給水處理新技術(shù)研究

徐堅(jiān)

上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200335

水資源是人們賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和基本保障，同樣，城市的建設(shè)與運(yùn)行也離不開水資源系統(tǒng)的支撐。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背后，大量的水污染持續(xù)破壞著水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大增加了水資源的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。在城鄉(xiāng)一體化逐步實(shí)施，供水需求日益增加的背景下，水資源短缺嚴(yán)重影響了城市的發(fā)展與人們的日常生活。如何為用戶提供高質(zhì)量的供水，并且保障供水的有效性與及時(shí)性，是學(xué)者們的重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)處理效率低下，并且對于原水水質(zhì)有較高的要求。為了保障城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及居民日常生活的需要，就要采用高效、科學(xué)的給水處理新技術(shù)。給水處理新技術(shù)在供水環(huán)節(jié)中的廣泛應(yīng)用，不僅能夠提高處理效率與用水安全性，也有利于實(shí)現(xiàn)我國給水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 傳統(tǒng)給水處理技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)工藝基本流程

傳統(tǒng)給水處理技術(shù)主要分為四個(gè)流程：混凝、沉淀、過濾和消毒[1]。這種工藝流程的作用主要是增強(qiáng)水體的透明度、吸附水中的有機(jī)顆粒、攔截水中懸浮雜質(zhì)以及消殺水體中的病菌，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化處理。這樣的水處理技術(shù)較為簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備，處理成本也相對較低，能夠大規(guī)模地為城市生產(chǎn)生活提供用水。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，尤其是在復(fù)雜的原水水質(zhì)供應(yīng)情況下，水的處理凈化效果往往得不到保障，使得生產(chǎn)生活受到一定影響。

1.2 傳統(tǒng)工藝存在的問題

(1)處理效率低

傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)在進(jìn)行水處理的過程中，基本都是利用氧化反應(yīng)以及催化反應(yīng)，這種反應(yīng)機(jī)制在一定程度上使得水處理周期較長。此外，傳統(tǒng)的給水處理設(shè)備相對陳舊，容易出現(xiàn)故障從而導(dǎo)致運(yùn)行效率較低。因此，尤其在用水高峰期以及特殊用水情況下，傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)很難讓用水需求得到有效的保障。

(2)水質(zhì)易受藥劑影響

傳統(tǒng)的給水處理基本上是通過投加化學(xué)藥劑的方式對水質(zhì)進(jìn)行凈化，通常是投加鋁離子作為絮凝劑。高濃度的絮凝劑可以使水體得到有效的凈化，但是如果沒有將沉淀雜質(zhì)及時(shí)清除，就會(huì)導(dǎo)致水體化學(xué)物質(zhì)的大量聚集從而影響水質(zhì)。對于工業(yè)化生產(chǎn)用水，如果水中含有較多金屬離子，可能會(huì)對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

(3)消毒不徹底

傳統(tǒng)的給水處理采用加氯方式對水體中的細(xì)菌進(jìn)行消除，確保水質(zhì)能夠符合居民飲用水標(biāo)準(zhǔn)。但是隨著部分水體受污染程度逐漸加重以及細(xì)菌的不斷變異，加氯已經(jīng)不能保證水體中的細(xì)菌被完全消除。同時(shí)，細(xì)菌強(qiáng)大的適應(yīng)能力也使得加氯效果進(jìn)一步削弱。如果供水中的細(xì)菌含量較高，則會(huì)嚴(yán)重危害人體健康。

2 現(xiàn)代給水處理新技術(shù)

隨著我國工業(yè)化的迅速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市所產(chǎn)生的污水量急劇增加。大部分的污廢水通過市政管道進(jìn)入污水廠進(jìn)行處理，但是由于污水收集率的限制以及管道不同等級的缺陷，仍有大量污水進(jìn)入了自然水體。水源受到不同程度的污染，讓給水的處理帶來了一定的困難?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）自全面實(shí)施執(zhí)行后，傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)有的水質(zhì)變化以及達(dá)到實(shí)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。所以，為了達(dá)到對水源的有效處理，尤其是去除水中新出現(xiàn)的污染物，保障人民群眾的飲用水安全，新的給水處理技術(shù)便由此展開研究并逐步推廣應(yīng)用。

2.1臭氧生物活性炭

臭氧生物活性炭工藝是一種將臭氧化學(xué)氧化、活性炭物理化學(xué)吸附、生物降解及臭氧消毒滅菌合為一體的飲用水深度處理工藝[2]。臭氧的強(qiáng)氧化性，使其能夠去除水中色度、臭味，并且溶解性有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)在臭氧的氧化能力下得到破壞。而生物活性炭是活性炭在飲用水處理的應(yīng)用實(shí)踐中逐步發(fā)展應(yīng)用的。生物活性炭對比普通的活性炭來講，吸附效果更好并且活性炭的再生周期得到大大延長。臭氧生物活性炭工藝以傳統(tǒng)水處理過程為基礎(chǔ)，將原水進(jìn)行預(yù)臭氧化。臭氧的投加初步分解水中的有機(jī)物，同時(shí)部分難生物降解的有機(jī)物斷鏈、開環(huán)，使其能夠被生物降解。臭氧分解產(chǎn)生的氧氣，可以補(bǔ)充后續(xù)濾池的溶解氧，創(chuàng)造好氧環(huán)境從而提高好氧微生物活性。經(jīng)過臭氧預(yù)處理后，生物活性炭迅速吸附水中溶解性有機(jī)物，同時(shí)表面的微生物也能達(dá)到去除有機(jī)物的效果，在這個(gè)過程中，活性炭還能吸附臭氧氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。隨后進(jìn)行臭氧后氧化階段，將水體中的細(xì)菌體消殺。

在20世紀(jì)80年代，我國開始了臭氧生物活性炭技術(shù)的探索，主要是針對處理含有較高濃度的有機(jī)物與氨氮的原水。北京村山水廠[3]是我國第一座采用臭氧生物活性炭技術(shù)的給水廠。運(yùn)行結(jié)果表明，采用了新工藝的村山水廠在不同的來水水源條件下對濁度、CODMn以及臭味的去除效果較好，出水水質(zhì)滿足要求，運(yùn)行較為穩(wěn)定。進(jìn)入21世紀(jì)以來，關(guān)于臭氧生物活性炭技術(shù)的研究迅速發(fā)展，諸多研究人員關(guān)于該技術(shù)的處理效果展開了諸多研究。陳儀春[4]等通過研究活性炭中微生物生長情況以及有機(jī)物的去除效果來優(yōu)化臭氧生物活性炭處理工藝的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度是影響微生物生長的重要因素。當(dāng)溫度保持在25℃時(shí)，微生物的生長速度達(dá)到最大。當(dāng)炭濾池運(yùn)行到240~270天時(shí)，活性炭表面形成穩(wěn)定的生物膜，整個(gè)工藝過程對CODMn、UV254、BDOC的平均去除率達(dá)到70%、90%和85%。徐春蕾[5]等選取江蘇省以長江、太湖、淮河和沂沭泗水系為水源的水廠，對其水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在水廠工藝改造為臭氧生物活性炭技術(shù)后，出水渾濁度明顯降低，僅為0.1~0.4NTU，CODMn僅為1.0~2.7mg/L。

2.2 超濾膜技術(shù)

膜技術(shù)作為一種跨學(xué)科的實(shí)用型技術(shù)，其高效、節(jié)能、無污染及用途廣等特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用，甚至被認(rèn)為是當(dāng)代最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一[6]。超濾膜作為膜分離產(chǎn)品的一種，它的孔徑范圍在0.05μm~1mm之間，膜的透過速率為0.5~5m3/（·d）。超濾膜技術(shù)則是根據(jù)超濾膜的特性而形成的一種膜分離技術(shù)。這種技術(shù)以超濾膜為過濾的介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過濾膜表面時(shí)，僅有水及低分子溶質(zhì)透過，從而達(dá)到截留雜質(zhì)、溶液得到凈化的效果。

在給水處理領(lǐng)域，超濾膜技術(shù)則是近年來學(xué)者們熱門研究的新技術(shù)。與傳統(tǒng)工藝相比，超濾膜技術(shù)的出水水質(zhì)更加穩(wěn)定可靠。在原水水質(zhì)不斷波動(dòng)的情況下，超濾膜工藝可以將產(chǎn)水的濁度穩(wěn)定降低到0.1NTU以下[7]。此外，超濾膜較小的孔徑尺寸可以有效地過濾微生物分子，極大地減少了消毒劑用量，所以出水化學(xué)安全性也較高。由于通過超濾膜組件進(jìn)行過濾，所以該技術(shù)適用于任何規(guī)模供水量的處理，僅需增減組件數(shù)量即可，所以操作方便靈活，占地面積也能夠得到大幅度的減少。在我國，超濾膜技術(shù)始用于杭州灣新區(qū)給水廠[8]。該廠以四灶浦水庫為水源，原水氯化物含量高，屬苦咸水水質(zhì)。由于傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)難以去除原水中溶解性無機(jī)離子，因此采用超濾膜技術(shù)進(jìn)行處理。運(yùn)行結(jié)果顯示，采用超濾膜技術(shù)后水廠處理效果穩(wěn)定，去除率高，不但去除氯化物等離子雜質(zhì)，對于微生物、病毒和熱原質(zhì)都有較好的去除效果。

隨著超濾膜技術(shù)的大量應(yīng)用，該技術(shù)的短板也逐漸明顯。超濾膜在使用后產(chǎn)生的膜污染是限制超濾膜應(yīng)用的重要原因。在超濾膜表面沉淀的各種雜質(zhì)，減小了膜通量，從而影響過濾效果。為了解決膜污染問題，水力清洗與化學(xué)清洗是常用途徑，但是頻繁的清洗則加大了制水成本。所以針對膜組件的污染問題，仍需要學(xué)者們不斷地進(jìn)行研究從而找到合適的解決辦法。

2.3 納濾膜技術(shù)

納濾膜同樣作為一種新型分離膜，又被稱為“低壓反滲透膜”或“疏松反滲透膜”，它的孔徑尺寸為1~2nm，截留分子量在200~2000Da（道爾頓）之間，對溶質(zhì)的截留能力介于反滲透膜與超濾膜之間。無論是天然有機(jī)物、合成有機(jī)物，或者是消毒副產(chǎn)物及其前體物如三鹵甲烷等，納濾膜都能進(jìn)行有效的截留。此外，納濾膜的表面分離層是由聚電解質(zhì)構(gòu)成，因此對于截留無機(jī)鹽物質(zhì)具有較好的效果。將納濾膜技術(shù)應(yīng)用于給水生產(chǎn)，不僅可以有效去除原水中的重金屬、無機(jī)鹽、病毒及寄生蟲等，還能夠保留對人體有益的礦物質(zhì)和微量元素[9]。這些優(yōu)質(zhì)的性能使其擁有其他膜技術(shù)無法代替的作用，因此納濾膜在給水領(lǐng)域具有極大的發(fā)展前景。

早在1995年，美國佛羅里達(dá)州便開展了利用納濾膜處理飲用水的試驗(yàn)研究[10]，飲用水硬度明顯降低，試驗(yàn)得到顯著效果。在1999年，法國巴黎Mery-sur-Oise水廠建成處理水量為14萬m3/（·d）的納濾膜處理系統(tǒng)，投運(yùn)結(jié)果顯示，該廠出水水質(zhì)極好，對于有機(jī)物和殺蟲劑的清除十分有效，自建成以來該水廠向周邊80萬居民提供高品質(zhì)的飲用水[11]。在我國，山東長島南隍城納濾示范工程則是納濾技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[12]。采用納濾膜技術(shù)制備的飲用水，符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在水污染程度不斷加重以及飲用水安全面臨挑戰(zhàn)的情況下，納濾膜技術(shù)發(fā)展迅速，在給水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，但如何提高納濾膜的除污效率，以及降低膜污染，仍是制約其發(fā)展和推廣的關(guān)鍵問題。在未來，納濾膜組件的優(yōu)化、新型膜材料的研發(fā)和膜污染的控制將會(huì)是學(xué)者們的研究重點(diǎn)。

2.4 紫外消毒技術(shù)

紫外線是一種波長分布在200~400nm的電磁波，其中波長為200~300nm的紫外波段具有殺菌消毒的功能。微生物在吸收紫外線后，核酸受到紫外線光化學(xué)反應(yīng)破壞而失去復(fù)制再生功能，從而達(dá)到滅活的效果。與傳統(tǒng)的加氯消毒相比，紫外消毒殺菌能力強(qiáng)，不殘留任何有害物質(zhì)。有研究成果顯示[13]，僅在強(qiáng)度為30mW/cm2的紫外光輻射強(qiáng)度下，絕大部分細(xì)菌在1s內(nèi)便被接近100%滅活。與此同時(shí)，紫外消毒的運(yùn)行成本也相對較低。上海臨江水廠將紫外消毒與臭氧消毒進(jìn)行對比[14]，在一次性投資相同的情況下，紫外消毒的年運(yùn)行成本僅為臭氧消毒的25%左右。

紫外線消毒這種簡單高效的物理消毒方法，使得眾多工程應(yīng)用相繼投入。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在歐洲有2000多套紫外線消毒系統(tǒng)用于飲用水處理，美國及日本紫外消毒技術(shù)也有著廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于紫外消毒技術(shù)的研究應(yīng)用相較于國外則起步較晚。但是隨著水質(zhì)要求的提高以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，紫外消毒技術(shù)在我國逐步得到推廣。天津開發(fā)區(qū)凈水廠，建成了國內(nèi)首家利用紫外線和氯消毒技術(shù)的水廠，產(chǎn)水能力達(dá)到了32.5萬m3/d，該技術(shù)的使用也保證了出水水質(zhì)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。同樣，紫外消毒技術(shù)存在一定的消毒缺陷。J.Wist[15]等人在試驗(yàn)中對原水進(jìn)行紫外線照射觀察，當(dāng)照射時(shí)間達(dá)到1.5h時(shí)，原水中的菌落數(shù)量直線下降。但是當(dāng)停止光照時(shí)，菌落數(shù)量開始回升。經(jīng)過24小時(shí)后，數(shù)量甚至可以達(dá)到處理前的水平。由此可見，在一定的情況下紫外消毒并不是對水體保持持續(xù)性的消毒。這說明紫外消毒技術(shù)存在一定的使用條件，對于處理的水質(zhì)有較高的要求。

3 總結(jié)

水資源是人們生存發(fā)展必需的能源之一，給水處理新技術(shù)無論是在生產(chǎn)方式還是生產(chǎn)效率上，都遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)。所以為了保障社會(huì)的有序運(yùn)行及居民的健康發(fā)展，采用高效、科學(xué)的給水處理新技術(shù)是勢在必行的。當(dāng)然，不斷改良與研發(fā)新的技術(shù)，推進(jìn)現(xiàn)代給水新技術(shù)應(yīng)用，仍需要學(xué)者們的潛心研究。