新型直饮水净化装置系统的设计研究

*杜昊明

(宜昌市第一中学 湖北 443100)

新型直饮水净化装置系统的设计研究

*杜昊明

(宜昌市第一中学 湖北 443100)

饮用水水质问题是直接影响人们生活和身心健康的重要问题,而直饮水的水质更是社会关注的焦点.本文简述了国内外直饮水的意义和现状,简述直饮水系统的处理工艺.引入电容除盐技术,提出一种新型直饮水净化装置系统.总结展望了未来直饮水水处理装置的发展方向.

直饮水;水处理技术;电容除盐;装置系统

引言

水是生命之源,对于人类的正常生活和生命健康都起到了决定性的作用.随着经济快速发展以及人们生活水平的不断提升,人们对关乎自身健康的引用水质量要求也不断提高,直饮水系统便成为提高生活饮用水水质的有效手段.直饮水系统是将普通的生活饮水经过吸附、膜分离、消毒等过程深度净化处理,去除有机污染物、重金属、细菌病毒及其他污染物,供给人们直接饮用的系统.现在我国直饮水系统市场需求广阔,新型直饮水处理技术的开发和净化装置系统更新设计便成为了当前研究的热点.

1.直饮水的现状及意义

(1)直饮水的背景

1985年,中国颁布了《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-85),其中对饮用水的检测指标仅有35项,对水源中的其他大量有害物质并未做限定.近年来,国家经济的发展使人民的生活水平得到提高,与健康生活息息相关的饮用水的安全问题被人们广泛关注.2006年我国正式颁布了新版的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006),在原有水质指标的基础上提高到106项,其中微生物指标增至6项、毒理指标中无机化合物增至21项、有机化合物增至53项,同时也严格限制了消毒剂指标、放射性指标、感官性状、一般理化值等指标,这对生活饮用水提出了更高的要求.

直饮水系统是将普通的生活饮水经过吸附、膜分离、消毒等过程深度净化处理,去除有机污染物、重金属、细菌病毒及其他污染物,可供给人们直接饮用.该系统对于水的深度处理技术优于常规工艺,在去除有毒、有害物质的同时,又保留对人体有益的微量元素和矿物质,并且应用方便,成为新兴的饮用水模式.

(2)直饮水的发展与现状

直饮水的发展起源于美国等西方发达国家,当时从事饮用水供应的美国著名公司Filtrn认为现有的桶装纯净水存在许多不足,所以提出了建筑物内的直接饮用水系统概念.该系统在技术上、经济上的可行性大大推动直接饮用水在世界范围内的应用,迅速在欧洲、日本等国家广泛使用.1993年我国首次出现直饮水概念,在《饮用净水水质标准》(CJ 94-1999)出台后,直饮水开始在我国得到发展及应用,直饮水工业成为了我国饮用水领域的新兴产业.但是直饮水行业仍处于起步阶段,对该系统水处理技术的开发和净化装置的更新仍是研究的紧要工作.

(3)直饮水系统介绍

直饮水系统主要包括预处理、核心处理和后处理.预处理保证了核心技术的正常运行,对于后续的深度处理极为重要.预处理工艺主要包含石英砂过滤、活性炭吸附及加药系统.核心处理是指对经预处理后的水的深度水处理技术.根据对原水水质的分析,有效地选择核心处理工艺,常见的核心处理工艺主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等技术.后处理系统是把经过核心处理后的直饮水进行消毒杀菌、恒压输送至各个饮水点.后处理是为了保证直饮水水质的长期稳定性,后处理系统一般包括氯消毒法、臭氧消毒法和紫外线消毒法.

2.新型水处理技术

(1)电容去离子技术

电容去离子技术(Capacitive Deionization, CDI)利用电化学理论和吸附分离技术,在平行电极板上施加外加静电场进而吸附水中的阴阳离子.具体操作是将一对电极加上直流电,在静电场的作用下,电极与溶液界面处会产生很强的双电层,原溶液在电极板之间流动,由于电场力的作用会使水中的阴阳离子或其他带电粒子朝电极移动,被电极表面的双电层吸附.离子不断在电极表面浓缩和富集,使溶液中的溶解盐类、胶体颗粒及其它带电物质的浓度大大降低,从而实现脱盐目的.当电极表面吸附达到饱和时,除去外加电场或将电极反接放电,通过冲洗,离子将脱离电极表面实现再生.电极板上交替的充放电会实现对溶液的多次吸附脱附,除盐装置即可长期使用.

电容去离子技术设备简单,操作容易,所需电压仅为1-2V,不发生电解水等电化学反应,是一种低能耗,无污染的新型水处理除盐技术.电容除盐的作用原理是静电吸附,所以对离子的选择性不强,只要是带有电荷的离子即可使用该设备,相对于传统的沉淀法和膜过滤法,具有更广阔的发展空间.电容除盐技术双电极间距通常为毫米级,所以不易堵塞.而且由于脱附作用,使其不会出现膜技术中的需要经常清洗或更换的问题.

(2)电容去离子技术在直饮水系统中的运用

电容去离子技术广泛应用于水处理工业中,在去除水中无机离子、有机污染物,物质的分离浓缩等领域都达到了比较满意的效果.电容吸附应用于水净化领域主要包括工业废水的处理,提高家庭用水的质量,家庭废水的除盐、去硬,海水和苦咸水的淡化及净化等方面.同时电容吸附分离可以在低温下进行,从而保护了生物分子的活性所以也广泛的应用在生物分子分离浓缩方面.

由于电容除盐技术中电极之间溶液的流道较宽,不易堵塞,能够有效地降低直饮水系统中对原水的预处理的要求.同时过程中也不需要酸碱等化学试剂地辅助,避免了加药对水的二次污染.电容除盐技术中只需要去除电场或将电场反接,然后用水进行冲洗,吸附的离子便可以从电极中脱附达到电极再生的目的,可以避免传统直饮水处理技术中的二次污染.电容除盐技术能最大程度的避免膜处理技术中微滤、超滤技术中的成本高、滤膜不易清理,反渗透技术中需要高压能耗大的问题.所以将电容除盐技术运用到直饮水系统中具有很强的可行性.

3.一种新型处理系统的设计

直饮水作为饮用水领域的新兴产业,其水处理技术的开发和净化装置的更新必然是当前的研究热点.根据前文的概述,本文设计了一套新型直饮水处理系统,其工艺流程可简单分为两个部分:前处理和后处理.其工艺流程示意图如图1所示.即quot;滤网--石英砂过滤--活性炭吸附--电容除盐技术--纳滤--紫外线消毒quot;.

图1 新型直饮水处理系统工艺流程示意图

在前处理过程中,滤网将水中混杂的大颗粒的固体物质直接拦截,阻挡其进入净水系统而干扰系统运行.前处理工艺主要包含滤网、石英砂过滤和活性炭吸附.石英砂有较好的截污能力,可以有效地去除水中泥巴、铁锈、砂石等较大颗粒的悬浮物.活性炭是一种性能良好的吸附剂,具有发达的孔隙结构,对余氯、臭味及有机物有良好的去除作用,较好的预防系统中膜的污染.

水进入后处理系统之后,在运用了电容除盐技术的电吸附模块中,水中的离子及其他带电物质即被除去.电吸附不仅能够达到除盐的目的,而且由于其电极可再生,能够避免定期更换带来的不便,同时电容除盐技术也减小了纳滤膜的负担,有效地增长了系统使用的年限.

纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离技术.纳滤所采用的纳米膜孔径范围在几个纳米左右,同时膜体本身带有电荷性,所以对有机物截留率很高,而且在去除水中小分子有机物、离子、微量有害化学物质以及消毒副产物的同时能够保留水中部分对人体有益的物质,该技术能耗低,耐污染,水处理能力强,有效改善水质的色度、硬度和异味,是目前极有效水净化手段.

紫外线消毒技术是基于现代防疫学、医学和光动力学的基础上,通过利用适当波长的紫外线对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)辐射损伤,破坏微生物机体细胞中的分子结构,使微生物致死以达到消毒的目的.工业上常以设计的高效率、高强度和长寿命的波段紫外光照射流水,将水中各种寄生虫、水藻、细菌、病毒以及其他病原体杀死,达到杀菌消毒的效果.从纳滤装置中流出的水经紫外线灯照射,可以达到对水消毒的目的,最后从直饮水管道流出的水则可被直接饮用.

在电吸附模块中,由于电极反接,吸附的离子从电极中脱附,此过程中产生的浓水可以运用到生活中,比如浇花,引至水箱等.为了避免水在管道中流通时受到二次污染,管道可以选用优质、耐腐蚀、抑制细菌繁殖的有机或复合管材.

4.总结和展望

本文通过分析饮用水在人们生活中的重要性,简述了直饮水的处理工艺,通过引用CDI技术模块,设计并提出了一种新型直饮水净化装置的系统.

直饮水是一种新兴的饮用水的供水方式,其水处理技术的开发和净化装置系统的更新设计将会一直是研究的重点.通过本文对直饮水系统的研究,认为未来直饮水水处理装置系统应向着更加智能化、轻便化的方向发展,并且可以将新材料运用到电极、滤膜的创新设计中,使直饮水在饮用水产业中成为健康、便捷的首选.

[1]刘志芬,邓奕明,郭志勇等.管道直饮水卫生质量分析[J].中国卫生监督杂志,2006,13(6):425-427.

[2]戴之荷,韩路,戴艳.管道直饮水系统的设计探讨[J].中国给水排水,2002,18(6):68-69.

[3]陈新,丁堂堂,于在升.我国管道直饮水现状的调研报告[J].中国给水排水,2001,17(9):32-34.

[4]魏宏斌,杨庆娟,邹平等.纳滤膜用于直饮水生产的中试研究[J].中国给水排水,2009,25(7):55-58.

[5]黄明珠,李亨枝,徐廷国等.臭氧-活性炭与超滤深度处理工艺在直饮水中的应用[J].净水技术,2005,24(2):70-72.

[6]刘澜,郑怀礼,沈烈翔等.不同给水处理工艺对饮用水生物稳定性的影响[J].工业水处理,2010,30(3):9-12.

[7]李敏,袁俊生,张运秋等.电容吸附法海水脱钙研究[J].水处理技术,2012,38(2):29-32.

[8]王君.管道直饮水系统分析与工程应用[D].天津大学,2012.

[9]陆国乾.碳电极制备工艺、结构设计及其电吸附除盐性能研究[D].北京理工大学,2015.

[10]蔡群,韩顺美.纳米级滤膜在粘胶纤维生产中的应用[J].纺织报告,2009(6):49-51.

[11]兰迪.低浊度原水净化工艺运行现状调查研究[D].哈尔滨工业大学,2015.

杜昊明,女,宜昌市第一中学;研究方向:有机化学和材料化学.

Design and Research of A New Purification Device for Direct Drinking Water

Du Haoming
(No. 1 Middle School of Yichang City, Hubei, 443100)

The problem of drinking water quality is an important problem that directly affects people's life and physical and mental health,and the water quality of direct drinking water is the focus of social attention. This paper expounds the significance and present situation of drinking water at home and abroad, and briefly expounds the treatment process of the direct drinking water system. A new type of purification device for direct drinking water is proposed by introducing the technology of capacitor desalination. And the development direction of the future direct drinking water treatment plant is summarized.

direct drinking water;water treatment technology;capacitive desalting;device system

T

A