开始在污水处理中得到了应用。80年代后,国际上对膜生物反应器的研究更是方兴未艾,研究内容更加全面,为今后的广泛推广应用奠定了基础。与传统的生化水处理技术相比,MBR具有以下主要特点:处理效率高、出水水质好;设备紧凑、占地面积小;易实现自动控制、运行管理简单。80年代以来,该技术愈来愈受到重视,成为研究的热点之一。膜生物反应器技术已在美国、日本、英国、德国、南非、澳大利亚等国家和地区的污水和废水处理领域得到推广和应用。
  
  (11)生物活性炭技术
  生物活性炭技术是多年来在饮用水处理的应用实践中产生的。在它的发展过程中,联合使用臭氧和活性炭进行处理起到了相当重要的作用。以预臭氧代替预氯化,可以使水中一些原不易被生物降解的有机物变成可被生物降解的有机物。此外,臭氧预氧化的同时还可以提高水中溶解氧的含量。水中溶解臭氧在活性炭的催化分解下,在炭床的顶部很快分解,因此不会抑制炭床中微生物的生长。在适当的设计和运行条件下,活性炭床保持好氧状态,在活性炭颗粒的表面生长着大量的好氧微生物,在活性炭对水中污染物进行物理吸附的同时,又充分发挥了微生物对水中有机物的分解作用,显着提高了水质,并延长了活性炭的再生周期。由于这种活性炭床具有明显的生物活性,后来被称之为生物活性炭。欧洲从20世纪70年代末开始了生物活性炭的大规模研究与应用。我国从20世纪80年代初也开始了生物活性炭技术的研究,目前已有部分给水厂采用了臭氧生物活性炭深度处理工艺。
  
  (12)光催化氧化技术
  对饮用水中致癌物质特性的研究,结果发现这些致癌物质主要是由小相对分子质量的有机物造成的,一般处理技术对此去除率不高。近20年来发展起来的光化学催化技术对相对分子质量小于120的有机物具有良好的去除能力。自1972年,日本A.Fujishima和K.Honda在n型半导体二氧化钛(TiO2)电极上发现了水的光电催化分解作用之后,国内外的研究人员对二氧化钛(TiO2)产生了深厚的兴趣。二氧化钛(TiO2)氧化活性较高,化学稳定性好,对人体无毒害,成本低,无污染,应用范围广,因而最受重视,是目前应用最广泛的纳米光催化材料,也是最具有开发前途的绿色环保型催化剂。研究表明,纳米二氧化钛(TiO2)能处理多种有毒化合物,可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂、木材防腐剂和燃料油等很快地完全氧化为CO2、H2O等无害物质。此外,纳米二氧化钛(TiO2)在降解毛纺染料废水、有机溴(或磷)杀虫剂等到方面也有一定效果。无机物在二氧化钛(TiO2)表面也具有光化学活性。例如,废水中的Cr6+具有较强的致癌作用,在酸性条件下,二氧化钛(TiO2)对Cr6+具有明显的光催化还原作用。在PH值为2.5的体系中,光照1h后,Cr6+被还原为Cr3+,还原效率高达85%。迄今为止,已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米二氧化钛(TiO2)或ZnO而迅速降解,特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时,这种技术有着明显的优势。
  
  (13)预处理技术
  受污染地表水源中的有机物、氨氮和藻类,常常使常规处理工艺出现混凝恶化、过滤周期缩短、出厂水中余氯难以保持等问题。在常规处理前进行化学或生物预处理成为水处理工艺中必不可少的部分。水处理中的预处理技术包括预氯化、生物预处理、臭氧预处理、高锰酸钾复合剂预处理、高锰酸钾预处理、紫外线预处理、过氧化氢预处理等。
  
  (14)活性氧化铝吸附技术
  活性氧化铝是一种极性吸附剂,对水分有很强的吸附能力。活性氧化铝含巨大比表面积,其比表面积约为200~500m2/g。用不同的原料,在不同的工艺条件下,可制得不同结构、不同性能的活性氧化铝。当水的PH=7.1时,它吸附阴离子的亲和力顺序为OHˉ>Fˉ>SO42ˉ>Clˉ>HCO3ˉ。当原水的PH值和碱度较低时,除氟容量较高,价格比合成树脂低,还可用于饮水除砷。活性氧化铝(γ-Al2O3)用于饮水除氟在国外已是相当成熟与普遍的方法;在国内的15种理化除氟方法中,该法应用也最为广泛,且比较成功。该法的优点是:吸附容量较高,强度好,耐磨,使用寿命长,性能稳定,除氟后的水质符合国家规定的卫生标准。其不足之处是:在原水不调pH值、活性氧化铝粒度较粗(Φ2~3mm)、连续运行4~6h后出现”疲劳“现象;以往采用硫酸铝作再生剂时,铝离子又有一定的环保问题,而且初滤水水质差,活性氧化铝还有可能发生板结。
  
  (15)骨炭吸附过滤技术
  X射线荧光光谱仪的定性分析表明,骨炭主要由Ca、P、S等组成,X射线衍射仪的结构分析结果表明,其主体成分是羟基磷酸钙,差热-热重分析结果证明羟基磷酸钙上的羟基是相当稳定的,很难与其他离子发生离子交换过程,也不易脱水,发射光谱仪分析结果指出,经骨炭降氟处理的出水中Ca2+含量明显减少,说明Fˉ与Ca2+生成CaF2,被骨炭巨大的比表面积吸附而降低原水中的氟含量。改性骨炭还可以用于除砷。除砷剂的骨架材料具有巨大的比表面积和吸附性能,对除砷功能基团铁盐与水中砷形成的络合物有特异的亲和力,以此达到除砷目的。
  
  (16)消毒技术
  消毒在安全饮用水供应中是绝对重要的。在饮用水处理中,消毒对许多病原体尤其是细菌是一个有效的屏障,基本上所有的设施,包括水源保护、合理的水处理工艺合输配水系统中预防和去除微生物的管理对策,都应与消毒结合进行。
  目前国内外水消毒技术可分为三大类:化学消毒、物理消毒和抑菌技术。化学消毒分为加氯消毒和臭氧消毒;物理消毒法以紫外线消毒为主,辅以太阳能辐射、微波或加热、膜氯菌和高氧化还原电位酸性水;抑菌技术包括渗银活性炭和KDF(一种原子化高纯度的铜锌合金颗粒)。
  加氯消毒包括氯气消毒、次氯酸盐消毒、氯氨消毒、二氧化氯消毒。虽然加氯消毒具有持续性的灭菌能力,运行、控制相对简单,但对某些原生动物及隐孢菌素的灭活能力较弱,消毒过程中易产生卤代甲烷及其它有毒的致癌物,并且化学药剂的制备、运输、仓储需要可靠的安全保护系统。
  臭氧消毒所用的臭氧通常是由干燥的氧气或空气经高压脉冲电离而产生的。与传统的加氯消毒法相比,臭氧消毒不会产生卤代甲烷,且对隐孢子菌有更强的灭活性。但臭氧消毒工艺往往因协及到气体干燥、电极冷却、水气混合等程序,其设备投资成本高。另外,臭氧质量与浓度易随时间而衰减,没有持续消毒 的能力,对水中残存有机物的分解受PH影响大(在PH小于5时,氧化分解能力大幅度降低)。
  紫外线消毒是通过微生物细胞体内核酸吸收了紫外线的光能,破坏DNA及RNA分子结构而达到消毒效果。紫外线消毒不会产生其他副产物,无需化学药剂的制备、仓储、运输。但紫外线对一些病毒(如肠弧病毒和轮状病毒)的灭活能力较弱,消毒没有持续性,消毒后的细菌存在”复活“现象。另外,紫外线杀菌能力受水质影响大,当水浊度大,透光率小时,紫外消毒灭菌能力大大降低。还有,产生紫外线的水银弧光极易在灯管表面结垢,造成消毒效果下降,常需清洗甚至更换,从而导致较高的维护费用。
  渗银活性炭是将活性炭浸于含银化合物溶液中,使活性炭颗粒上吸附上一定量的银,凭借消毒微动力作用,破坏细菌的酶活性,使其DNA分子断裂,抑制细菌在活性炭颗粒上的生长繁殖。
  KDF技术是在净水器中将KDF与活性炭组合,去除水中余氯及其氯化有机物,抑制细菌生长。其作用机理有以下几种:一是因电子转移而建立的电离场,使大多数微生物不能存活;二是能使水中的Clˉ和O2ˉ形成氯氧基OCl和过氧化氢H2O2,二者可干扰微生物的正常活动能力;此外,合金中的铜具有抑制细菌生长的能力。KDF处理介质的使用寿命很长,保守估计在10年以上。
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