淺談管道直飲水凈化技術(shù)

＊祁靜 閆學(xué)亞 翟學(xué)東

（鄂爾多斯市安信泰環(huán)?？萍加邢薰?安全飲水與污水處置技術(shù)研究開發(fā)中心 內(nèi)蒙古 017000）

我國飲用水水源存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，全區(qū)12個(gè)盟市及滿洲里市、二連浩特市，各監(jiān)測城市中，呼和浩特市、包頭市、赤峰市和阿拉善盟集中式生活飲用水水源既有地表水水源地也有地下水水源地，呼倫貝爾市與巴彥淖爾市只有地表水水源地，其他8個(gè)城市均為地下水水源地。2020年內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)顯示：全區(qū)地級市集中式飲用水水源地取水量達(dá)標(biāo)率為87.8%，較2019年下降1.7%；呼和浩特市、包頭市、興安盟、赤峰市、烏蘭察布市、巴彥淖爾市和烏海市水源地達(dá)標(biāo)率為100%，其他地級城市水源地均有不同程度的超標(biāo)。全區(qū)94個(gè)萬人千噸飲用水水源地監(jiān)測井中，超標(biāo)水源井38個(gè)，其中Ⅱ-Ⅲ類水質(zhì)占59.5%、Ⅳ類水質(zhì)占33.0%、Ⅴ類水質(zhì)占7.5%，主要超標(biāo)項(xiàng)為總大腸菌群、總硬度和氨氮。

目前，我國大部分水處理廠仍采用混凝-沉淀-過濾-消毒單元構(gòu)成的“第一代”水處理工藝[2]，同時(shí)也有部分水廠對常規(guī)工藝進(jìn)行升級改造，在第一代工藝基礎(chǔ)上增加深度處理工藝（預(yù)臭氧—混凝—沉淀—過濾—后臭氧—生物活性碳—消毒），提升飲用水水質(zhì)。深度處理工藝在對痕量污染物去除、長期穩(wěn)定水質(zhì)保障需要優(yōu)化改進(jìn)[3]。鑒于目前城市供水水源存在的問題，為使居民喝上放心水，一方面通過源頭水源保護(hù)、凈水廠及管網(wǎng)的改造升級來確保飲水安全。另一方面通過建設(shè)管道直飲水系統(tǒng)達(dá)到分質(zhì)供水、高質(zhì)高用、低質(zhì)低用的目的，使得入口飲水和洗衣等生活用水分流可讓更多的人受惠于直飲水。從管道直飲水系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢看，該系統(tǒng)在安全飲水方面將發(fā)揮重要作用。

1.凈化技術(shù)

根據(jù)水源水質(zhì)的不同，管道直飲水的凈化技術(shù)略有差異，目前市場上的主導(dǎo)凈化工藝為“預(yù)處理+膜處理+后處理”，水源主要為市政自來水、地表水、地下水。

(1)預(yù)處理

預(yù)處理是指利用多介質(zhì)過濾器、活性炭過濾器等機(jī)械過濾技術(shù)，以去除水中膠體與懸浮物為主要目的，使原水處理后符合膜進(jìn)水水質(zhì)要求，減輕膜的堵塞與污染，延長膜使用壽命。

表1 預(yù)處理技術(shù)的比較[4-5]

其中，活性炭比表面積大，依靠過濾、吸附作用可以有效降低水中濁度及懸浮物、細(xì)菌、病毒、重金屬、有機(jī)物的含量，同時(shí)可以消除余氯；其性能優(yōu)于砂濾，往往作為砂濾的后續(xù)處理工序。軟化過濾器實(shí)質(zhì)是離子交換樹脂，可以減少鈣、鎂離子含量，但不能降低水中的總含鹽量。精濾可根據(jù)超濾或納濾、反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求的不同，選擇濾芯規(guī)格，以起到保護(hù)膜的作用。

(2)膜處理技術(shù)

膜技術(shù)即利用膜孔的篩分截留作用，在外力的驅(qū)動下，大于膜孔的溶質(zhì)粒子被截留，小分子溶質(zhì)與水溶液透過濾膜進(jìn)入產(chǎn)水中，最終實(shí)現(xiàn)溶液與溶質(zhì)的分離。因此，直飲水凈水技術(shù)根據(jù)膜截留能力的強(qiáng)弱形成了超濾、納濾、反滲透飲水凈化技術(shù)。

市場上膜供水裝置種類分為商用級、工廠級[6]；對商用級供水膜進(jìn)行比較，參見表2。

表2 超濾、納濾、反滲透膜技術(shù)的比較[4-5]

①分離原理。膜技術(shù)是一種分離溶液、加強(qiáng)濃縮處理的技術(shù)手段；在膜的兩側(cè)施加壓差，使成分選擇性地透過膜以達(dá)到分離的效果。

當(dāng)含有大分子物質(zhì)的溶液（例如水溶液）與超濾膜接觸時(shí)，在原料側(cè)施加一定的壓力，溶液中的小分子物質(zhì)及水透過膜上的超微孔流到膜的低壓側(cè)為透過液，大分子物質(zhì)被膜阻擋而留在膜的上游側(cè)，實(shí)現(xiàn)溶液中大分子物質(zhì)與小分子物質(zhì)、水的分離。一般認(rèn)為，超濾膜的分離作用是由機(jī)械截留（篩分）、架橋和吸附幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果[7]；其對有機(jī)物及硬度離子的去除效果差[2,8]。

反滲透是利用反滲透膜選擇性地允許溶劑（通常是水）透過而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實(shí)現(xiàn)溶劑和溶質(zhì)分離的膜過程；反滲透的選擇透過性與組分在膜中的溶解、吸附和擴(kuò)散等有關(guān)[9]。反滲透可有效去除多價(jià)及一價(jià)離子（95%～99%），平均脫鹽率為95%～98%，經(jīng)反滲透處理后水中絕大部分礦物質(zhì)、微量元素都已去除。

納濾是由反滲透發(fā)展而來，介于超濾、反滲透之間的一種膜分離技術(shù)。納濾膜過程與反滲透膜過程類似，其傳質(zhì)機(jī)理與反滲透膜相似，屬于溶解-擴(kuò)散模型[9-10]。納濾膜對一價(jià)離子去除率一般在60%以下，二價(jià)及多價(jià)離子去除率一般大于90%。

②適用條件。超濾技術(shù)適用于水源水質(zhì)較好的條件，廣泛應(yīng)用于納濾、反滲透的前端處理工序?！吨行W(xué)膜處理飲水設(shè)備技術(shù)研究和配置規(guī)范》（JY/T 0593-2019）是由教育部發(fā)布為保障學(xué)校師生飲水健康、安全而配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，文件中明確指出“膜處理飲水設(shè)備宜采用超濾、納濾的過濾方式”“在原水污染風(fēng)險(xiǎn)較大地區(qū)可使用反滲透方式，當(dāng)原水質(zhì)達(dá)標(biāo)后宜更換成納濾或超濾方式進(jìn)行處理”。該規(guī)范在兼顧飲水安全與健康的同時(shí)，為日后膜處理技術(shù)在飲水凈化方面的發(fā)展提供了方向，具有重要指導(dǎo)意義。

舒為群教授表示“高脫鹽的反滲透與致密性納濾膜能有效截留飲用水中可能存在的有機(jī)雜質(zhì)，從而進(jìn)一步保障飲用水安全。但過量去除水中的無機(jī)離子，特別是鈣/鎂離子、氟離子和微/痕量無機(jī)離子，則可能會降低飲用水的健康性。從這個(gè)角度講，采用納濾技術(shù)，適當(dāng)保留飲用水中鈣/鎂元素和TDS，盡可能多地去除有機(jī)雜質(zhì)和有毒有害無機(jī)離子，不但提高了飲水的健康性，在口感方面也可能更易被人群所接受[11]?！?/p>

③膜產(chǎn)品市場。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國膜產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，目前在中國膜市場中反滲透膜市場占有份額達(dá)50%以上，從2010—2018年，我國反滲透市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，2018年已超過930億元。據(jù)估計(jì)，2017年納濾膜市場份額不足3%，但在2015—2019年將保持高達(dá)15.6%的年復(fù)合增長率[12]。

(3)后處理技術(shù)

后處理是將經(jīng)過前期膜處理過的水進(jìn)行消毒，殺死細(xì)菌及微生物，調(diào)整水質(zhì)符合人體飲用；可采用臭氧、紫外線、二氧化氯等。目前，管道直飲水多采用臭氧、紫外線、臭氧和紫外線聯(lián)合殺菌。紫外線是瞬時(shí)殺菌，殺菌效果很好。

表3 消毒技術(shù)的比較[13]

(4)常見工藝流程

市政自來水作為供水水源的條件下，目前國內(nèi)用于管道直飲水的組合工藝類型主要為以下幾類：

①O3（臭氧）活性炭過濾器+MF（微濾）+UF（超濾）+O3（臭氧）+ClO2（二氧化氯）。預(yù)臭氧主要是針對取水點(diǎn)為湖庫的自來水，采用臭氧去除水藻、降低水中有機(jī)物、色度、濁度；經(jīng)臭氧處理后水體經(jīng)活性炭一方面消除臭氧殘余，一方面進(jìn)一步降低水中污染物；MF（微濾）作為保安密過濾器，截留＞0.1μm的雜質(zhì)后進(jìn)入超濾裝置，最終經(jīng)消毒達(dá)到凈水水質(zhì)要求。該工藝適用于原水水質(zhì)較好的條件。

②多介質(zhì)過濾器（石英砂）+活性炭過濾器+精密過濾器+NF（納濾）+紫外線消毒。該工藝適用于中、低硬度的水源，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注出水水質(zhì)殺毒滅菌效果的穩(wěn)定性。納濾主要針對去除水中的多價(jià)離子，該工藝不適用于高氟水質(zhì)凈化。

③多介質(zhì)過濾器+活性炭過濾器+軟化+精密過濾器+反滲透（RO）+紫外線消毒。預(yù)處理主要是去除原水中的懸浮物、膠體、有機(jī)物等，并通過離子交換去除鈣、鎂離子降低水體硬度。膜處理采用反滲透膜RO，后處理工序利用臭氧對成品水箱的水進(jìn)行定時(shí)定量的消毒，精密過濾器、紫外線殺菌器分別對循環(huán)回水進(jìn)行過濾、消毒。此工藝流程對原水水質(zhì)要求低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，適用范圍較前兩種工藝廣泛。但反滲透處理后其產(chǎn)水呈弱酸性，長期飲用會破壞人體酸堿平衡。

2.結(jié)論與建議

(1)結(jié)論

目前，我國飲水凈化工藝路線為預(yù)處理+膜處理+后處理；膜市場競爭主要集中在反滲透膜與納濾膜，兩種膜技術(shù)均可有效截留飲用水中可能存在的有機(jī)雜質(zhì)，從而進(jìn)一步保障飲用水安全。

(2)建議

我國管道直飲水的現(xiàn)狀可以概括為有需求、有效益、有問題。

管道直飲水系統(tǒng)的推行須堅(jiān)持“政府主導(dǎo)、企業(yè)運(yùn)作、社會參與”的原則，提升居民飲水意識，加強(qiáng)政府監(jiān)管等多方位的協(xié)作。當(dāng)前各級政府及有關(guān)管理部門、水務(wù)公司，仍然要以提高自來水水質(zhì)為首要任務(wù)，切不可因管道直飲水有較大經(jīng)濟(jì)效應(yīng)而盲目發(fā)展，避免舍本求末的現(xiàn)象。同時(shí)，應(yīng)從提高膜通量、延長膜壽命、提升節(jié)水等角度關(guān)注膜技術(shù)的發(fā)展。

對已建成、將建設(shè)管道直飲水系統(tǒng)的地區(qū)，應(yīng)強(qiáng)化飲用水衛(wèi)生安全產(chǎn)品監(jiān)管，提倡增強(qiáng)系統(tǒng)智能化感知，以物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模式為直飲水保駕護(hù)航。