飲用水深度處理研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

薛書雅 高云霞

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

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飲用水深度處理研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

薛書雅 高云霞

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

主要介紹了我國(guó)水資源現(xiàn)狀、飲用水處理的方法技術(shù)和飲用水深度處理技術(shù)的研究，并對(duì)目前飲水機(jī)中過(guò)濾吸附劑進(jìn)行分析，選擇經(jīng)濟(jì)有效的過(guò)濾吸附劑，提出了飲用水深度處理的發(fā)展對(duì)策.

飲用水深度處理；優(yōu)化研究；過(guò)濾吸附劑選擇；發(fā)展對(duì)策

水是人類賴以生存的主要能源，是萬(wàn)物生長(zhǎng)必不可少的物質(zhì)，可見(jiàn)水對(duì)人體的重要性之大.然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，飲用水水源不斷受到各種污染，嚴(yán)重威脅了人們的健康.從古至今，霍亂病、痛痛病、水俁病、傷寒病等等，均是由于飲用水源被污染，進(jìn)而人類食用被污染的食物及飲用水引起的.例如，1955～1972年發(fā)生在日本著名的“痛痛病”是由于含鎘廢水污染水稻，人類長(zhǎng)期食用含鎘米引起的；1953～1956年發(fā)生的水俁病是由于甲基汞排入水體，在魚體內(nèi)高度積累，人類食用被污染魚而中毒；1997年據(jù)報(bào)道印度首都有70%的飲用水受到嚴(yán)重污染，有致癌的可能性；2005年匈牙利東北部一座城鎮(zhèn)發(fā)生水污染事件，引起嚴(yán)重水污染等等.目前飲用水源污染日益嚴(yán)重，導(dǎo)致飲用水水質(zhì)不斷惡化.據(jù)聯(lián)合國(guó)有關(guān)信息數(shù)字統(tǒng)計(jì)，全球人類目前有17億人都喝不到干凈的飲用水，每天約2.5萬(wàn)人因飲用水質(zhì)低劣的飲用水而死亡.因此人們渴望喝上安全飲用水，飲用水處理成為了當(dāng)今發(fā)展的重要課題，飲用水的深度處理技術(shù)也得到了人們廣泛的關(guān)注和使用.

1 我國(guó)水資源現(xiàn)狀

我國(guó)是水資源大國(guó)，但是近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)和工業(yè)發(fā)展也日益規(guī)模化，但其污水的處理量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其污水排放量，見(jiàn)表1如下，到2050年我國(guó)的COD總排放量與1997年比仍沒(méi)有較大幅度的下降[1].飲用水的水源遭到了嚴(yán)重污染，地下水水質(zhì)也日趨變壞日漸枯竭，飲用水污染及短缺的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，再加上目前飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，新《環(huán)保法》、“水十條”等法律法規(guī)的制定和實(shí)施，使常規(guī)的飲用水處理工藝已不能滿足現(xiàn)在的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此飲用水的深度處理技術(shù)成為了目前最重要的也是人們最關(guān)注的課題之一.

表1 我國(guó)污水處理量與排放量比較

2 飲用水深度處理技術(shù)

2.1 活性炭吸附法

眾所周知，活性炭是一種黑色的、無(wú)臭無(wú)味、無(wú)定型、無(wú)砂性、多孔性物質(zhì)，而且它的來(lái)源廣，幾乎可利用含碳的任何物質(zhì)做原料來(lái)制備，在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用.且其內(nèi)部具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積(500～1 000 m2/g)，所以它對(duì)水中的微量有機(jī)物有良好的吸附特性.吳舜澤[2]研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對(duì)500～3 000的大分子量有機(jī)物的去除效果明顯，其去除率一般可達(dá)70%～87%左右，這說(shuō)明活性炭對(duì)相對(duì)分子量較大的有機(jī)物有明顯的去除效果，符合其結(jié)構(gòu)和特性.另外，活性炭去除有機(jī)物的效果還受有機(jī)物特性的影響(主要是有機(jī)物的極性和分子的大小)，對(duì)同樣大小的有機(jī)物，其溶解度愈大，親水性愈強(qiáng)，活性炭對(duì)其的吸附能力愈差.

綜上，盡管活性炭在各種凈水器和過(guò)濾器中廣泛應(yīng)用，但其再生能耗大，且再生后的吸附效率下降，對(duì)于飲用水通過(guò)氯消毒產(chǎn)生的致畸致癌致突變的物質(zhì)不能有效的去除，特別是對(duì)鹵代烴前驅(qū)物和分子量大于3000的大分子物質(zhì)的去除效果更差.因此，在實(shí)際水處理應(yīng)用中，單用此法處理飲用水的并不多，通常用活性炭吸附與其他技術(shù)聯(lián)用，這樣不僅能提高處理的效率和范圍，而且也降低了活性炭的運(yùn)行成本，是當(dāng)前吸附方法的研究發(fā)展方向.

2.1.1 生物活性炭技術(shù)

生物活性炭吸附技術(shù),簡(jiǎn)稱BAC，是在飲用水處理中大量使用活性炭吸附的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種水處理技術(shù).其本質(zhì)是在活性炭表面附著一定量的生物，以更快速更有效地分解去除水中污染物，同時(shí)克服活性炭對(duì)去除三致物質(zhì)的缺陷.用BAC吸附有機(jī)物包括兩個(gè)過(guò)程：物理吸附和生物降解.且生物活性炭技術(shù)有其獨(dú)特的地方，就是當(dāng)生物活性炭吸附飽和且不需要再生時(shí)，可利用其生物降解的能力，繼續(xù)發(fā)揮其控制污染物的作用.安東等人[3]以南方某水廠的濾后水為原水進(jìn)行了生物活性炭吸附試驗(yàn)，得出結(jié)果，固定化生物活性炭工藝對(duì)TOC的去除率可穩(wěn)定在40%～50%左右，對(duì)氨、氮的去除率提高30%；且對(duì)去除三鹵甲烷生成勢(shì)(THMFP)的能力比普通活性炭工藝提高11%～39%左右；對(duì)去除臭氧氧化副產(chǎn)物(甲醛)還具有長(zhǎng)期的效果.

綜上，盡管生物活性炭技術(shù)比單獨(dú)活性炭吸附的出水水質(zhì)高，有機(jī)物去除率也高，同時(shí)還降低了氯氣的投加量及CHCl3的生成量，延長(zhǎng)了活性炭生命周期，減少了工藝運(yùn)行費(fèi)用.但使用該技術(shù)進(jìn)行飲用水深度處理時(shí)必須要避免預(yù)氯化處理，因?yàn)槁然袕?qiáng)氧化性且可殺菌，經(jīng)氯化后微生物就不能在活性炭上生長(zhǎng)，也就失去了生物活性炭的生物氧化作用.

2.1.2 臭氧-活性炭技術(shù)

由于臭氧具有強(qiáng)氧化性，活性炭具有高吸附性，現(xiàn)將臭氧活性炭聯(lián)用，充分利用二者突出優(yōu)點(diǎn)，讓進(jìn)水先經(jīng)O3氧化，把水中的大分子有機(jī)物分解成小分子狀態(tài)，再經(jīng)活性炭過(guò)濾吸附，充分利用活性炭的吸附表面去除.同時(shí)，后續(xù)的活性炭還能吸附O3氧化過(guò)程中生成的大量的中間產(chǎn)物，還有O3無(wú)法去除的三氯甲烷及其前驅(qū)物，從而保證了最后出水的化學(xué)穩(wěn)定性，最終收到良好的水處理效果.胡志光等人[4]在進(jìn)行臭氧活性炭技術(shù)深度處理飲用水的可行性試驗(yàn)中，得出通過(guò)臭氧活性炭吸附過(guò)濾后，水中的有機(jī)微污染物CODMn的去除率接近50%，且水的濁度和色度也大大降低，另外還測(cè)定出較理想經(jīng)濟(jì)的臭氧投加量為4 mg/L.

綜上，盡管臭氧活性炭聯(lián)用可延長(zhǎng)活性炭的使用周期，提高污染物等的去除效果，但該技術(shù)處理飲用水存在臭氧利用率低、氧化能力不足等缺陷；且對(duì)于農(nóng)藥、鹵代有機(jī)物和硝基化合物等部分具有穩(wěn)定性的有機(jī)污染物都難以氧化降解去除.因此，高效利用臭氧氧化性再加上提高活性炭的吸附作用進(jìn)行飲用水深度處理可作為未來(lái)研究方向.

2.2 膜分離技術(shù)

目前，膜技術(shù)發(fā)展迅速.常用的膜分離技術(shù)根據(jù)其孔徑的大小可分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)以及反滲透(RO)等工藝方法，他們具有一個(gè)共同點(diǎn)就是他們均以壓力為推動(dòng)力通過(guò)機(jī)械篩濾作用進(jìn)行水處理，另外不同的膜對(duì)不同的物質(zhì)具有不同的選擇透過(guò)性.利用該技術(shù)得到的水質(zhì)穩(wěn)定可靠，且占地少，擁有完全自動(dòng)化的運(yùn)行操作[5].另外濾膜孔徑的大小是影響出水水質(zhì)的主要因素，以下分別介紹各個(gè)膜分離技術(shù)對(duì)水處理的作用及效果.

(1)微濾MF因其濾膜的孔徑為0.05～5.00 μm，又稱精密過(guò)濾，可以去除微米(10-6m)級(jí)的水中雜質(zhì)，且它的運(yùn)行壓力低，通常為0.01～0.2 MPa，多用于生產(chǎn)高純水時(shí)的終端處理，或作為超濾、反滲透或納濾的預(yù)處理過(guò)程.朱建文[6]通過(guò)試驗(yàn)指出MF膜可去除99%以上的濁度，可去除將近100%的細(xì)菌、大腸桿菌等，同時(shí)對(duì)鐵和色度也均有良好的去除效果，而對(duì)Mn的去除則受前處理的影響，對(duì)水中堿度及余氯基本無(wú)影響，因此為減少膜污染通常用于沉后水處理.

(2)超濾UF的濾膜的孔徑為5 nm～0.1 μm，可以去除分子量為300～3×105的大分子有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒、賈第蟲及其他微生物等，它的運(yùn)行壓力為0.1～1.0 MPa，也不高.王立彪[7]通過(guò)試驗(yàn)指出浸沒(méi)式超濾工藝和柱式超濾工藝對(duì)濁度、耗氧量、氨氮、鐵、錳等都具有良好的去除效果，其出水濁度<0.1 NTU，可達(dá)到浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(2013)，經(jīng)超濾膜的出水顆粒數(shù)可以控制在30個(gè)/mL以下，且以“兩蟲”為代表的微生物可以得到有效的控制.

(3)納濾NF是介于UF和RO之間的膜，其運(yùn)行壓力為0.5～1.0 MPa，它可在較低的壓力下實(shí)現(xiàn)較高的水通量，對(duì)總鹽類的去除率在50%～70%左右，尤其對(duì)二價(jià)離子(如Ca2+、Mg2+等)的去除率可達(dá)到90%以上.故其比較適用于地下水處理.另外，它還能實(shí)現(xiàn)脫鹽、濃縮同時(shí)進(jìn)行.Gaid等[8，14]對(duì)世界上第一個(gè)大型NF飲用水深度處理系統(tǒng)做了詳細(xì)的研究，得出其對(duì)DOC的平均去除率在60%左右，對(duì)莠去津(Atrazine)和西瑪津(Simazine)等農(nóng)藥的去除率達(dá)90%以上，且出水中殘留的微污染物絕大部分低于分析檢測(cè)限度.李梅等人[9]通過(guò)對(duì)納濾膜技術(shù)在飲用水深度處理應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)得出，納濾對(duì)硬度的去除在55%～95%之間，波動(dòng)較大；對(duì)砷的去除在90%以上，且隨PH升高而升高；對(duì)氟的去除在67%～73%之間；對(duì)硝酸鹽的去除在88%左右；對(duì)Ca2+、Mg2+脫除率超過(guò)96%；對(duì)合成有機(jī)物的去除在70%以上；且可有效去除水中微生物.

(4)反滲透RO的膜孔徑僅為10～11×10-10m，對(duì)水中所有的懸浮物、膠體、溶解性有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽、細(xì)菌、微生物等物質(zhì)的去除率接近100%，其運(yùn)行壓力高，大約為1～10 MPa，且能耗大.21世紀(jì)初，由于其對(duì)大多數(shù)無(wú)機(jī)離子均具有良好的截留作用，所以該技術(shù)大量應(yīng)用于水的深度處理上，成為制備純水的主要技術(shù)之一.何少華等[10]采用MF+RO工藝對(duì)被污染自來(lái)水進(jìn)行深度處理，通過(guò)兩年來(lái)的實(shí)驗(yàn)，其運(yùn)行結(jié)果表明反滲透系統(tǒng)對(duì)水中的重金屬離子、有機(jī)污染物和細(xì)菌都有非常高的去除效率.但長(zhǎng)期飲用不含無(wú)機(jī)離子的純水對(duì)人類身體健康會(huì)造成嚴(yán)重不良影響，因此飲用水深度處理中一般不采用該工藝.

綜上，盡管膜分離技術(shù)不僅對(duì)水中殘余有機(jī)物的去除率高還可進(jìn)行脫鹽濃縮，防止系統(tǒng)中無(wú)機(jī)鹽的積累，其水處理效果好，但運(yùn)行成本高，且膜組件易污染而縮短其使用壽命.因此通過(guò)研究控制并降低膜污染的方法來(lái)延長(zhǎng)膜壽命，降低運(yùn)行成本，從而推廣應(yīng)用，可作為當(dāng)前研究發(fā)展方向，并具有廣闊的發(fā)展前景.

2.3 吹脫技術(shù)

吹脫技術(shù)是以去除揮發(fā)性有機(jī)物為目的的一種水處理技術(shù)，以前主要用于對(duì)水中CO2、H2S、NH3等溶解性氣體的吹脫去除，同時(shí)使溶液中的溶解氧增加，來(lái)氧化水中的金屬離子，從而去除水中的某些溶解的金屬離子.但它對(duì)于去除難揮發(fā)性有機(jī)物的效果卻很差.Victor、Ososkov等人[11]利用空氣吹脫的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明對(duì)水中的三氯乙烯、氯苯、1,3-二氯苯等的去除效果，得出結(jié)論，吹脫技術(shù)對(duì)水中三氯乙烯、氯苯、1,3-二氯苯的去除率可達(dá)30%～85%左右，且隨著溫度的升高去除效果越來(lái)越明顯.

在飲用水深度處理中，對(duì)于產(chǎn)生同樣的去除效果的工藝所需運(yùn)行費(fèi)用，吹脫法所需費(fèi)用低，是采用活性碳吸附法所需費(fèi)用的二分之一至四分之一，可見(jiàn)吹脫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性.因此，美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)(USEPA)稱其為去除揮發(fā)性有機(jī)物最可行的技術(shù)(BAT)[12].以后可以通過(guò)不斷研究，技術(shù)的不斷進(jìn)步，使吹脫技術(shù)在飲用水深度處理方面進(jìn)一步的發(fā)揮作用，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的.

2.4 超聲空化技術(shù)

超聲空化技術(shù)是利用頻率在20 kHz以上的超聲波來(lái)輻射溶液，使其產(chǎn)生許多化學(xué)變化，最后達(dá)到水處理作用.其主要機(jī)理是通過(guò)熱解、自由基氧化、超臨界水氧化和機(jī)械剪切作用來(lái)降解有機(jī)物.通過(guò)研究表明，超聲空化技術(shù)對(duì)脂肪烴、鹵代烴、酚、芳香族類、醇、天然有機(jī)物、農(nóng)藥等均有較好的降解作用.影響其降解效果的因素主要有超聲頻率、聲強(qiáng)、飽和氣體性質(zhì)、污染物性質(zhì)濃度、溫度等.另外該技術(shù)不僅可殺菌消毒而且產(chǎn)生污染小，運(yùn)行設(shè)備簡(jiǎn)單，可稱得上是一種很有潛力的水處理新技術(shù)，因此我們可以把它作為未來(lái)的研究課題之一.有良好發(fā)展前景.只是現(xiàn)階段還處于研究基礎(chǔ)階段，還主要是在實(shí)驗(yàn)室中處理小水量的研究中[13].

3 目前飲水機(jī)中過(guò)濾吸附劑的分析及經(jīng)濟(jì)高效過(guò)濾吸附劑研究

目前大多數(shù)飲水機(jī)均使用活性氧化鋁作為吸附劑來(lái)除氟除砷.活性氧化鋁是一種具有多孔性高分散度的白色球粒固體物料，它具有很大的比表面積，除氟能力大、物理性能好、強(qiáng)度高、無(wú)毒、無(wú)味，且在水中浸泡不變軟、不膨脹、不破裂，使用可靠，易再生、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn).另外它還具有良好的吸附性能，又有良好的耐壓、耐磨損和耐熱性能，目前被廣泛地用作高效吸附劑、干燥劑以及各種反應(yīng)的催化劑載體.經(jīng)其除氟凈化后的水，能達(dá)到國(guó)家規(guī)定的飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).由于其除氟效果顯著，可作為飲用水除氟或其它工業(yè)裝置中的除氟劑.但對(duì)于一些無(wú)氟的水處理，仍用活性氧化鋁未免有些浪費(fèi)，我們?nèi)孕柩芯科渌线m的既經(jīng)濟(jì)又有效的過(guò)濾吸附劑，來(lái)得到對(duì)身體不但無(wú)害且有益的飲用水，是目前人們關(guān)注且具有良好發(fā)展前景的課題.

電氣石是一種能永久產(chǎn)生自發(fā)極化的天然物質(zhì).由成分不同可分為鎂電氣石、鐵電氣石、鋰電氣石以及鈣鎂電氣石.它具有永久電極作用，可形成靜電場(chǎng)；可產(chǎn)生負(fù)離子；可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線；還具有表面活性作用、還原作用、吸附作用、清潔作用等等[15].在水處理方面，由于電氣石表面較高的電場(chǎng)強(qiáng)度和較高的遠(yuǎn)紅外發(fā)射能力，它對(duì)水具有活化作用.而且通過(guò)試驗(yàn)得出應(yīng)用陶粒活化水更節(jié)能高效.另外，由于電氣石還具有吸附及pH值改善等特性，在綜合處理下可使用戶得到更為優(yōu)質(zhì)和健康的飲用水.因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是具有很重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義的[16].

沸石是一種廉價(jià)的天然礦物材料，它具有吸附性，離子交換性、耐酸性及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛用于水處理方面.將其作為濾料與過(guò)濾機(jī)理相結(jié)合，可開(kāi)發(fā)新型的水處理設(shè)備，且用酸堿鹽對(duì)其進(jìn)行活化可有效提高它的吸附性能及吸附容量；在對(duì)吸附飽和的沸石進(jìn)行再生再利用還可進(jìn)一步降低水處理成本[17].另外沸石儲(chǔ)量豐富，制備簡(jiǎn)單，不僅可以去除廢水中的氨氮和重金屬離子，而且改性后的沸石還可以去除飲用水中的氟.另外，研究開(kāi)發(fā)沸石的實(shí)用技術(shù)及與處理工藝相配套的水處理裝置，促進(jìn)沸石在水處理領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用，可作為未來(lái)研究的課題之一[18].

綜述，我們還可以根據(jù)各個(gè)吸附劑的特點(diǎn)進(jìn)行混合，研發(fā)出一種高效經(jīng)濟(jì)的過(guò)濾吸附劑，同時(shí)使出水達(dá)到保健的作用.

4 飲用水深度處理的發(fā)展對(duì)策

(1)對(duì)飲用水深度處理應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，整體設(shè)計(jì).在進(jìn)行飲用水深度處理時(shí)要充分考慮經(jīng)濟(jì)效率的問(wèn)題，出水水質(zhì)達(dá)飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)，只有做到經(jīng)濟(jì)高效同步規(guī)劃，才可以避免重復(fù)投資造成的不必要浪費(fèi).

(2)飲用水深度處理工藝要符合技術(shù)規(guī)范.嚴(yán)格在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)飲用水的各種用途和應(yīng)用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作出詳細(xì)規(guī)定，從而保證飲用水的安全性、合理性、高效性.

(3)飲用水必須走市場(chǎng)化道路.當(dāng)前飲用水深度處理的發(fā)展問(wèn)題主要有認(rèn)識(shí)觀念問(wèn)題、政策法規(guī)問(wèn)題、價(jià)格機(jī)制問(wèn)題及技術(shù)上的問(wèn)題.產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化是飲用水深度處理領(lǐng)域不斷向前發(fā)展的必由之路.通過(guò)試驗(yàn)研究，得到對(duì)人體有益的飲用水將備受人們的青睞.

綜上所述，工業(yè)在不斷發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，人民生活質(zhì)量在不斷提高，生活飲用水的安全越來(lái)越受到重視，開(kāi)發(fā)可靠、經(jīng)濟(jì)、與水源水質(zhì)相適應(yīng)的飲用水深度處理技術(shù)保證飲用水安全成為目前亟待解決的重要問(wèn)題.膜分離技術(shù)及高效經(jīng)濟(jì)的過(guò)濾吸附劑的選擇是一個(gè)重要的研究方向，未來(lái)研究可以在經(jīng)濟(jì)高效且保健的基礎(chǔ)上形成一套出水滿足飲用水健康標(biāo)準(zhǔn)的飲用水深度處理技術(shù).因此，我們要不斷鉆研，尋求更經(jīng)濟(jì)有效的飲用水深度處理方法.

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Research Status and Development Countermeasures of Advanced Treatment of Drinking Water

XUEShu-ya，GAOYun-xia

(Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000,China)

This paper mainly introduces the present situation of water resources in China,drinking water treatment technology and the research of drinking water advanced treatment technology.In addition,the filtering adsorbent of drinking water machine is analyzed,in which economic and effective filtering adsorbent is proposed to be selected.At last,the development strategy process of drinking water advanced treatment is put forward.

drinking water advanced treatment;optimization research;selection of filtering adsorbent;development strategy

2016-03-26

河北建筑工程學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(XB201627)

薛書雅(1993-)，女，在讀研究生，從事水處理研究.

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