给水排水基于双膜工艺的给水厂应急处理技术

1.1 饮用水突发污染的危害与技术挑战

城市供水设施是一项关系国计民生的基础设施，直接制约城市的发展。饮用水水质亦直接影响城镇居民的身体健康。随着城市快速发展，城市供水设施也在不断发展与完善，水源选择与保护日益完善，切实强化了饮用水安全保障。然而，自然灾难、工业生产事故、交通事故以及人为偷排漏排事件仍然屡有发生，常引起突发性水源污染，严重冲击城镇居民的饮用水健康。此外，再生水资源化利用的快速发展也使管道错接引发的二次供水污染成为一类常见的突发水污染。据中国环境统计年报(2011-2018)，全国每年突发环境污染事件普遍在300次以上，最高达到712次。随着国家水污染控制重大专项与水污染行动计划的实施，突发环境污染事件发生频率明显下降，尤其是重大和较大突发环境污染占比显著降低。但由于突发环境污染的不可预见性，突发污染的风险依旧存在，且突发水污染仍是突发环境污染事件的主要类型。

突发水污染通常具有种类复杂多样、短时间、高浓度和难处理等特点，往往会引起大面积断水和社会恐慌，进而产生深远的社会影响。现有城市水厂净化工艺均难以有效应对突发饮用水污染。常规饮用水处理工艺以除浊为核心，对溶解性污染物去除能力有限。基于臭氧生物活性炭的深度处理工艺主要强化水中有机物和氨氮的去除，对于重金属等污染去除效能有限。超滤膜技术可以强化水中细菌、病毒及原生动物去除，但是在溶解性有机物去除方面，尤其小分子物质，难以满足净化要求。因此，突发水污染的快速识别和净化技术体系构建仍是饮用水安全保障领域的一个挑战。

表1 近年来全国突发环境污染事件

1.2 饮用水突发污染物类型

(1)有毒有害微量有机物污染。 有毒有害微量有机物污染是最为典型的一类突发水污染。2005年吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，导致近百吨硝基苯等化学品泄漏，严重污染松花江水体；2011年杭州市余杭区重要水源苕溪中检出了二聚环戊二烯、二氢化茚、萘等十余种挥发性有机污染物；2014年兰州原水自流沟化工废水污染导致自来水中苯浓度超标20余倍。随着化工产业的快速发展，越来越多的人工合成有机物进入到水体，其在水中赋存特性以及环境风险均难以系统评估；农业产业大量使用的有机农药以及人工养殖产业使用的抗生素会随着废水的排放进入水体，导致水中持久性有机污染物以及环境激素类污染风险显著提高。

(2)重金属污染。 水源重金属主要由采矿企业违规开采和超标排污引起的，典型的重金属污染物包括铅、汞、铬、镉和类金属砷等。突发重金属水污染具有典型的区域特征，与金属矿藏分布相关性大。湖南省是有色金属之乡，采矿、冶炼和化密集导致湖南省的汞、镉、铬和铅排放量长期位居全国前列，使湘江流域面临严重的突发重金属污染风险，引发了2006年湘江株洲段镉污染、2009年武冈市儿童血铅超标等一些突发环境污染事件。广东省北江也是重金属污染频发区域，2005年北江韶关段镉浓度超标12倍，2010北江中上游河段铊超标。此外，还有广西龙江镉污染事件(2012年)、贺江镉与铊污染事件(2013年)以及福建省上杭县紫金矿业水污染(2010年)。重金属污染普遍存在毒性高、危害大等特点，长期摄入会对人体健康造成严重的破坏。

(3)微生物污染。 微生物污染是饮用水净化技术发展过程中最常见的污染类型。人类文明早期经历的霍乱、伤寒、痢疾等水介传播疾病，都属于突发微生物污染范畴。尽管水净化与消毒技术已发展成熟，供水设施亦得到普遍推广与应用，但饮用水的微生物污染仍屡见不鲜。尤其是具有耐氯性的贾第虫和隐孢子虫的发现又一次引发了人类对饮用水微生物风险的广泛关注。2007年太湖蓝藻爆发，导致自来水出现明显嗅味，引发无锡水危机事件；2009年赤峰市水源沙门氏菌污染引发数千居民出现发热腹泻症状。近期，安徽寿县自来水受到志贺氏菌污染，导致493人出现发热呕吐、腹痛腹泻等症状；美国疾控中心报道亚特兰大市几栋办公楼供水系统内发现军团菌，可能引发非常严重甚至致命的肺炎。此外，随着新冠病毒(COVID-19)的全球肆虐，西班牙、澳大利亚、巴西等国家均在污水中发现新冠病毒核酸物质；巴黎水务局甚至在非饮用水样本中检测到微量新冠肺炎病毒。由此可见，突发微生物污染远未实现完全控制；随着新型致病微生物的出现，饮用水微生物污染风险仍可能加剧。

2.1 突发污染控制技术研究与应用动态

从2005年松花江硝基苯事件以来，突发水质污染情况下的安全供水问题受到了空前的关注。张晓健教授团队开展了大量应急水处理技术研究，并参与解决众多突发水污染事件，形成了系统的饮用水应急处理技术体系（如表2所示）。其中，粉末活性炭吸附是最典型的应急处理技术，不仅可实现芳香族化合物、农药等61种有毒有害有机物的有效控制，而且应急处理设施简单，容易快速投入使用；化学沉淀可以强化20种重金属离子和硒、砷等类金属污染的去除；高级氧化技术可有效控制水中硫化物、氰化物等还原性污染物，同时还可以强化去除硫醇硫醚等嗅味物质。针对微生物污染，可以通过增加前置消毒和强化主消毒技术进行有效控制，适用于细菌总数乃至两虫等9项指标的有效控制。除了高效净化技术应用以外，突发水污染控制还是一项系统性工程。崔福义教授提出了“关口前移-个性化净化方案-水源水质预警-全工艺联合”的饮用水突发污染控制策略，强化水源保护与水质预警、突发污染源就地控制与厂前强化削减以及面向污染物的个性化净化方案制定，同时充分联合多种水处理技术的净化作用，实现污染物在整个水处理工艺链条上梯级削减。

表2 常用饮用水应急处理技术

2.2 现有饮用水应急处理技术存在的问题

随着对突发水污染认识的加深，饮用水应急处理技术得到了发展与完善，日臻成熟；许多水厂亦储备了应急处理设施，并建立应急处理预案，定期演练。尽管如此，现有饮用水应急处理技术仍存在一些问题。首先，饮用水应急处理启动相对滞后，因为污染物监测识别需要一定时间，尤其是个性化净化方案制定必须在确定污染物种类特性之后才能开展模拟实验进行效果评价和参数优化；其次，应急处理设施需提前设置，并定期运行维护，势必增加水厂的运行成本；第三，应急处理过程中化学物质的大量添加，改变水的天然属性，偏离绿色净水技术的发展方向。此外，突发水污染应对过程中，以膜技术为主的移动式供水设备常用于受影响区域的临时供水，但受限于设备规模其供水能力较为有限，供水普及率和保证率不足。因此，尽管现有饮用水应急处理技术已较为完善，但居民对给水厂应急处理能力仍持有一定的疑虑，容易在突发水污染时出现恐慌和抢水现象。

3.1 基于“减量保质”的超滤/纳滤双膜法饮用水应急处理理念

超滤技术能够高效截留水中的颗粒物、胶体、大分子有机物以及细菌等微生物，对病毒的截留率高达99.99%，可有效控制突发微生物污染，但对重金属和有毒有害有机物的截留能力弱。纳滤膜的孔径比超滤低1个数量级以上，可以有效截留水中二价离子以及溶解性有机物，可以弥补超滤在溶解性污染物截留方面的不足。侯立安研究发现纳滤组合工艺可以有效应对放射性污染、炭疽杆菌污染水以及化学毒剂污染，出水水质满足国家相关标准。然而，受限于纳滤膜制备自主化水平低、操作压力大等问题，纳滤净水成本远高于超滤。因此，根据饮用水突发污染控制的快速反应与广谱除污染的要求，本论文提出了基于超滤/纳滤双膜工艺的应急处理技术。如图1所示，在常规情况下超滤和纳滤并联运行，通过掺混提高出水水质；在突发污染情况下，超滤和纳滤串联运行，可形成高效的应急处理能力，实现“减量保质”的间断性应急供水，避免出现连续断水的恐慌。

图1 超滤/纳滤双膜工艺流程

3.2 试验设备与方法

超滤/纳滤双膜工艺净水试验在杭州市余杭区宏畔自来水厂开展，水源来自钱塘江水系的东苕溪。如图2所示，试验系统包括内压式超滤系统和纳滤系统，二者独立设置。超滤采用PVDF膜，有效面积为50 m2，恒通量死端过滤，设计通量35 L/（m2·h），过滤周期为60 min，反冲洗按“15 s气洗→20 s气洗+产水反洗→15 s原水正冲”。纳滤膜膜采用NF90-4040聚酰胺复合膜（陶氏，美国），截留分子量为200 Da，有效面积7.5 m2，错流恒压力(0.5 MPa)运行，回收率25%。纳滤清洗周期为24 h，开启浓水阀，降低系统压力至0.05 MPa，进行45 s低压高流速表面冲洗。试验原水取自水厂滤池后，置于原水箱。超滤纳滤并联运行时，原水经过精密过滤器后进入纳滤系统；串联运行时，纳滤直接从超滤产水箱取水。

图2 中试试验系统工艺流程

试验过程中采用人工投加污染物模拟突发水源污染：采用苯、乙苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯和氯苯模拟有毒有害有机物，投加浓度为（0.4±0.05）mg/L；采用磺胺甲基异恶唑、磺胺二甲基嘧啶、磺胺异恶唑、磺胺5甲氧嘧啶模拟抗生物类污染物，投加浓度为50 μg/L；采用镉、锌、铜、锰模拟重金属污染物，投加浓度为（2.0±0.1）mg/L。模拟污染物均为分析纯，购自上海阿拉丁化学试剂有限公司。

高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾滴定法测定；氨氮采用紫外分光光度法测定；大肠杆菌总数采用滤膜法测定；细菌总数采用平板计数法测定；碱度采用酸碱指示剂滴定法测定；硬度采用EDTA滴定法；电导率采用上海雷磁DDSJ-308 A型电导率仪测定；浊度采用美国哈希HACH 2 100 N 型浊度仪测定；TOC采用德国耶拿multi N/C总有机碳分析仪测定；氯化物和硫酸盐采用赛默飞ICS2100型离子色谱仪测定。苯系物采用气相色谱仪测定，磺胺类抗生素等使用液相色谱仪测定，重金属等使用ICP-AES光谱仪测定。

3.3 超滤/纳滤双膜法饮用水应急处理效能与极限

表3列出了超滤/纳滤双膜工艺处理模拟突发污染水源水过程中典型污染物的去除效能。如表3所示，超滤/纳滤双膜工艺能够高效去除水中的苯系物，其中苯去除率相对最低，但也达到了96.8%；去除率最高的是间二甲苯，达到了98.5%。对于磺胺类抗生素，超滤/纳滤双膜工艺的去除效能更好，4种磺胺类抗生物去除率均在99%以上。对于典型的重金属离子，超滤/纳滤双膜工艺的净化效果亦十分显著，去除率在97.9%以上。此外，超滤/纳滤双膜工艺对氨氮和氟化物的去除率亦可达到98.5%和97.2%。纳滤膜的截留分子量低，可以有效去除率分子量比其截留分子量大或相近的有机污染物，而且静电相斥作用以及疏水吸附作用还可以进一步提高污染物去除。Altalyana等研究NF90对水中苯、氯仿等11有机污染物的去除效能，发现纳滤的截留效果显著，最高去除率可达98.4%。Bai等考察了纳米纤维素改性复合纳滤膜的除污染效能，亦发现纳滤膜对水中染料的截留率均超过98%。因此，按照生活饮用水卫生标准的限值，超滤/纳滤工艺能够应对的苯系物、重金属离子、氨氮和氟化物引起的突发水源污染，最大超标倍数分别达到32倍、62倍、66倍和35倍。若将预处理工艺的净化能力考虑在内，双膜工艺应对的污染物超标倍数还能提高。

表3 超滤/纳滤双膜工艺对典型污染物的控制效能

3.4 超滤和纳滤双膜工艺组合方式与比例

表4列出了超滤和纳滤按不同比例构建时掺混出水的水质情况。当完全使用纳滤进行处理时，出水水质最好，出水CODMn低至0.24 mg/L, 比生活饮用水卫生标准限值低1个数量级以上；硝态氮、碱度、氯化物以及硫酸根离子的浓度均处于极低的水平。随着超滤和纳滤比例的提高，掺混出水的水质有所降低，主要原因在于超滤膜的孔径比纳滤膜大，截污能力不如纳滤膜。除了浊度以外，TDS、CODMn、UV254等7个指标都随着超滤/纳滤比例的变化而显著变化。浊度对超滤/纳滤比例不敏感的原因在于浊度检测仪检测精度有限，对0.1NTU以下水样灵敏度不够高。由此可知，当水厂正常运行时，超滤纳滤双膜工艺中纳滤占比提高有利于水厂出水水质的提升，当然也会提高制水成本，应根据应急供水所需保障的范围进行设定。

表4 超滤/纳滤比例对掺混出水水质的影响

城市供水水量包括居民生活用水、工业用水以及道路浇洒与绿化等多种用途。当突发水源污染的情况下，城市供水应优先满足居民的生活用水。如图2所示，直接饮用和烹饪一般只占居民生活用水的2%，考虑到厨房用水以及冲厕等部分卫生用水，需优先保障的用水量仅占居民生活用水的20%~30%。因此，按照减量保质的理念，将超滤和纳滤按照产水量1∶2或1∶3配置，可以在突发水源污染情况下，通过超滤和纳滤串联运行，实现直接居民生活用水优先供应，从而降低居民对突发断水的恐慌，保障社会稳定。

图3 城市供水中不同目的用水组成分析

本文对突发饮用水污染应急处理与控制技术进行文献调研和分析，并研究了超滤/纳滤双膜工艺对突发水污染中典型污染物的截留效能以及应急处理能力，可得到以下结论：

• 现有饮用水应急处理技术已发展较为完善，可以有效应对突发性水源污染，但仍存在应急反应相对慢、应急设施增加成本、化学物质添加多等问题。

• 超滤和纳滤并联搭配和掺混供水可以提高水厂出水的水质，水质随着纳滤产水占比的增加而提高。

• 基于超滤和纳滤串联的双膜工艺可以有效去除水中的苯系物（>96.8%）、磺胺类抗生物（>99.4%）等有机物以及重金属离子（>97.9%），具有广谱除污染能力。

• 在突发污染情况下，超滤和纳滤串联运行，可保证高效的应急处理效能，实现“减量保质”的间断性应急供水，避免城市出现连续断水的恐慌。

• 综合双膜的工艺的建设运行成本以及生活用水优先保障水量的占比，超滤的供水规模可控制在纳滤的2~3倍。