飲用水處理新技術
閱讀：1038發(fā)布時間：2013-7-12
聯(lián)合國把飲用水的安全保障和基本衛(wèi)生設施的擴大，作為千年計劃目標（MDGs）之一。這說明，保證飲用水安全是聯(lián)合國實現(xiàn)MDGs其他目標——諸如削減貧窮和饑餓、保障衛(wèi)生保健、普及教育、性別平等和可持續(xù)發(fā)展等目標，所必須具備的重要條件。因為目前世界上還有11億人口不能使用安全的飲用水，特別是在撒哈拉沙漠以南的非洲地區(qū)，這方面的設備投入進展緩慢，但是人口卻激增，實現(xiàn)飲用水安全保障目標非常困難。
目前我國飲用水處理工藝大多仍然采用常規(guī)處理工藝——混凝、沉淀、過濾和消毒，該工藝處理的主要目標污染物是懸浮物和細菌等，但對病原微生物（如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲，常稱為兩蟲）不能可靠去除。而微濾（MF）∕超濾（UF）可以可靠分離賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲等耐氯性生物和浮游生物，是混凝沉淀砂濾工藝的理想替代工藝，目前利用者在迅速增加。砂濾工藝在分離隱孢子蟲時3log是分離極限，但是MF/UF分離可以達到5-6log的高去除率，已經(jīng)可作為通用水處理技術進行推廣。但不論是砂濾還是MF/UF分離都屬于固液分離工藝，并不能期待利用它們可以有效地去除水中的有機物（包括新興污染物）。
不過與鋁系混凝劑相比，鐵系混凝劑具有更高的有機物去除率，因此，在強化常規(guī)飲用水處理工藝處理有機物時，考慮用鐵系混凝劑替代鋁系混凝劑是一個很好的選擇。
為了有效地去除飲用水水源中的各種有機污染物（包括新興污染物），特別是那些對人類健康具有現(xiàn)實或潛在危害的有機物，以及可以產(chǎn)生有毒有害消毒副產(chǎn)物的有機物，研究人員已經(jīng)開展了大量的研究，并開發(fā)出很多處理技術，其中氧化技術，以及臭氧/生物活性碳工藝就是這些飲用水深度處理技術的代表。目前由于臭氧/生物活性炭工藝在去除水源中消毒副產(chǎn)物前質、降解水中各種穩(wěn)定化學污染物、破壞產(chǎn)生異嗅異味物質的分子結構以及有效滅活水中各類病原微生物等方面具有較好的效果，再加上其工藝相對比較簡單、經(jīng)濟，所以在飲用水深度處理中得到比較廣泛的應用。不過需要指出的是，臭氧—生物活性炭工藝也存在明顯的不足。單獨的臭氧氧化對一些穩(wěn)定性的農藥類物質、有機鹵代物的分解效率很低，這時，往往需要使用氧化技術（如臭氧/過氧化氫技術）等。另外，當原水中存在一定濃度溴離子時，臭氧處理會產(chǎn)生具有強致癌性的溴酸鹽。溴酸鹽生成控制及降解技術的研究，目前是飲用水處理領域的熱點。除此之外，由于臭氧/生物活性炭工藝中，炭池中微生物及水生動物的生存環(huán)境好，導致炭池中的微生物、微型水生動物，特別是病原微生物（如病毒、病原菌、“兩蟲”、攜帶寄生蟲的后生動物等）數(shù)量的過度孳生，并代謝產(chǎn)生有毒物質。由于微型水生動物是某些病原微生物的寄主，其大量增殖，會進一步導致病原微生物的增加，從而增加了病原微生物從炭池泄漏的可能性。另外，由于目前臭氧/生物活性炭通常是置于砂濾池之后，故炭池中的生物活性炭顆粒容易泄漏到出廠水中，而該炭粒包裹的微生物，對消毒劑的滅活起保護作用，將大幅度降低處理水的消毒效果。因此，臭氧/生物活性炭的處理水存在生物安全風險。
納濾（NF）膜是20世紀80年代末期發(fā)展起來的一種新型分離膜，其特點主要有兩個：一是它的截留分子量（MWCO）介于反滲透膜和超濾膜之間，約為200-1000Da（孔徑0.5-1.0nm），兼有反滲透（RO）和UF的特點；二是因其表面分離層由聚電解質構成（帶電荷），而使得它對無機電解質具有一定的截留率。即納濾膜是一種具有納米級帶電微孔結構的分離膜，其在應用過程中具有兩個顯著特性：一是篩分效應，可以截留小分子量的中性溶質——有機物和病毒；二是對于不同價態(tài)的陰離子具有篩分和電荷雙重效應（電荷效應又稱為Donnan效應，即離子與膜所帶電荷的靜電相互作用），這就是納濾膜在很低壓力下（相對反滲透的高壓）仍對離子型無機物具有一定截留率的重要原因。由于納濾分離兼有RO和UF的特點，可以同時去除水中有機物和無機離子，所以將納濾膜用于飲用水深度處理，可以將水中的有機物（包括溶解性有機物和新興有機污染物）和有害無機物等一次性同時去除，但保留對人體有益的礦物質；而且運行管理和MF/UF膜分離一樣可以簡單地實現(xiàn)自動控制，既可用于人力資源缺乏的小型水廠，又可作為臭氧/生物活性炭的替代工藝在大型水廠應用；并且納濾分離是一種“清潔”的分離技術（沒有副產(chǎn)物）。所以，以納濾膜為基礎的飲用水處理工藝，可能是臭氧/生物活性炭的理想替代工藝。事實上，目前在以河流為水源的歐洲國家，為了應對由蒸發(fā)殘留物等問題引發(fā)的諸多水處理問題，已經(jīng)開始實施由臭氧/生物活性炭工藝向以納濾分離為基礎的飲用水處理工藝轉換。
納濾膜在大型飲用水深度處理中應用存在的主要問題，首先是現(xiàn)有納濾膜的操作壓力大（0.5-1.0MPa），電耗高；其次納濾膜的通量低（10-30L/m2.h），膜設備的投資大；納濾膜的有機和無機污染嚴重，運行費用高，操作管理復雜；并且納濾膜的預處理要求高，預處理工藝組成復雜。
降低納濾膜的操作壓力主要有三種途徑：一是制備多層復合膜，并使用親水性的支撐層；二是采用超薄的、高親水性的膜皮層（分離層）；三是通過引入功能性的化學基團，達到既能降低膜壓力，又能保證膜通量及污染物截留率的目的。
降低納濾膜的成本，包括降低膜設備投資和運行費用。納濾膜設備的價格主要與制備膜的原料及膜通量有關，通過開發(fā)廉價的新型膜材料，并制備高通量的納濾膜組件，可以降低納濾膜設備的投資；運行費用主要決定于膜的操作壓力（電費）和膜的壽命（換膜周期）。
納濾膜污染一方面會使膜通量降低（恒壓運行），導致設計的膜設備數(shù)量增加；另一方面膜污染會使納濾膜操作壓力增大（恒流量運行），運行費用（電費）提高?？刂萍{濾膜污染的方法，一是將膜與其他處理工藝組合，去除可以對膜產(chǎn)生污染，特別是不可逆污染的污染物；二是優(yōu)化膜系統(tǒng)的運行參數(shù)；三是研究各種有效的清洗方法（包括物理清洗和化學清洗），恢復污染膜通量；四是開發(fā)新型抗污染膜材料。
