饮用水深度处理技术发展趋势

饮用水深度处理技术发展趋势清华大学环境学院王占生刘文君董丽华主要内容中国环境保护现状我国的水源水质情况我国自来水厂现有工艺的欠缺水厂工艺改造的技术深度处理的发展趋势中国环境保护现状政府一贯重视经济发展很快，污染程度严重环保工作滞后城镇污水处理一级A排放水质标准CODcr≤50mg/L地表水环境质量标准V水体CODcr≤40mg/L农村面污染：养殖业、化肥、农药突发污染事故频发期水体污染严重松花江水体污染无锡太湖水体污染水环境生态修复必须付出代价日本琵琶湖用了25年耗费1000亿元（人民币）（1/5太湖水体）英国泰晤士河用了50年耗费3000亿元（人民币）欧洲莱茵河用了50-70年耗费10000亿元（人民币）（沿河各国）中国淮河、黄河、海河……﹖发展—污染是一对矛盾，发展快，污染大我国还要发展，还会污染，环保形势严峻大的水体生态修复没有30-50年是不会生效的﹗我国水源水质情况工业污染：基本治理，但排放水质标准低，尚待提高农业污染：量大面广，处理难度大，有待时日城市生活污染：污水处理厂发展很快，但管道不配套。2012年6月止，全国市县城镇污水厂3243座，日处理能力达1.39亿立方米（全世界发展最快的国家）1、无机离子污染汞—水俣病镉—痛痛病重金属离子污染土壤，通过食物链危害人类加强厂内处理，就可缓解2、有机物污染合成有机物既造福人类，也祸害人类！①持久性有机污染物（POPS)长久存在于环境中，通过食物链，危害人类。②内分泌干扰物（EDCs)类似于激素与生物体本身的激素争夺受体，影响内分泌系统，长期作用导致野生动物减少甚至灭绝。2、有机物污染③药品与个人护理用品（PPCPs)可溶于水，但很难被降解和转化。对水生生物产生生物毒性。地表水、地下水体都检出污水处理厂排水与饮用水中皆有检出传统工艺风险大，深度处理工艺基本清除3、微生物污染新的细菌、病毒的产生，在恶化的环境下会变异。微生物污染仍然是第一位要控制的。我国自来水厂现有工艺的欠缺我国现有的自来水厂95%以上仍然采用的是常规工艺（百年老店）：混凝沉淀—过滤—消毒老三套，主要是应对浊度、细菌、病毒的（可以去除悬浮物与胶体）。对于百年后的水源中出现的溶解性小分子有机污染物、大量的氨氮、臭味物质就无能为力了。常规工艺只能去除30%左右的CODMn。给水深度处理传统工艺的不足砂子为滤料的过滤技术，可以保证去除5μm的颗粒，但不能保证去除溶解性有机污染物在水处理中“混凝—沉淀—过滤”约可去除CODMn20-30%。给水深度处理传统工艺的不足超滤：可截留分子量10万以上的颗粒，可去除藻类（1μm）、细菌、病毒（0.01～1μm），保证出厂水的微生物安全。在截留大分子有机污染物的同时，也能去除少部分小分子有机污染物。在水处理中，超滤可去除10%CODMn，但理论上截留不了小于1万分子量（相当粒径5nm）的有机物。水中污染物的分子量与分子尺寸给水水源中的主要污染物当前我国环境污染形势已经严重影响给水水源，主要污染物是溶解性有机污染物（杀虫剂、除草剂、塑化剂、药与个人防护用品等）。根据陶氏公司的资料与蒋仁甫研究员的整理，水中污染物的分子量大都在10000Da以下，尺寸小于50Å，即5nm，要去除这些有机污染物，就要具有去除小于5nm的技术。我国地表水源中有机污染物分子量分析我国地表水水源中形成TOC（总有机碳）的污染物分子量大都在5000以下！给水深度处理传统工艺的不足综合以上图表，针对当前水源水中主要污染物——溶解性有机污染物（尺寸在5nm），传统工艺是无能为力的；去除有机污染物的主要技术是氧化、吸附、膜滤（纳滤与反渗透）技术。水厂工艺改造的技术在水源水质不断恶化的条件下，要使自来水达到新的水质标准要求，必须将常规工艺改造成深度处理工艺，增加去除溶解性有机污染、臭味与氨氮的能力：水厂工艺的改造首先应是强化常规处理，不用增加构筑物；在强化常规处理还不能达到要求时，可增设其他深度处理技术。深度处理技术分为以下几类投加氧化剂活性炭吸附生物预处理臭氧-生物炭膜技术投加氧化剂加氯或投加高锰酸钾、臭氧、过氧化氢、二氧化氯等氧化剂取代氯，使氯的消毒副产物减少，可以改善水的混凝条件，将粘附在胶体表面的有机物氧化，使胶体容易凝聚下沉。活性炭吸附以往采用的活性炭以微孔占绝大多数，属于气相炭，而水处理用炭要吸附水中一定分子量的有机污染物，就要求炭的次微孔发达，平均孔径1.2nm~3.2nm。原有的活性炭炭源只选择一种煤，因此它的孔径分布就有一定的局限性。应选择不同孔径的煤作炭源，混合、磨粉、压块成型、进炉炭化、活化，然后再破碎筛分，此类炭称为压块破碎炭，它具有合理的孔径（大孔、中孔、微孔）分布，将能高效地吸附水中污染物。活性炭吸附按蒋仁甫研究员研究结果，建议最能有效去污染物的活性炭孔径（D）与污染物粒径（d）之比D/d=3～6，以去除5nm的污染物的6倍计，则炭孔径需30nm为宜。活性炭孔隙功能图从图可见，活性炭的中孔（2nm-50nm）最适宜吸附有机污染物。活性炭吸附我们实验结果活性炭对分子量1000～3000的污染物去除效果最好。活性炭吸附可作为去除有机污染物的把关技术。生物预处理如原水中氨氮高，则采用生物预处理去除。水中氨氮可在混凝沉淀过程中去除20%左右，在砂滤池中去除30～50%（不预加氯时），在生物炭池中去除30～50%，最后加氯过程还可部分去除。一般情况下，如有臭氧－生物炭技术，即使氨氮2～3mg/L时，也可不设生物预处理。臭氧-生物炭臭氧的作用投加臭氧的问题生物炭的作用生物炭的问题臭氧-生物炭存在问题的解决方法臭氧的作用能将较大分子有机物降解到较小分子，更易被后续活性炭吸附，还可将小分子有机物直接降解至H2O与CO2；可使难生物降解有机物（NBDOC）转化为易生物降解有机物（BDOC），便于活性炭上生物膜进一步降解；可充氧，使炭池水中溶解氧（DO）达过饱和状态（达12mg/L），给炭表面微生物创造良好的生长环境，充分发挥生物降解作用；宏观上，可以加强脱色、脱臭、杀菌等作用。投加臭氧的问题产生某些有毒有害副产物，如溴酸盐、甲醛；氧化有机氮成无机氮，氨氮会增高；氧化后小分子有机物增加，使生物可同化有机碳（AOC）增加。如臭氧单独使用，则会增加管网水生物不稳定性。生物炭的作用活性炭不仅具有物理吸附功能，由于臭氧的作用，炭表面的微生物生长迅速，形成生物膜对易生物降解的有机物起生物降解作用，因此，称为生物炭。物理吸附与生物降解两种作用的相加，可以延长活性炭的工作周期，减少再生次数，降低运转费用。实践证明臭氧—生物炭中的活性炭可运转3～4年，长期去除CODMn20～25%；生物炭的问题由于活性炭吸附污染物的容量有限制，去除有机污染物效果会随着使用时间的增长而下降，到一定时限，需及时再生；活性炭如单独使用，其工作周期约0.5年～1年，就需再生，再生活性炭的费用约是新活性炭的1/3。由于炭粒径较大，且有微生物膜生长在炭表面，炭池出水中携带微生物。炭上的微生物因冬季水温低而生物作用下降，去除有机物效率会有所降低。臭氧-生物炭存在问题的解决方法溴酸盐的控制：原水中Br-浓度过高（100µg/L）时投加臭氧会引起出水中消毒副产物溴酸盐（BrO3-）超标（10µg/L）。控制BrO3-的产生有多种方法，如：减少臭氧投加量；调低pH；投加氨氮、FeSO4、投碱、投加H2O2等。臭氧-生物炭存在问题的解决方法微生物泄漏的控制可采用如下办法：滤池、炭池加盖，防止摇蚊下卵，防止日光照射、水蚤生长。将滤池置于炭池后，炭池出水可加助滤剂、消毒剂，滤池滤料采用细滤料（d=0.5~1.2mm）截留微生物。适当增加炭池反冲洗次数。生物炭池出水处设不锈钢网（200目）截留微生物。如有一定泄漏，也可改成紫外线与氯联用消毒，紫外线能有效杀灭两虫与细菌、病毒，氯可维持管网的消毒剂余量。膜技术微滤（孔径约0.1µm）和超滤（孔径约0.01µm，可截留分子量5万~100万）在给水厂可取代砂滤。超滤可去除细菌、病毒等颗粒污染物，但对溶解性小分子有机污染物和臭味物质不能去除，可去除CODMn约10%（主要去除1万以上分子量）。膜技术超滤的优点浊度可降至0.1NTU（低温低浊水适宜），可去除两虫、细菌和病毒，保证管网水的生物安全性；不加任何化学药剂，纯物理作用；只需维持管网水的沿途消毒，消毒剂量可降低。膜技术纳滤可去除大于300分子量、反渗透可去除大于200分子量的有机物，所以基本上有机物的污染都能去除。但，纳滤、反渗透膜价贵、使用年限短（约3年）、运转要求高、使用压力高、浓缩水处置难等原因，暂时尚不适用。深度处理的发展趋势地表水深度处理发展趋势地下水深度处理发展趋势地表水深度处理发展趋势从我国目前经济发展状况分析，针对水源受有机污染物的危害，应采用：活性炭作为把关技术；臭氧-生物炭可作为主导推广技术，必要时，可设紫外消毒。当经济发展到一定条件时，可将砂滤改成超滤，或在臭氧-生物炭后增设超滤以保管网水生物安全。地表水深度处理发展趋势如果原水氨氮高，有机污染高，可考虑采用嘉兴贯泾港二期的工艺：原水—混凝沉淀—生物滤池—臭氧-生物炭—砂滤—消毒—出水该工艺中去除氨氮采用生物预处理，但置于沉淀池后，这样可以充分发挥沉淀池的作用，不致“越俎代庖”，只需去除有机物与氨氮；砂滤放在最后，可以截留生物炭池泄露的微生物。地表水深度处理发展趋势具有经济条件的城市，则可考虑北京郭公庄水厂的工艺原水—混凝沉淀—臭氧-生物炭—超滤—紫外—出水其中，臭氧-生物炭：投资约350元/m3/d，运行费用小于0.2元/m3；超滤：投资约350元/m3/d，运行费用小于0.15元/m3；紫外：投资约30元/m3/d，运行费用约0.03元/m3。地表水深度处理发展趋势国外深度处理发展情况：高级氧化——荷兰阿姆斯特丹PWN水厂工艺膜滤（纳滤）——法国Mery-sur-ise水厂高级氧化——荷兰阿姆斯特丹PWN水厂工艺工艺流程：湖水—混凝—上向流过滤—UV/H2O2—活性炭滤池—活性炭滤池—出水UV：0.9KWH/m3，H2O2投加量：4mg/L。采用了“高级氧化-活性炭吸附”，使农药去除率大于80%；减少消毒副产物，整个系统运行良好，全面提高了水质。膜滤（纳滤）——法国Mery-sur-ise水厂法国Mery-sur-ise水厂由于杀虫剂浓度较高，臭氧-生物炭还不能完全去除，所以采用纳滤去除。出水水质：Actiflo沉淀出口浊度为1.1NTU；滤池出口浊度为0.05NTU。纳滤后TOC平均含量为0.18mg/L，杀虫剂低于分析仪器的下限50ng/L，钙离子的平均含量40mg/L。工艺去除95%有机物，100%硫酸盐，95%杀虫剂，50%矿物质。投资1100欧元/(m3/d)≈10000元/(m3/d)，处理成本1.07欧元/m3≈10元/m3。地下水深度处理发展趋势我国地下水普遍受到化肥、农药污染与工业废水污染，致使耗氧量增加、溶解性总固体升高（硬度、硝酸盐增高）。一些地区水中含砷、含氟较高。砷、氟、含盐量都较难去除。这些县城大都在经济欠发达地区。一般情况下要用离子交换、电渗析、纳滤或反渗透等高投资技术。各地可根据当地水质情况、经济条件，选择价格适宜的可靠技术。可以采取不同的膜法。有的含盐量超标不高的地区，可以处理部分原水，然后与其他部分勾兑，使之达到标准限值以下（处理1m3/d水约需1000元投资，每m3水成本约1.0元）。