谈优质饮用水深度处理

一、优质饮用水问题的提出
　　随着工业的迅速的发展、人工合成化合物的种类已达几千万种，与此同时大量含有各种有毒、有害物质的工业废水、生活污水未经处理或只经简单处理便排入天然水体，直接或间接地造成了饮用水水源的污染。目前全国大部分地表水源水质呈恶化趋势，水库湖泊水富营养化现象比较严重，水体污染的特点是有机物的种类急剧增加。此外还有农田径流、大气沉降等非点源污染，致使水源污染日益加剧，其中以有机污染最为严重，现在饮用水水质问题已成为当含世界面临的普遍性问题。通过流行病学调查研究和对污染物质毒理学的验证，发现很多物质与居民发病率具有很大的相关性，从而引起了人们对饮用水的卫生院与安全性的极大重视。为保证饮用水质量，世界各国不仅及时修订了本国的水质标准，而且制定了控制水中有毒有害物质的对策。随着这些调查和研究工作的不断深入，人们逐步认识到，常规的絮凝沉淀、过滤、消毒净化工艺已不能有效支队水中的病原菌、病毒等，不能保障饮用水的卫生与安全。因此，以去除饮用水中有机污染及有毒有害物质为目标责任制的饮用水尝试净化技术得到日益广泛的应用。
　　世界上经济发达国家和地区，开展了大量饮用水深度净化的研究及应用工作，对臭氧、活性炭、生物接触氧化等多种除污染方法，及由其组成的净化系统进行了深入的应用研究，取得了丰富的经验。后期随着膜工业的兴起，又将各种膜技术引入饮用水深度处理领域，数十年来随着膜分离装置的工业化和膜分离技术的发展，尤其是纳膜对有机污染物的选择性去除等独特优点，在这一领域的应用中展示了强大的生命力。
　　我国目前在饮用水深度净化领域中作了大量的应用及研究工作，国家颁布布了《饮用净水水质标准》、《供水行业2000年技术进步发展规划》等作为评价饮用水水质的依据。现在国内已建设了一部分饮用水深度净化工程，虽然这一领域的水处理技术呈良好 的发展态势，但目前的管道优质饮用水及市售瓶装饮用水几乎都是经反渗碳透设施的除离子水，净化后的水虽将将有害物质去除，但同时将人体所必需要的矿物质和许多工作微量元素也去除殆尽，水质甚至达到了电子、食品等特殊工业用水水质，这种去离子作为饮用水是不科学的。国内外医学专家通过科学论证，明确了“优质饮用水”的概念，即“优质饮用水”应是最大程度地去除原水中的有毒有害物质，同时又保留原水中对人体有益的微量元素和矿物质的饮用水。
　　人体对微量元素的需求主要从食物中获得，但饮用水是人体摄取必需的矿物质和微量元素的重要途径，而且水中的溶解性矿物质要比食物中更容易地被人体吸收。人类长期依赖水而生存，人体对这些元素在水中的比例形成了较强的适应性，长期饮水中缺少这些元素，会造成严重营养失衡，对老年人、发育中的儿童、孕妇的影响尤为明显，医学界的生理学试验也充分证明这一结论。
二、优质饮用水净化技术的探讨
　　按照建设部颁布发的《饮用净水水质标准》及《供水行业2000年技术进步发展规划》水质目标（88项），从某市常规供水管网中取三组样，对水质进行检测分析，有六项指标超标准，重点反映在有机污染的问题。检测数据见表1。
表1 水质检测结果

序号	项目名称	单位	1#	2#	3#	88项指标	饮用净水标准
1	1,1,2三氯乙烷	μg/l	43.9*	36.7*	37.4*	总量<=1
2	总有机碳（TOC）	μg/l	13.9*	12.6*	13.6*		<=4
3	三氯甲烷	μg/l	44.8*	52.2*	56.3*	<=60	<=30
4	电导率	μg/l	625*	500*	503*	<=400
5	矾	Mg/l	0.189*	0.088	0.092	<=0.1

　　*表示此项指标超标准
　　继续从该市管网水取样进行色--质联机检测及Ames试验，对水中有机物进行定性分析，结果从管网中检测出48种有机物，其中具有生物富集性、三致作用的有机物9种。Ames试验具有一定的致突变性。
　　根据检测结果综合分析，该市管网水已受到有机污染，尤其是水中具有很强三致作用的三氯甲烷、三氯乙烷等有机氯化合物超标严重。三氯乙烷、三氯甲烷同属有机卤低化合物，其“前驱物质”如某些苯酚类化合物、腐殖酸甚至某些藻类的分解或代谢产物，经氧化、卤化、水解后均能生成卤代烃类化合物。研究认为，即使低剂量的氯也可产生氯代反应，导致氯进入有机化合物中。氯进入有机化合物中增加其亲脂性，难溶于水而易溶于脂肪，在人体和生物中积累性强，潜在危害十分大，具有很强的三致作用，均为WHO确认的致癌物。因此，确定该市管网水属于有机微污染水。
　　饮用水的有机污染尤其是有机卤代化合物首先受到世界各国的密切关注。国际经济合作组织（OECO）与世界卫生组织（WHO）曾组织专家对于水中的有机卤素化合物的存在形式、毒性、生成机制与控制方法进行了探讨与研究，国内在给水处理中对去除卤代烃三氯甲烷的研究也有一定程度的进展，而对1,1,2-三氯乙烷的去除还比较陌生。目前我国去除水中有机污染较重，且含卤代烃类化合物（化学稳定性强、难降解）的有效处理工艺为臭氧化、活性炭吸附+反渗透（RO）把关工艺，处理工艺流程如下：

　　该工艺将水中包括有机污染物在内的全部物质去除贻尽，只有采取后加生理盐或矿化过滤等附加措施，水质方可基本达到优质水的要求，但反渗碳透所需工作压力大，电耗大。后补充微量元素和矿物质的过程复杂，而且不理想，工程造价与运行费用较高，技术、经济不尽合理。不是理想的处理工艺。
　　近几年美国和日本开始应用臭氧活性炭--纳膜技术处理有机污染水取得良好的效果，国内第二炮兵设计院对该技术也进行了试验，但由于臭氧活性炭---纳膜处理有机污染水目前在国内尚无应用实例，而且无规范可循，鉴于此种情况，我们对臭氧活性炭--纳膜技术进行了试验。
三、实验结果与分析
　　为确保试验数据的可实施性，我们组装了两套设备进行了全过程的生产性试验。试验在本工程所在地进行原水为管网水。
试验设备的运行的参数：（1）进水量为540L/h,出水量为410L/h,浓缩水排放量130L/h。（2）砂滤滤速：6.5--7m.h。(3)O3反应时间10--13min。（4）O3投量3--5mg/L。（5）活性炭滤速：6.5--7m/h。试验时，为了验证各阶段的处理效果，确定有关的工艺参数，我们对各阶段的出水及相应参数的变化，做了水质分析。
　　1、砂滤单元：
　　砂滤单元采用微絮凝过滤，主要去除20-50μm的杂质，如原水中较大颗粒的悬浮物、铁化物沉淀等，使其不进入后续单元，确保其净化效果。
　　试验证明：砂滤单元对色度、浊度的去除效果较好，出水的色度、浊度分别由原水的12度、4.5NTU降至5度、1NTU，达到水质要求。砂滤对三氯甲烷的去除率15%左右，对总有机碳、1,1,2-三氯乙烷的去除效果甚微。
表2 砂滤去除效果表

序号	项目名称	单位	原水	砂滤出水	去除率	88项指标	饮用净水标准
1	色度	度	12	5	58.3%	<=15	<=5
2	浊度	NTU	4.5	1.0	77.8%	<=3	<=1
3	1,1,2三氯乙烷	μg/l	36.6	35.2	3.8%	总量<=1
4	耗氧量	Mg/l	1.7	1.7		<=5	<=2
5	总有机碳（TOC）	Mg/l	4.3	4.02	6.5%		<=4
6	三氯甲烷	μg/l	48.5	40.3	16.9%	<=60	<=30

　　2、臭氧活性炭单元
　　活性炭出水的水质分析结果（表3）表明：（1）臭氧活性炭水中有机物的综合指标大幅度降低，微污染物的种类和数量大大减少，大幅度减轻了后续膜滤的负担。（2）臭氧活性炭单元对有机卤代化合物的去除效果显著，出水中三氯甲烷的含量为0.5μg/l，远低于准中规定的30μg/l，去除率在90%以上；1,1,2-三氯乙烷被完全去除。此单元对COD、TOC的去除效果不高。（3）臭氧活性炭对碱度、总硬度及钙镁离子的去除没有效果。（4）试验得出臭氧投加量3--4mg/L时效果最佳。
表3 活性炭去除效果表

序号	项目名称	单位	砂滤出水	活性炭出水	去除率	88项指标	饮用净水标准
1	色度	度	5	5		<=15	<=5
2	浊度	NTU	1.0	0.2	80	<=3	<=1
3	1,1,2三氯乙烷	μg/l	35.2	未检出	100	总量<=1
4	耗氧量	Mg/l	1.7	0.8	52.9	<=5	<=2
5	总有机碳（TOC）	Mg/l	4.02	3.91	2.7		<=4
6	三氯甲烷	μg/l	40.3	0.5	98.8	<=60	<=30

　　3、纳滤单元
　　（1）纳膜的组合方式：
　　第一套设备选定的NF膜为Hydranautics生产的RO4Z1M40-V1-25V膜，此种膜是根据原水水质特定的，膜孔径为0.005um。第二套设备选定的NF膜为Hydranautics生产的ESNAl膜。
　　（2）试验结果：
　　两套系统对水中剩余有机物的去除效果均很好，出水总有机碳的含量为0.6mg/L，去除率为85%，其它种有机物指标均能达到饮用水水质要求。但对有益离子的保留方面，则有很大的差别。第一套系统对有益离子的保留率：总硬度40--50%，钙50%，镁0%，电导率6%；因此第一套系统的出水水质能够满足优质饮用水的水质目标，其处理效果详见下表。
表4 纳滤去除效果表

序号	项目名称	单位	活性炭出水	第一套设备	第二套设备	88项指标	饮用净水标准
出水	去除率	出水	去除率
1	耗氧量	Mg/l	0.8	0.6				≤5	≤2
2	总有机碳	Mg/l	3.91	0.6	84.7%	0.064	98.3%		≤4
3	三氯甲烷	μg/l	0.5	0.3		0.2		≤60	≤30
4	1,1,2-三氯乙烷	μg/l	未检出	未检出		未检出		总量≤1
5	钠	Mg/l	35.200	20.477	41.8%	2.9959	91.5%	≤200
6	钾	Mg/l	1.700	1.012	40.5%	0.1443	91.5%
7	钙	Mg/l	25.651	12.425	51.6%	0.802	96.9%	≤100
8	镁	Mg/l	6.08	2.189	64.0%	0.00	100%	≤50
9	碱度	Mg/l	55.044	32.526	40.9%	5.004	90.9%	>30
10	总硬度	Mg/l	89.071	40.032	55.1%	2.002	97.7%	≤450	≤300
11	电导率	μs/cm	316	146	53.8%	19	94.0%	≤400

四、结论：
　　1、从纳滤的各种分离性能的有关资料和初步研究可以看出，膜材质不同，其性能不同，反应在电荷性与极性上，对脱除对象也有所不同，纳滤过程部分受压力控制，部分受孔径控制，还部分受电荷排斥及极性的影响，这是一个复杂的过程。
　　2、试验表明：臭氧活性炭、纳滤处理工艺对微污染水的处理是行之有效的，只要纳膜选择适宜，完全可以达到优质饮用水的水质目标。