城市飲用水深度處理工藝
隨著水體污染日益嚴(yán)重，新的污染物的增加，以往的飲用水處理技術(shù)已經(jīng)達(dá)不到國(guó)家所制定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)飲用水的深度處理已經(jīng)必不可少。目前所廣泛采用的飲用水深度處理技術(shù)包括：臭氧-活性碳技術(shù)、膜分離技術(shù)、生物活性碳技術(shù)、吹脫技術(shù)。另外還有正處在實(shí)驗(yàn)階段的超聲空化技術(shù)和光氧化技術(shù)。
1.臭氧-活性炭技術(shù)
臭氧具有強(qiáng)氧化性，最早它是作為飲用水的消毒劑出現(xiàn)的，并且又能去除水中的色度和臭味。隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，通過利用臭氧的強(qiáng)氧化能力，可以破壞有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)以達(dá)到改變其物質(zhì)成分的目的；钚蕴渴且环N多孔性物質(zhì), 內(nèi)部具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積, 活性炭的空隙分為大孔、過渡孔和微孔, 大孔主要分布在活性炭表面, 對(duì)有機(jī)物的吸附甚微, 過渡孔是水中大分子有機(jī)物的吸附場(chǎng)所和小分子有機(jī)物進(jìn)入微孔的通道, 而微孔則是活性炭吸附有機(jī)物的主要區(qū)域, 微孔構(gòu)成的比面積占總面積的 95%, 活性炭對(duì)有機(jī)物的去除受有機(jī)物特性的影響, 主要是有機(jī)物的極性和分子大小的影響, 同樣大小的有機(jī)物, 溶解度愈大, 親水性愈強(qiáng),活性炭對(duì)其吸附性愈差。
O3與活性炭聯(lián)合使用,可收到良好的效果。在水處理中使用活性炭,能有效地去除小分子有機(jī)物,但對(duì)大分子有機(jī)物的去除則很有限.如果水中大分子有機(jī)物含量較多,會(huì)使活性炭的吸附表面加速飽和而得不到充分利用,縮短使用周期.若進(jìn)水先經(jīng)O3氧化,使水中大分子有機(jī)物分解為小分子狀態(tài),就會(huì)提高有機(jī)物進(jìn)入活性炭微孔內(nèi)部的可能性,充分利用活性炭的吸附表面,延長(zhǎng)其使用周期。同時(shí),后續(xù)的活性炭又能吸附O3氧化過程中產(chǎn)生的大量中間產(chǎn)物,包括O3無法去除的三氯甲烷及其前驅(qū)物,保證了最后出水的化學(xué)穩(wěn)定性。
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臭氧-活性碳工藝流程圖
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2.膜分離技術(shù)
常用的以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù),有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)以及反滲透(RO)等工藝方法。膜分離技術(shù)能夠提供穩(wěn)定可靠的水質(zhì).其分離水中雜質(zhì)的主要機(jī)理是機(jī)械篩濾作用,因而出水水質(zhì)在很大程度上取決于濾膜孔徑的大小。
微濾(MF):又稱精密過濾,其濾膜的孔徑為0.05~5.00μm,操作壓力為0.01~0.2MPa,可以去除微米(10-6m)級(jí)的水中雜質(zhì).多用于生產(chǎn)高純水時(shí)的終端處理,和作為超濾、反滲透或納濾的預(yù)處理過程。
超濾(UF):其濾膜的孔徑為5nm~0.1μm,操作壓力為0.1~1.0MPa,可以去除分子量300~3×105的大分子有機(jī)物及細(xì)菌、病毒、賈第蟲和其它微生物。納濾(NF):介于UF和RO之間,可在較低的壓力(0.5~1.0MPa)下實(shí)現(xiàn)較高的水通量,總鹽類去除率在50H~70H左右,尤其對(duì)二價(jià)離子(如Ca2+、Mg2+等)的去除率可達(dá)到90H以上.在凈水處理中適用于硬度和有機(jī)物含量較高,且濁度較低的原水,主要是地下水水處理方面.納濾膜本身帶氨基和羧基兩種正負(fù)基團(tuán),這是它在較低壓力下,仍具有較高脫鹽性能和截留分子量為數(shù)百的膜,也可以去除無機(jī)鹽的重要原因.因此,納濾膜不僅可以進(jìn)行水質(zhì)軟化和適度脫鹽,而且可以去除THMFP、色度、細(xì)菌、溶解性有機(jī)物和一些金屬離子等.目前,飲用水深度處理中應(yīng)用較多的,主要為卷式芳香族聚酰胺類復(fù)合納濾膜。
反滲透(RO):其膜孔徑僅約為10~11×10-10m,操作壓力為1~10MPa.RO能耗大,但反滲透膜幾乎可以去除水中一切物質(zhì),包括各種懸浮物、膠體、溶解性有機(jī)物、無機(jī)鹽、細(xì)菌、微生物等.近年來,反滲透技術(shù)已大量應(yīng)用于飲用水的深度處理上,成為制備純水的主要技術(shù)之一。
杭州灣新區(qū)水廠是設(shè)計(jì)上首次將超濾膜和反滲透膜即“雙膜法”應(yīng)用于市政水處理的工程。
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膜分離過程
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優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)飲用水處理工藝相比,膜技術(shù)具有少投入甚至不投入化學(xué)藥劑、占地面積小、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),并已大量應(yīng)用到城鎮(zhèn)自來水的深度處理上。
膜分離設(shè)備：
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GRT-DP-5TPH雙級(jí)反滲透純凈水生產(chǎn)線
單級(jí)反滲透工藝流程圖
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3.生物活性碳技術(shù)
生物活性炭吸附技術(shù)是隨著活性炭在飲用水處理中的大量使用而出現(xiàn)的.生物活性炭技術(shù)的本質(zhì)是使活性炭表面附著一定量的生物以達(dá)到去除水中污染物的目的.生物活性炭對(duì)有機(jī)物的作用機(jī)理,可以看作是物理吸附和生物降解的組合.吸附飽和的生物活性炭在不需要再生的情況下,可利用其生物降解能力,繼續(xù)發(fā)揮控制污染物的作用,這一點(diǎn)正是其它方法所不具備的。采用生物活性碳技術(shù)后,與原先單獨(dú)使用活性碳吸附工藝相比,出水水質(zhì)得到提高,也增加了水中溶解性有機(jī)物的去除,從而降低了氯化時(shí)的Cl2投加量,降低了CHCl3的生成量,而且延長(zhǎng)了活性碳的再生周期,減少運(yùn)行費(fèi)用.該技術(shù)進(jìn)行飲用水深度處理時(shí),通常的前提條件是,避免預(yù)氯化處理,否則微生物不能在活性碳上生長(zhǎng),也就失去了生物活性碳的生物氧化作用。
4.吹脫技術(shù)
吹脫技術(shù)是使水作為不連續(xù)相與空氣接觸,利用水中溶解化合物的實(shí)際濃度與平衡濃度之間的差異,將揮發(fā)性組分不斷由液相擴(kuò)散到氣相中,達(dá)到去除揮發(fā)性有機(jī)物的目的。但對(duì)難揮發(fā)性有機(jī)物去除效果很差.吹脫法過去主要用于去除水中溶解的CO2、H2S、NH3等氣體,同時(shí)增加溶解氧,來氧化水中的金屬。直到70年代中期,該技術(shù)才開始用于去除水中低濃度揮發(fā)性的有機(jī)物。在飲用水深度處理中,吹脫法費(fèi)用低,是采用活性碳達(dá)到同樣去除效果所需運(yùn)行費(fèi)用的1/2~1/4。因此,美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)(USEPA)指定其為去除揮發(fā)性有機(jī)物最可行的技術(shù)(BAT).
5.超聲空化技術(shù)
頻率在 20kHz 以上的超聲波輻射溶液會(huì)引起許多化學(xué)變化, 稱為超聲空化效應(yīng)。, 降解有機(jī)物的途徑主要為: 熱解、自由基氧化、超臨界水氧化和機(jī)械剪切作用。當(dāng)足夠強(qiáng)度的超聲波輻射溶液時(shí), 在聲波負(fù)壓相內(nèi), 空化泡形成長(zhǎng)大, 而在隨后的聲波正壓相中, 氣泡被壓縮, 空化泡在經(jīng)歷一次或數(shù)次循環(huán)后達(dá)到一不平衡狀態(tài),受壓迅速崩潰, 產(chǎn)生瞬時(shí)高溫( >5 000K) 和高壓( >20MPa), 即所謂的“熱點(diǎn)”。空化泡中的水蒸氣在這種極端環(huán)境中發(fā)生分裂及鏈?zhǔn)椒磻?yīng), 產(chǎn)生氧化活性相當(dāng)強(qiáng)的氫氧自由基和過氧化氫, 并伴有強(qiáng)大的沖擊波和射流。親水性、難揮發(fā)的有機(jī)物在空化泡氣液界面或本體溶液中與?OH、?OOH 發(fā)生氧化反應(yīng), 而疏水性、易揮發(fā)有機(jī)物除發(fā)生氧化反應(yīng)外, 直接進(jìn)入空化泡發(fā)生熱解反應(yīng)。研究表明, 超聲空化對(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, 超聲頻率、聲強(qiáng)、飽和氣體性質(zhì)、污染物性質(zhì)濃度、溫度均會(huì)影響降解效果。
除臭、除味歷來是飲用水處理的核心問題之一,夏季是藻類爆發(fā)的高發(fā)季節(jié), 藍(lán)綠藻在生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生致臭副產(chǎn)物- 土臭素、2- 甲基異冰片等, 常規(guī)處理對(duì)其不能有效去除, 嚴(yán)重影響飲用水質(zhì)，640 kHz 的超聲輻射 40 min 后土臭素和 2- 甲基異冰片能達(dá)到 90%的去除, 主要降解機(jī)理為熱解作用。超聲波還有很好的殺菌作用, 空化效應(yīng)產(chǎn)生的剪切力加上自由基的攻擊能引起細(xì)胞膜的損傷, 破壞細(xì)胞膜的滲透性, 氧化胞內(nèi)物質(zhì)以滅活生物。
超聲技術(shù)是很有潛力的一種深度凈化工藝, 但目前的研究還僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段, 大都集中在對(duì)單一組分、小水量的研究, 且多為間歇運(yùn)行, 多組分連續(xù)運(yùn)行工藝將是今后研究的重點(diǎn)。
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6.光氧化技術(shù)
光氧化技術(shù)是利用在可見光或紫外光照射作用下,進(jìn)行復(fù)雜反應(yīng)以深度處理飲用水的技術(shù)。.該技術(shù)的特點(diǎn)是具有極強(qiáng)的氧化能力,有機(jī)物去除效率高,對(duì)水中有機(jī)優(yōu)先控制污染物也能有效進(jìn)行分解。.目前該技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室和中試階段.光氧化技術(shù),目前試驗(yàn)較多的有光激發(fā)氧化技術(shù)和光催化氧化技術(shù)。
光激發(fā)氧化技術(shù)是以O(shè)3、H2O2、O2和空氣等作為氧化劑,將氧化劑的氧化作用和光化學(xué)輻射相結(jié)合,可產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的自由基OH,其氧化效果要比單獨(dú)使用UV或O3好得多.比較有實(shí)用意義且研究較多的有UV+ H2O2和UV+O3工藝.UV+H2O2工藝能有效分解ClHC=CCl2、CHCl3、C6H6、C6H5Cl、C6H4OHCl等有機(jī)物,氧化速度隨紫外光強(qiáng)度和H2O2濃度的提高而增加.鑒于H2O2投加量過大影響經(jīng)濟(jì)成本等因素,促使人們進(jìn)一步考慮O3作為氧化劑時(shí)的處理效果.O3雖是強(qiáng)氧化劑,但單獨(dú)使用時(shí)對(duì)水中難降解有機(jī)物,如有機(jī)氯化物及三致物質(zhì)等并無去除效果.UV+O3聯(lián)用工藝能很好彌補(bǔ)這種不足.經(jīng)UV輻射作用,光化學(xué)作用分解O3生成OH基,能有效分解水中有機(jī)優(yōu)先控制污染物且沒有選擇性.
光催化氧化技術(shù),是在水中加入一定數(shù)量的半導(dǎo)體催化劑(如TiO2、WO3、Fe2O3及CdS等),在UV輻射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的自由基,氧化水中的有機(jī)物。利用光催化氧化技術(shù)對(duì)CHCl3、CCl4等9種飲用水中常見優(yōu)先控制污染物去除效果的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),該技術(shù)對(duì)這些有機(jī)優(yōu)先控制污染物有很強(qiáng)的氧化能力,能有效地予以分解和去除.研究還指出,飲用水光催化氧化處理時(shí),耗氧速度不高、光催化氧化的反應(yīng)速率受水溫變化影響較小、pH值變化對(duì)催化劑活性沒有影響,使得在飲用水處理中無需調(diào)整pH值等。中科院廣州能源研究所水氣治理實(shí)驗(yàn)室，利用的光催化氧化法，以一種半導(dǎo)體材料為催化劑，利用其在紫外光照射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，將水中微量有毒物質(zhì)、特別是可對(duì)人體產(chǎn)生三致（致癌、致突變、致畸變）的物質(zhì)徹底氧化成水和二氧化碳，還能殺滅細(xì)菌。
研究認(rèn)為,在合適的反應(yīng)條件下,有機(jī)物經(jīng)光催化氧化的最終產(chǎn)物是CO2和H2O等無機(jī)物。該處理方法具有強(qiáng)氧化性、對(duì)分解作用對(duì)象無選擇性及最終可使有機(jī)物完全礦化等特點(diǎn),在飲用水深度處理中具有明顯的優(yōu)越性.但光催化氧化法的處理費(fèi)用高,設(shè)備復(fù)雜,在經(jīng)濟(jì)上還只限于小水量規(guī)模的處理.同時(shí)也認(rèn)識(shí)到,光催化氧化法投入實(shí)際工程應(yīng)用所面臨的主要問題,是確定長(zhǎng)期運(yùn)行過程中催化劑的中毒情況,以及尋求理想的再生方法,和處理裝置難實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷、小型化等.這方面的研究將是今后的重點(diǎn)。
除了這些工藝之外，還出現(xiàn)了許多適合家用，可進(jìn)行末端處理的工藝和產(chǎn)品。首先應(yīng)用最廣的是活性碳過濾，如德國(guó)世？倒旧a(chǎn)的精密過濾器，上海千川凈水設(shè)備公司生產(chǎn)的凈水器系列均使用此技術(shù)。其次是反滲透技術(shù)和中空纖維超濾技術(shù)。韓國(guó)熊津與我國(guó)昆明美加公司分別采用了這兩種技術(shù)。
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