饮用水深度处理研究现状及发展对策

薛书雅 高云霞

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)



饮用水深度处理研究现状及发展对策

薛书雅 高云霞

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

主要介绍了我国水资源现状、饮用水处理的方法技术和饮用水深度处理技术的研究，并对目前饮水机中过滤吸附剂进行分析，选择经济有效的过滤吸附剂，提出了饮用水深度处理的发展对策.

饮用水深度处理；优化研究；过滤吸附剂选择；发展对策

水是人类赖以生存的主要能源，是万物生长必不可少的物质，可见水对人体的重要性之大.然而随着经济的发展，饮用水水源不断受到各种污染，严重威胁了人们的健康.从古至今，霍乱病、痛痛病、水俣病、伤寒病等等，均是由于饮用水源被污染，进而人类食用被污染的食物及饮用水引起的.例如，1955～1972年发生在日本著名的“痛痛病”是由于含镉废水污染水稻，人类长期食用含镉米引起的；1953～1956年发生的水俣病是由于甲基汞排入水体，在鱼体内高度积累，人类食用被污染鱼而中毒；1997年据报道印度首都有70%的饮用水受到严重污染，有致癌的可能性；2005年匈牙利东北部一座城镇发生水污染事件，引起严重水污染等等.目前饮用水源污染日益严重，导致饮用水水质不断恶化.据联合国有关信息数字统计，全球人类目前有17亿人都喝不到干净的饮用水，每天约2.5万人因饮用水质低劣的饮用水而死亡.因此人们渴望喝上安全饮用水，饮用水处理成为了当今发展的重要课题，饮用水的深度处理技术也得到了人们广泛的关注和使用.

1 我国水资源现状

我国是水资源大国，但是近年来，随着工业的发展，人民生活水平的提高，我国城镇化建设和工业发展也日益规模化，但其污水的处理量还远远小于其污水排放量，见表1如下，到2050年我国的COD总排放量与1997年比仍没有较大幅度的下降[1].饮用水的水源遭到了严重污染，地下水水质也日趋变坏日渐枯竭，饮用水污染及短缺的问题越来越严重，再加上目前饮用水水质标准的日益严格，新《环保法》、“水十条”等法律法规的制定和实施，使常规的饮用水处理工艺已不能满足现在的水质标准，因此饮用水的深度处理技术成为了目前最重要的也是人们最关注的课题之一.

表1 我国污水处理量与排放量比较

2 饮用水深度处理技术

2.1 活性炭吸附法

众所周知，活性炭是一种黑色的、无臭无味、无定型、无砂性、多孔性物质，而且它的来源广，几乎可利用含碳的任何物质做原料来制备，在国内外均有广泛应用.且其内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积(500～1 000 m2/g)，所以它对水中的微量有机物有良好的吸附特性.吴舜泽[2]研究发现，活性炭对500～3 000的大分子量有机物的去除效果明显，其去除率一般可达70%～87%左右，这说明活性炭对相对分子量较大的有机物有明显的去除效果，符合其结构和特性.另外，活性炭去除有机物的效果还受有机物特性的影响(主要是有机物的极性和分子的大小)，对同样大小的有机物，其溶解度愈大，亲水性愈强，活性炭对其的吸附能力愈差.

综上，尽管活性炭在各种净水器和过滤器中广泛应用，但其再生能耗大，且再生后的吸附效率下降，对于饮用水通过氯消毒产生的致畸致癌致突变的物质不能有效的去除，特别是对卤代烃前驱物和分子量大于3000的大分子物质的去除效果更差.因此，在实际水处理应用中，单用此法处理饮用水的并不多，通常用活性炭吸附与其他技术联用，这样不仅能提高处理的效率和范围，而且也降低了活性炭的运行成本，是当前吸附方法的研究发展方向.

2.1.1 生物活性炭技术

生物活性炭吸附技术,简称BAC，是在饮用水处理中大量使用活性炭吸附的基础上研发的一种水处理技术.其本质是在活性炭表面附着一定量的生物，以更快速更有效地分解去除水中污染物，同时克服活性炭对去除三致物质的缺陷.用BAC吸附有机物包括两个过程：物理吸附和生物降解.且生物活性炭技术有其独特的地方，就是当生物活性炭吸附饱和且不需要再生时，可利用其生物降解的能力，继续发挥其控制污染物的作用.安东等人[3]以南方某水厂的滤后水为原水进行了生物活性炭吸附试验，得出结果，固定化生物活性炭工艺对TOC的去除率可稳定在40%～50%左右，对氨、氮的去除率提高30%；且对去除三卤甲烷生成势(THMFP)的能力比普通活性炭工艺提高11%～39%左右；对去除臭氧氧化副产物(甲醛)还具有长期的效果.

综上，尽管生物活性炭技术比单独活性炭吸附的出水水质高，有机物去除率也高，同时还降低了氯气的投加量及CHCl3的生成量，延长了活性炭生命周期，减少了工艺运行费用.但使用该技术进行饮用水深度处理时必须要避免预氯化处理，因为氯化有强氧化性且可杀菌，经氯化后微生物就不能在活性炭上生长，也就失去了生物活性炭的生物氧化作用.

2.1.2 臭氧-活性炭技术

由于臭氧具有强氧化性，活性炭具有高吸附性，现将臭氧活性炭联用，充分利用二者突出优点，让进水先经O3氧化，把水中的大分子有机物分解成小分子状态，再经活性炭过滤吸附，充分利用活性炭的吸附表面去除.同时，后续的活性炭还能吸附O3氧化过程中生成的大量的中间产物，还有O3无法去除的三氯甲烷及其前驱物，从而保证了最后出水的化学稳定性，最终收到良好的水处理效果.胡志光等人[4]在进行臭氧活性炭技术深度处理饮用水的可行性试验中，得出通过臭氧活性炭吸附过滤后，水中的有机微污染物CODMn的去除率接近50%，且水的浊度和色度也大大降低，另外还测定出较理想经济的臭氧投加量为4 mg/L.

综上，尽管臭氧活性炭联用可延长活性炭的使用周期，提高污染物等的去除效果，但该技术处理饮用水存在臭氧利用率低、氧化能力不足等缺陷；且对于农药、卤代有机物和硝基化合物等部分具有稳定性的有机污染物都难以氧化降解去除.因此，高效利用臭氧氧化性再加上提高活性炭的吸附作用进行饮用水深度处理可作为未来研究方向.

2.2 膜分离技术

目前，膜技术发展迅速.常用的膜分离技术根据其孔径的大小可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)以及反渗透(RO)等工艺方法，他们具有一个共同点就是他们均以压力为推动力通过机械筛滤作用进行水处理，另外不同的膜对不同的物质具有不同的选择透过性.利用该技术得到的水质稳定可靠，且占地少，拥有完全自动化的运行操作[5].另外滤膜孔径的大小是影响出水水质的主要因素，以下分别介绍各个膜分离技术对水处理的作用及效果.

(1)微滤MF因其滤膜的孔径为0.05～5.00 μm，又称精密过滤，可以去除微米(10-6m)级的水中杂质，且它的运行压力低，通常为0.01～0.2 MPa，多用于生产高纯水时的终端处理，或作为超滤、反渗透或纳滤的预处理过程.朱建文[6]通过试验指出MF膜可去除99%以上的浊度，可去除将近100%的细菌、大肠杆菌等，同时对铁和色度也均有良好的去除效果，而对Mn的去除则受前处理的影响，对水中碱度及余氯基本无影响，因此为减少膜污染通常用于沉后水处理.

(2)超滤UF的滤膜的孔径为5 nm～0.1 μm，可以去除分子量为300～3×105的大分子有机物、胶体、细菌、病毒、贾第虫及其他微生物等，它的运行压力为0.1～1.0 MPa，也不高.王立彪[7]通过试验指出浸没式超滤工艺和柱式超滤工艺对浊度、耗氧量、氨氮、铁、锰等都具有良好的去除效果，其出水浊度<0.1 NTU，可达到浙江省城市供水现代化水厂的评价标准(2013)，经超滤膜的出水颗粒数可以控制在30个/mL以下，且以“两虫”为代表的微生物可以得到有效的控制.

(3)纳滤NF是介于UF和RO之间的膜，其运行压力为0.5～1.0 MPa，它可在较低的压力下实现较高的水通量，对总盐类的去除率在50%～70%左右，尤其对二价离子(如Ca2+、Mg2+等)的去除率可达到90%以上.故其比较适用于地下水处理.另外，它还能实现脱盐、浓缩同时进行.Gaid等[8，14]对世界上第一个大型NF饮用水深度处理系统做了详细的研究，得出其对DOC的平均去除率在60%左右，对莠去津(Atrazine)和西玛津(Simazine)等农药的去除率达90%以上，且出水中残留的微污染物绝大部分低于分析检测限度.李梅等人[9]通过对纳滤膜技术在饮用水深度处理应用的实验得出，纳滤对硬度的去除在55%～95%之间，波动较大；对砷的去除在90%以上，且随PH升高而升高；对氟的去除在67%～73%之间；对硝酸盐的去除在88%左右；对Ca2+、Mg2+脱除率超过96%；对合成有机物的去除在70%以上；且可有效去除水中微生物.

(4)反渗透RO的膜孔径仅为10～11×10-10m，对水中所有的悬浮物、胶体、溶解性有机物、无机盐、细菌、微生物等物质的去除率接近100%，其运行压力高，大约为1～10 MPa，且能耗大.21世纪初，由于其对大多数无机离子均具有良好的截留作用，所以该技术大量应用于水的深度处理上，成为制备纯水的主要技术之一.何少华等[10]采用MF+RO工艺对被污染自来水进行深度处理，通过两年来的实验，其运行结果表明反渗透系统对水中的重金属离子、有机污染物和细菌都有非常高的去除效率.但长期饮用不含无机离子的纯水对人类身体健康会造成严重不良影响，因此饮用水深度处理中一般不采用该工艺.

综上，尽管膜分离技术不仅对水中残余有机物的去除率高还可进行脱盐浓缩，防止系统中无机盐的积累，其水处理效果好，但运行成本高，且膜组件易污染而缩短其使用寿命.因此通过研究控制并降低膜污染的方法来延长膜寿命，降低运行成本，从而推广应用，可作为当前研究发展方向，并具有广阔的发展前景.

2.3 吹脱技术

吹脱技术是以去除挥发性有机物为目的的一种水处理技术，以前主要用于对水中CO2、H2S、NH3等溶解性气体的吹脱去除，同时使溶液中的溶解氧增加，来氧化水中的金属离子，从而去除水中的某些溶解的金属离子.但它对于去除难挥发性有机物的效果却很差.Victor、Ososkov等人[11]利用空气吹脱的方法进行实验证明对水中的三氯乙烯、氯苯、1,3-二氯苯等的去除效果，得出结论，吹脱技术对水中三氯乙烯、氯苯、1,3-二氯苯的去除率可达30%～85%左右，且随着温度的升高去除效果越来越明显.

在饮用水深度处理中，对于产生同样的去除效果的工艺所需运行费用，吹脱法所需费用低，是采用活性碳吸附法所需费用的二分之一至四分之一，可见吹脱技术的经济性.因此，美国环境保护协会(USEPA)称其为去除挥发性有机物最可行的技术(BAT)[12].以后可以通过不断研究，技术的不断进步，使吹脱技术在饮用水深度处理方面进一步的发挥作用，以达到经济高效的目的.

2.4 超声空化技术

超声空化技术是利用频率在20 kHz以上的超声波来辐射溶液，使其产生许多化学变化，最后达到水处理作用.其主要机理是通过热解、自由基氧化、超临界水氧化和机械剪切作用来降解有机物.通过研究表明，超声空化技术对脂肪烃、卤代烃、酚、芳香族类、醇、天然有机物、农药等均有较好的降解作用.影响其降解效果的因素主要有超声频率、声强、饱和气体性质、污染物性质浓度、温度等.另外该技术不仅可杀菌消毒而且产生污染小，运行设备简单，可称得上是一种很有潜力的水处理新技术，因此我们可以把它作为未来的研究课题之一.有良好发展前景.只是现阶段还处于研究基础阶段，还主要是在实验室中处理小水量的研究中[13].

3 目前饮水机中过滤吸附剂的分析及经济高效过滤吸附剂研究

目前大多数饮水机均使用活性氧化铝作为吸附剂来除氟除砷.活性氧化铝是一种具有多孔性高分散度的白色球粒固体物料，它具有很大的比表面积，除氟能力大、物理性能好、强度高、无毒、无味，且在水中浸泡不变软、不膨胀、不破裂，使用可靠，易再生、寿命长等特点.另外它还具有良好的吸附性能，又有良好的耐压、耐磨损和耐热性能，目前被广泛地用作高效吸附剂、干燥剂以及各种反应的催化剂载体.经其除氟净化后的水，能达到国家规定的饮水卫生标准.由于其除氟效果显著，可作为饮用水除氟或其它工业装置中的除氟剂.但对于一些无氟的水处理，仍用活性氧化铝未免有些浪费，我们仍需研究其他合适的既经济又有效的过滤吸附剂，来得到对身体不但无害且有益的饮用水，是目前人们关注且具有良好发展前景的课题.

电气石是一种能永久产生自发极化的天然物质.由成分不同可分为镁电气石、铁电气石、锂电气石以及钙镁电气石.它具有永久电极作用，可形成静电场；可产生负离子；可发射远红外线；还具有表面活性作用、还原作用、吸附作用、清洁作用等等[15].在水处理方面，由于电气石表面较高的电场强度和较高的远红外发射能力，它对水具有活化作用.而且通过试验得出应用陶粒活化水更节能高效.另外，由于电气石还具有吸附及pH值改善等特性，在综合处理下可使用户得到更为优质和健康的饮用水.因此从长远来看，这是具有很重要的经济和环保意义的[16].

沸石是一种廉价的天然矿物材料，它具有吸附性，离子交换性、耐酸性及热稳定性等优点，目前已广泛用于水处理方面.将其作为滤料与过滤机理相结合，可开发新型的水处理设备，且用酸碱盐对其进行活化可有效提高它的吸附性能及吸附容量；在对吸附饱和的沸石进行再生再利用还可进一步降低水处理成本[17].另外沸石储量丰富，制备简单，不仅可以去除废水中的氨氮和重金属离子，而且改性后的沸石还可以去除饮用水中的氟.另外，研究开发沸石的实用技术及与处理工艺相配套的水处理装置，促进沸石在水处理领域的推广与应用，可作为未来研究的课题之一[18].

综述，我们还可以根据各个吸附剂的特点进行混合，研发出一种高效经济的过滤吸附剂，同时使出水达到保健的作用.

4 饮用水深度处理的发展对策

(1)对饮用水深度处理应统筹规划，整体设计.在进行饮用水深度处理时要充分考虑经济效率的问题，出水水质达饮用水安全标准，只有做到经济高效同步规划，才可以避免重复投资造成的不必要浪费.

(2)饮用水深度处理工艺要符合技术规范.严格在科学实验和监测的基础上，对饮用水的各种用途和应用的水质标准作出详细规定，从而保证饮用水的安全性、合理性、高效性.

(3)饮用水必须走市场化道路.当前饮用水深度处理的发展问题主要有认识观念问题、政策法规问题、价格机制问题及技术上的问题.产业化、市场化是饮用水深度处理领域不断向前发展的必由之路.通过试验研究，得到对人体有益的饮用水将备受人们的青睐.

综上所述，工业在不断发展，社会在不断进步，人民生活质量在不断提高，生活饮用水的安全越来越受到重视，开发可靠、经济、与水源水质相适应的饮用水深度处理技术保证饮用水安全成为目前亟待解决的重要问题.膜分离技术及高效经济的过滤吸附剂的选择是一个重要的研究方向，未来研究可以在经济高效且保健的基础上形成一套出水满足饮用水健康标准的饮用水深度处理技术.因此，我们要不断钻研，寻求更经济有效的饮用水深度处理方法.

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Research Status and Development Countermeasures of Advanced Treatment of Drinking Water

XUEShu-ya，GAOYun-xia

(Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000,China)

This paper mainly introduces the present situation of water resources in China,drinking water treatment technology and the research of drinking water advanced treatment technology.In addition,the filtering adsorbent of drinking water machine is analyzed,in which economic and effective filtering adsorbent is proposed to be selected.At last,the development strategy process of drinking water advanced treatment is put forward.

drinking water advanced treatment;optimization research;selection of filtering adsorbent;development strategy

2016-03-26

河北建筑工程学院创新基金项目(XB201627)

薛书雅(1993-)，女，在读研究生，从事水处理研究.

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