城市饮用水深度处理工艺
随着水体污染日益严重，新的污染物的增加，以往的饮用水处理技术已经达不到国家所制定的标准，对饮用水的深度处理已经必不可少。目前所广泛采用的饮用水深度处理技术包括：臭氧-活性碳技术、膜分离技术、生物活性碳技术、吹脱技术。另外还有正处在实验阶段的超声空化技术和光氧化技术。
1.臭氧-活性炭技术
臭氧具有强氧化性，最早它是作为饮用水的消毒剂出现的，并且又能去除水中的色度和臭味。随着水处理技术的发展，通过利用臭氧的强氧化能力，可以破坏有机物的分子结构以达到改变其物质成分的目的。活性炭是一种多孔性物质, 内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积, 活性炭的空隙分为大孔、过渡孔和微孔, 大孔主要分布在活性炭表面, 对有机物的吸附甚微, 过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通道, 而微孔则是活性炭吸附有机物的主要区域, 微孔构成的比面积占总面积的 95%, 活性炭对有机物的去除受有机物特性的影响, 主要是有机物的极性和分子大小的影响, 同样大小的有机物, 溶解度愈大, 亲水性愈强,活性炭对其吸附性愈差。
O3与活性炭联合使用,可收到良好的效果。在水处理中使用活性炭,能有效地去除小分子有机物,但对大分子有机物的去除则很有限.如果水中大分子有机物含量较多,会使活性炭的吸附表面加速饱和而得不到充分利用,缩短使用周期.若进水先经O3氧化,使水中大分子有机物分解为小分子状态,就会提高有机物进入活性炭微孔内部的可能性,充分利用活性炭的吸附表面,延长其使用周期。同时,后续的活性炭又能吸附O3氧化过程中产生的大量中间产物,包括O3无法去除的三氯甲烷及其前驱物,保证了最后出水的化学稳定性。
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臭氧-活性碳工艺流程图
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2.膜分离技术
常用的以压力为推动力的膜分离技术,有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)以及反渗透(RO)等工艺方法。膜分离技术能够提供稳定可靠的水质.其分离水中杂质的主要机理是机械筛滤作用,因而出水水质在很大程度上取决于滤膜孔径的大小。
微滤(MF):又称精密过滤,其滤膜的孔径为0.05~5.00μm,操作压力为0.01~0.2MPa,可以去除微米(10-6m)级的水中杂质.多用于生产高纯水时的终端处理,和作为超滤、反渗透或纳滤的预处理过程。
超滤(UF):其滤膜的孔径为5nm~0.1μm,操作压力为0.1~1.0MPa,可以去除分子量300~3×105的大分子有机物及细菌、病毒、贾第虫和其它微生物。纳滤(NF):介于UF和RO之间,可在较低的压力(0.5~1.0MPa)下实现较高的水通量,总盐类去除率在50H~70H左右,尤其对二价离子(如Ca2+、Mg2+等)的去除率可达到90H以上.在净水处理中适用于硬度和有机物含量较高,且浊度较低的原水,主要是地下水水处理方面.纳滤膜本身带氨基和羧基两种正负基团,这是它在较低压力下,仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜,也可以去除无机盐的重要原因.因此,纳滤膜不仅可以进行水质软化和适度脱盐,而且可以去除THMFP、色度、细菌、溶解性有机物和一些金属离子等.目前,饮用水深度处理中应用较多的,主要为卷式芳香族聚酰胺类复合纳滤膜。
反渗透(RO):其膜孔径仅约为10~11×10-10m,操作压力为1~10MPa.RO能耗大,但反渗透膜几乎可以去除水中一切物质,包括各种悬浮物、胶体、溶解性有机物、无机盐、细菌、微生物等.近年来,反渗透技术已大量应用于饮用水的深度处理上,成为制备纯水的主要技术之一。
杭州湾新区水厂是设计上首次将超滤膜和反渗透膜即“双膜法”应用于市政水处理的工程。
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膜分离过程
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优点：与常规饮用水处理工艺相比,膜技术具有少投入甚至不投入化学药剂、占地面积小、便于实现自动化等优点,并已大量应用到城镇自来水的深度处理上。
膜分离设备：
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GRT-DP-5TPH双级反渗透纯净水生产线
单级反渗透工艺流程图
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3.生物活性碳技术
生物活性炭吸附技术是随着活性炭在饮用水处理中的大量使用而出现的.生物活性炭技术的本质是使活性炭表面附着一定量的生物以达到去除水中污染物的目的.生物活性炭对有机物的作用机理,可以看作是物理吸附和生物降解的组合.吸附饱和的生物活性炭在不需要再生的情况下,可利用其生物降解能力,继续发挥控制污染物的作用,这一点正是其它方法所不具备的。采用生物活性碳技术后,与原先单独使用活性碳吸附工艺相比,出水水质得到提高,也增加了水中溶解性有机物的去除,从而降低了氯化时的Cl2投加量,降低了CHCl3的生成量,而且延长了活性碳的再生周期,减少运行费用.该技术进行饮用水深度处理时,通常的前提条件是,避免预氯化处理,否则微生物不能在活性碳上生长,也就失去了生物活性碳的生物氧化作用。
4.吹脱技术
吹脱技术是使水作为不连续相与空气接触,利用水中溶解化合物的实际浓度与平衡浓度之间的差异,将挥发性组分不断由液相扩散到气相中,达到去除挥发性有机物的目的。但对难挥发性有机物去除效果很差.吹脱法过去主要用于去除水中溶解的CO2、H2S、NH3等气体,同时增加溶解氧,来氧化水中的金属。直到70年代中期,该技术才开始用于去除水中低浓度挥发性的有机物。在饮用水深度处理中,吹脱法费用低,是采用活性碳达到同样去除效果所需运行费用的1/2~1/4。因此,美国环境保护协会(USEPA)指定其为去除挥发性有机物最可行的技术(BAT).
5.超声空化技术
频率在 20kHz 以上的超声波辐射溶液会引起许多化学变化, 称为超声空化效应。, 降解有机物的途径主要为: 热解、自由基氧化、超临界水氧化和机械剪切作用。当足够强度的超声波辐射溶液时, 在声波负压相内, 空化泡形成长大, 而在随后的声波正压相中, 气泡被压缩, 空化泡在经历一次或数次循环后达到一不平衡状态,受压迅速崩溃, 产生瞬时高温( >5 000K) 和高压( >20MPa), 即所谓的“热点”。空化泡中的水蒸气在这种极端环境中发生分裂及链式反应, 产生氧化活性相当强的氢氧自由基和过氧化氢, 并伴有强大的冲击波和射流。亲水性、难挥发的有机物在空化泡气液界面或本体溶液中与?OH、?OOH 发生氧化反应, 而疏水性、易挥发有机物除发生氧化反应外, 直接进入空化泡发生热解反应。研究表明, 超声空化对脂肪烃、卤代烃、酚、芳香族类、醇、天然有机物、农药等均有较好的降解, 超声频率、声强、饱和气体性质、污染物性质浓度、温度均会影响降解效果。
除臭、除味历来是饮用水处理的核心问题之一,夏季是藻类爆发的高发季节, 蓝绿藻在生长过程中会产生致臭副产物- 土臭素、2- 甲基异冰片等, 常规处理对其不能有效去除, 严重影响饮用水质，640 kHz 的超声辐射 40 min 后土臭素和 2- 甲基异冰片能达到 90%的去除, 主要降解机理为热解作用。超声波还有很好的杀菌作用, 空化效应产生的剪切力加上自由基的攻击能引起细胞膜的损伤, 破坏细胞膜的渗透性, 氧化胞内物质以灭活生物。
超声技术是很有潜力的一种深度净化工艺, 但目前的研究还仅停留在实验室研究阶段, 大都集中在对单一组分、小水量的研究, 且多为间歇运行, 多组分连续运行工艺将是今后研究的重点。
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6.光氧化技术
光氧化技术是利用在可见光或紫外光照射作用下,进行复杂反应以深度处理饮用水的技术。.该技术的特点是具有极强的氧化能力,有机物去除效率高,对水中有机优先控制污染物也能有效进行分解。.目前该技术还处于实验室和中试阶段.光氧化技术,目前试验较多的有光激发氧化技术和光催化氧化技术。
光激发氧化技术是以O3、H2O2、O2和空气等作为氧化剂,将氧化剂的氧化作用和光化学辐射相结合,可产生氧化能力很强的自由基OH,其氧化效果要比单独使用UV或O3好得多.比较有实用意义且研究较多的有UV+ H2O2和UV+O3工艺.UV+H2O2工艺能有效分解ClHC=CCl2、CHCl3、C6H6、C6H5Cl、C6H4OHCl等有机物,氧化速度随紫外光强度和H2O2浓度的提高而增加.鉴于H2O2投加量过大影响经济成本等因素,促使人们进一步考虑O3作为氧化剂时的处理效果.O3虽是强氧化剂,但单独使用时对水中难降解有机物,如有机氯化物及三致物质等并无去除效果.UV+O3联用工艺能很好弥补这种不足.经UV辐射作用,光化学作用分解O3生成OH基,能有效分解水中有机优先控制污染物且没有选择性.
光催化氧化技术,是在水中加入一定数量的半导体催化剂(如TiO2、WO3、Fe2O3及CdS等),在UV辐射下产生强氧化能力的自由基,氧化水中的有机物。利用光催化氧化技术对CHCl3、CCl4等9种饮用水中常见优先控制污染物去除效果的试验过程中发现,该技术对这些有机优先控制污染物有很强的氧化能力,能有效地予以分解和去除.研究还指出,饮用水光催化氧化处理时,耗氧速度不高、光催化氧化的反应速率受水温变化影响较小、pH值变化对催化剂活性没有影响,使得在饮用水处理中无需调整pH值等。中科院广州能源研究所水气治理实验室，利用的光催化氧化法，以一种半导体材料为催化剂，利用其在紫外光照射下产生强氧化剂，将水中微量有毒物质、特别是可对人体产生三致（致癌、致突变、致畸变）的物质彻底氧化成水和二氧化碳，还能杀灭细菌。
研究认为,在合适的反应条件下,有机物经光催化氧化的最终产物是CO2和H2O等无机物。该处理方法具有强氧化性、对分解作用对象无选择性及最终可使有机物完全矿化等特点,在饮用水深度处理中具有明显的优越性.但光催化氧化法的处理费用高,设备复杂,在经济上还只限于小水量规模的处理.同时也认识到,光催化氧化法投入实际工程应用所面临的主要问题,是确定长期运行过程中催化剂的中毒情况,以及寻求理想的再生方法,和处理装置难实现简捷、小型化等.这方面的研究将是今后的重点。
除了这些工艺之外，还出现了许多适合家用，可进行末端处理的工艺和产品。首先应用最广的是活性碳过滤，如德国世保康公司生产的精密过滤器，上海千川净水设备公司生产的净水器系列均使用此技术。其次是反渗透技术和中空纤维超滤技术。韩国熊津与我国昆明美加公司分别采用了这两种技术。
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