饮用水深度净化技术的现状与发展方向

第35卷　第6期2003年6月　哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报JOURNAL OF HARBIN INS TITUTE OF TECHNOLOGYVol .35No .6June ,2003饮用水深度净化技术的现状与发展方向刘淑彦,王秀蘅(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘　要:常规的给水处理工艺以去除浊度和细菌为主要目的,对有机物尤其是溶解性有机物的去除能力很低,因此有必要对饮用水进行深度净化.通过对目前饮用水深度净化技术的分析,提出采用臭氧、活性炭和膜联用深度处理技术,供给管道直饮水是目前我国城镇供水的必然趋势.关键词:饮用水;深度净化;臭氧;活性炭;膜中图分类号:T U991.2文献标识码:A文章编号:0367-6234(2003)06-0711-04S tatus an d develo pment trend of ad vanced d rinking water treatment tech nolo giesLI U Shu -yan ,WANG Xiu -heng(School of M unicipal and Enviro nmental Eng ineering ,Harbin Institute of T echnolog y ,Harbin 150090,China )A bstract :The aim of the no rmal treatment of drinking w ater is to remove turbidity and bacteria ,but it isnot efficient to remove o rganism ,especially to dissolve organism .The necessity to advance treatment of drinking w ater throug h analyzing the recent w ater quality status of municipal w ater supply in China .Ac -co rding to application and study actuality of advanced treatment technology ,imperative to treat drinking w ater w ith activated carbon ,ozone and membrane through dual system .Key words :drinking water ;advanced treatment ;ozone ;activ ated carbon ;membrane 收稿日期:2002-04-29.作者简介:刘淑彦(1956-),女,高级工程师. 我国自来水处理工艺90%以上仍采用20世纪初形成的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒的常规工艺.这种工艺是建立在有合格水源的基础上,以去除浊度和细菌为主要目标,对有机物尤其是溶解性有机物的去除能力很低(20%～30%).2000年,我国7大重点流域地表水普遍存在有机污染,各流域干流仅有57.7%的断面满足我国供水水源Ⅲ类水质的标准[1];新的病原微生物隐孢子虫、微孢子虫尺寸小(1～5μm ),很难用常规过滤技术去除,而且对加氯消毒有很强的抗性[2];含有机污染物的水经加氯消毒后还会产生有机卤化物等“三致”物质.供水水质的下降严重危害健康,已引起供水行业和居民的极大关注.1　饮用水深度净化的目的与对策改善饮用水水质有两条途径:一是控制污水的排放量及提高污水处理率,保护饮用水源[4];二是强化处理工艺对受污染水源进行深度处理.经过深度净化后的饮用水应去除三卤甲烷等有机污染物,不危害健康;去除病原菌和病毒,不引起传染性疾病;硬度和矿质元素含量适当,有益健康[5].我国不宜将深度净化工艺设于自来水厂,因为要在所有水厂加设深度处理工艺,改造和运行费用相当可观.如加设臭氧活性炭工艺会使自来水厂的基建费用增加50%[4],且市政供水中只有2%用于生活饮用,其余为工业和消防等用水,全面提高市政供水水质是不经济的.再者,我国中小城市陈旧的铸铁供水管网和二次供水设施也会对深度处理的出厂水造成二次污染.在小区设置集中净化装置供给管道直饮水具有良好的经济性,取用便利,卫生可靠,已在哈尔滨、上海和深圳等地推广应用[6].广州市政府明文规定新建小区和公共场所必须配套分质供水系统[7].我国目前的分质供水方式是在厨房设置一根深度净化水管,供给烹饪和饮用水.其余生活用水仍使用市政自来水.但水中有害化学物质通过消化系统进入人体并不是最主要的途径,通过皮肤和呼吸也能摄入.研究表明当用含三氯苯乙烷的水淋浴时,通过呼吸吸入的化学物质比口腔进入的要多6～80倍.只在水龙头上安一个水过滤器还不足以保证人体免受水中有害化学物质的损害[8].因此分质供水时应在卫生间也留一个深度净化水的供水管,使有经济条件的家庭在淋浴时也能使用保证健康的水.2　饮用水深度净化技术2.1　预氧化预氧化技术是一种提高常规混凝工艺效率的方法,由于氧化剂破坏无机颗粒表面的有机涂层,可降低其稳定性.氯是最早的水处理预氧化剂,但其危害健康的氯化副产物限制了其推广;高锰酸钾可用于受污染污水处理,生产性试验结果表明可以在一定条件下去除微量有机污染物,能有效地破坏水中某些氯化消毒副产物前驱物质,水的致突变活性显著下降,除臭、藻类,并有良好的助凝效能[9].由于高锰酸钾可使杂环类有机物发生某些结构或性质的改变,将其与活性炭联用处理微污染原水,对水中微量有机物具有优良的去除效能,尤其是对人体危害较大的苯类、硝基苯类、卤代烃和多环芳烃类等有机物,可明显地去除或降低其含量[10].高铁酸盐是一种强氧化剂,其标准状态下氧化势高达2.2V,对低温低浊水有显著的助凝作用和优良的除污染和藻类作用[11];臭氧也可以用于预氧化,尤其能有效地去除腐植质引起的色、嗅、味等,对还原状态的锰、硫的去除能力也强于氯.2.2　活性炭吸附法以活性炭为代表的多孔介质吸附工艺可有效地去除色度、浊度和有机污染物.在美国1/3的活性炭用于给水净化,活性炭在我国给水处理工艺中的应用也较广[12].当有机物的尺寸特性与活性炭的孔径分布协调一致时,活性炭才具有较高的吸附性能及有机物去除率.具有较发达中孔的颗粒活性炭(GAC)非常适合于水处理;活性炭纤维(ACF)只有单一的微孔,孔径5～14μm,水中大部分有机物很难进入ACF的有效吸附面积中,对有机物的去除仅在20%左右;由细炭粉压缩而成的压缩活性炭卫生条件比粉末活性炭好,对有机物的去除效率在30%～57%[13],还具有对进水进行亚微滤和去除原生动物的作用[4].由于GAC去除有机物的寿命仅3～6个月,再生困难,更换价格昂贵,生物活性炭(BAC)技术应运而生.BAC是以活性炭为载体,利用自然吸附生长的微生物,在水处理中同时发挥活性炭的物理吸附和微生物的生物降解作用.依靠长期通水自然形成的BAC菌种复杂,生物降解速率不高,通过投加高活性工程菌人工固化形成的BAC 则具有高效、长效、运行稳定和出水无病原微生物等优点[14].2.3　臭氧氧化臭氧溶解在水中会自行分解成羟基自由基,间接地氧化有机物、微生物和氨,反应速度快且没有选择性.在任何pH条件均能将水中多种有机物氧化为无机物,如造成水体色、臭和味的腐植质,酚、氨氮、铁、锰和硫等还原物质.此外,臭氧具有很高的氧化电位,容易通过微生物细胞膜扩散,并能氧化微生物细胞的有机体或破坏有机体链状结构而导致细胞死亡,因此能够杀死藻类和灭菌,对一些顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力.臭氧代替氯作为消毒剂效果更佳,剂量小、作用快,不产生三卤甲烷等有害物质,也可使水的口感和观感大为改观.2.4　膜　法膜法是在压差推动下的物理分离过程.采用膜过滤技术是去除致癌原生动物的有效方法.随着膜价格的逐年降低,其在未来水处理中具有广泛的应用前景[15].S tates研究表明:只要膜设备运行正常,即使进水水质发生变化,出水中的细菌数量一般都在检出限以下[16].超滤(UF)、微滤(M F)对胶体和细菌的去除效果较好,但对有机物和盐类的去除效果一般.由于不需要昂贵的预处理去除颗粒,处理能力低于2×104m3的小型膜工艺水厂的制水成本与常规工艺相当或较低[17].处理单元体积小,易于自动化控制;纳滤(NF)能有效地去除水中致突变物质和色度,TOC去除率90%,AOC去除率80%. NF对细菌有很好的去除效果,可以作为物理消毒取代常规化学消毒[18].但进入纳滤膜的水需经酸化、加防垢剂等预处理防止离子沉淀,预过滤防止颗粒对膜污染,控制操作压力为0.8～1.0 MPa,操作较麻烦.由于超滤膜在去除有机物和病原菌的同时,也去除了80%阴阳离子,长期饮用不利健康;反渗透膜孔径<2nm,对有机物、金属氧化物、微生物及胶体物质有较高的去除能力,可用于水的纯化,尤其是半咸水脱盐和半导体工业超纯水[19].但反渗透膜对无机物去除的“良莠不分”,使水中的有益矿物质和微量元素也同时去·712·哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报 第35卷　除.纯水具有很强的溶解性,当大量饮用纯水后,体内的一些人体所必需的微量元素和营养物质被迅速溶解并排出体外,体内物质失去平衡,尤其是儿童和老年人如长期饮用对健康不利.该方法操作压力高(>1.5M Pa),因膜易阻塞和污染,对预处理要求严.预处理的目的是全部或部分去除原水中的微生物、胶体、无机或有机杂质,为后续处理工序创造条件,一般采用粒径0.4～0.8mm的石英砂过滤器或孔径2～20μm的微孔过滤器.反渗透的操作复杂,出水率低,出水长期饮用不利健康,因此不适于饮水深度处理.2.5　紫外线消毒紫外线消毒是一种物理消毒法,不向水中添加任何物质,不影响水的理化性质,不产生三卤甲烷等“三致”物质,细菌病毒的对数杀灭率达3～5,对周边没有化学物质和噪声污染.但由于紫外线的消毒效果受原水水质、波长、水层厚度和照射时间等多因素影响,设计中要充分考虑,原水需经预处理去除色度、浊度和铁等杂质.目前,福建新大陆环保有限公司生产的紫外线消毒系列设备已用于实际生产,日处理水量1～50×104m3,操作方便,消毒成本0.004元/m3.2.6　矿　化水是人体的常量与微量元素的来源,深度处理工艺在去除有机污染物的同时,也去除了一部分微量元素,不能达到溶解性总固体300mg/L、硬度170mg/L和偏碱性的优质饮用水推荐值[8].将深度处理出水流经木鱼石会溶出Ca2+、M g2+、K+等常量元素和Sr、Se等微量元素,明显改善水质.杜彦武在哈尔滨市自来水深度处理装置中加设木鱼石滤灌,出水硬度由135～146mg/ L增至158～169mg/L,增加10%～20%[20].3　饮用水深度净化技术的发展趋势鉴于单独采用任何一种深度处理方法都不能提供优质安全饮用水,近年来将物理、化学和生物净化技术结合起来应用是水处理技术的发展趋势.3.1　臭氧生物活性炭工艺臭氧生物活性炭组合技术在70年代初开始应用研究,是臭氧化、生物降解和活性炭吸附三者协同作用的结果.利用臭氧的氧化特征,使水中难以生物降解的有机物变成易于生物降解的有机物,氧化铁锰使之成为不溶性的颗粒,氧化亚硝酸盐和硫化物等;再由后续的生物活性炭吸附降解,提高饮用水的水质.马放对吉林前郭炼油厂饮用水深度净化工程进行色质联机分析得出:原水中的160余种污染物经臭氧化后变为40余种易生物降解的中间产物[14].张金松通过试验证明,该工艺能有效的去除有机物,对试验用水的的高锰酸盐指数的平均去除率达68%,为普通活性炭的2倍[21].3.2　超滤膜-活性炭联用工艺活性炭与超滤膜的组合系统克服了单一处理手段的弱点,如活性炭出水中常含有一定量的细菌而影响出水水质,超滤膜存在膜阻塞和膜污染问题.在组合系统中,利用活性炭对进水进行必要的前处理,去除浊度、各种类型的有机化合物和色度,为后续的膜过滤提供必要的保障,缓解了膜阻塞和膜污染问题,延长了膜的使用寿命;用膜进行后处理有效地解决了出水中含有一定量细菌的问题,保证了出水水质.王琳在北京燕山石化总厂饮用水深度净化现场进行的研究结果表明,该系统能有效地去除水中的高锰酸盐指数、UV254和大肠杆菌,尤其对腐殖酸和富里酸以及相应的消毒副产物都有较高和稳定的去除效果[22].董秉直采用颗粒活性炭和孔径0.01μm的聚丙烯腈超滤膜组合工艺处理上海市自来水,处理水量12m3/ d,膜终端过滤,气水反冲,自动控制.1年的运行结果表明:出水浊度低于0.2NTU,TOC低于2.7mg/L,细菌总数极少甚至为0,可满足饮用净水上海地方标准[23].3.3　新型纳滤膜近年来新型纳滤膜发展迅速,是纳滤膜的一个主要方向.新型NF2000型纳滤膜的材质为聚哌嗪,厚度20nm,通过在制造过程中加入痕量化学物质,使阳离子等的渗透速度提高.其在保持了90%以上的有机物截留率的同时,对钙离子的渗透性提高了10倍[17].由于对无机物的去除率低,可减轻膜污染,延长膜的使用寿命.适量地保留水中的有益离子、碱度等,特别适合饮用水处理.3.4　桶装纯净水桶装水无论是从经济还是健康角度,都不适于家庭长期饮用.哈尔滨市防疫站2001年调查结果表明,饮用纯净水引起的健康问题不容忽视.很多纯净水生产商受商业利益驱动,使用由回收废旧塑料制成的水桶,这种桶经水的长期浸泡会溶出有毒物质加重水污染.其次,桶装水多是采用活性炭+反渗透(或离子交换)的纯水生产工艺,矿质元素含量不足,对健康不利.社会调查结果还表明,35%的人认为饮用纯净水不解渴.专家认为,纯净水中水分子以聚集分子团的形式存在,饮用·713·第6期刘淑彦,等:饮用水深度净化技术的现状与发展方向后,水分子团“穿肠而过”,不易吸收.一般桶装水放置时间较长,加上饮水机清理不及时,容易引起细菌滋生.而且从经济的角度讲,桶装水也不适合家庭长期饮用.3.5　家用净水器在没有条件供应管道直饮水的小区采用家用净水器是有效的补充手段和健康保障.1988年小型家用净水器开始在中国市场出现,迄今仍以粒状活性炭吸附过滤净水器为主导产品.活性炭净水器对自来水色度、浊度、氯仿、四氯化碳、高锰酸盐指数、溶解性有机炭和Ames致突变物质有良好的去除效果,能够改善口感,使用方便,价格低廉.但现有的家用净水器,包括活性炭渗银、碘树脂消毒和中空纤维微孔都有缺陷[25].不足之处在于:由于活性炭的催化还原作用,将游离氯还原,失去杀菌作用,间歇使用的操作方式更为细菌增殖提供了条件.净水器内部溶解氧含量低,硝化反应不完全,自来水中氨氮含量高时,出水亚硝酸盐的质量浓度升高.净水器内存水和初滤水及超期运行后出水中三卤甲烷等有机污染物的含量高于进水含量数倍甚至数十倍.出水细菌仍较多,应煮沸后饮用.近年来,活性炭净水器采取了一些改进方法:设置紫外消毒装置杀灭细菌;采用活性炭-超滤工艺,利用超滤膜截留胶体和病原微生物,出水在细菌卫生学角度更具优越性;采用压缩活性炭代替颗粒活性炭,控制细菌增长.这几种改进方法在成本上增加不大,市场价适中,可为居民接受.4　结　论(1)采取分质供水方法供给经深度处理的管道直饮水是必然趋势.(2)膜技术、高级氧化和吸附技术及结合技术是可采用的深度处理技术.(3)采用家用净水器也是有效的方法,但长期饮用桶装水不利于健康.参考文献:[1]国家环保总局.2000年中国环境公报[R].北京:中国环境科学出版社,2001.[2]白晓慧,贺兰喜,王宝贞.常规饮用水净化技术面临的挑战及对策[J].水科学进展,2002,13(1):122-127.[3]高乃云,李富生,湯浅晶,等.浅谈上海饮用水水源及处理后水质[J].中国给水排水,2002,28(3):9-11.[4]王　琳.饮用水深度净化工艺的技术经济分析[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1998.[5]李圭白,李　星.污染源治理与饮用水除污染并重[A].刘灿生,于水利,崔福义,等.李圭白学术论文集:贺李圭白院士七十寿辰[C].北京:中国建筑出版社,2001.[6]梁庆棠.开展管道直饮水项目的可行性分析[J].工业水处理,1999,19(4):3-4.[7]南福英.优质直饮水系统的技术经济分析[J].给水排水,2001,27(5):71-72.[8]FOX M.“Healthy Wa ter”Healthy Water Research[M].[s.l.]:[s.n.],1996.[9]马　军,李圭白,陈忠林,等.高锰酸钾除污染生产性试验研究[J].中国给水排水,1997,13(6):13-15.[10]范　洁,李圭白,陈忠林.高锰酸钾复合药剂与颗粒活性炭联用去除水中有机污染物的研究[J].中国给水排水,1999,15(1):5-8.[11]刘　伟,马　军.高铁酸盐预氯化处理稳定性受污染水库水的试验研究[J].中国给水排水,2001,17(7):70-73.[12]钟亮洁,刘益宣.北京市第九水厂二、三期工程介绍[J].给水排水,2001,27(12):1-4.[13]吴舜泽,王宝贞,王　琳,等.饮用水深度净化工艺现场对比实验[J].给水排水,1999,25(12):3-7.[14]马　放.固定化生物活性炭除微量有机物的微生物学机理及净化效能研究[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,1998.[15]S TEV EN J D.T he future of membrane[J].JournalA WWA,2000,92(2):70-71.[16]S TA T ES S.M embrane filtration as posttreatment[J].Journal AW WA,2000,92(8):59-68.[17]张捍民,张　威,王宝贞.膜技术处理饮用水的研究[J].给水排水,2002,28(3):21-24.[18]AG BEKODO K M,LEG U BE B.Pierre co te organicsin N F permeate[J].AW WA,1996,88(5):67-74.[19]M U L DER M.膜技术基本原理[M].第二版.李　琳译.北京:清华大学出版社,1999.[20]杜彦武.优质安全饮用水成套设备的工程应用与技术分析[D].哈尔滨:哈尔滨建筑大学,2000. 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