饮用水源污染现状与深度处理技术

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1.我国饮用水水源的污染现状

    大量的工业废水和生活污水未经处理就直接排入水体致使 82％的水域和93％的城市地下水源受到污染[1]，主要污染物为氨氮 和有机物。据统计，我国城市污水年处理率仅为25％左右，全国668 个城市有400多个缺水。我国同其它国家一样也面临着城市用水危机。

    由于过量的氮、磷随污水排入水体，导致水体的富营养化，加剧 藻类大量繁殖。藻类不仅影响水处理工艺单元的正常运行，更重要的 是许多藻类（如蓝－绿藻）会释放出藻毒素，其中对人体危害最大的 是微囊藻毒素，它专一性作用于肝脏，是极强的促肿瘤剂。传统的常 规净水工艺(混凝、沉淀、过滤、氯消毒)虽然可以通过去除藻细胞而 去掉一部分细胞固定的藻毒素,但对溶解于水中的藻毒素却无能为 力或去除率很低,有时甚至由于处理流程中藻细胞破裂释放入水中 而造成去除率的负增长。目前许多国家都已建立了饮用水微囊藻毒 素的限制标准,我国也已将其列为非常规检测项目,其最高允许含量 为1ug/L。

    有机物污染是水源污染的又一大特点，我国水环境中微量有机 物污染状况的初步调查表明：我国某些近海海域中有机氯农药残留 严重，主要挲为六六六，浓度高达100ng/L。正丁基酚、壬基酚、双酚 -A、2，4-二氯酚及五氯酚等在各种海域及内陆江河中都普遍存在。

    传统的常规净水工艺主要以去除水中悬浮及胶体物质为主，以 出水的浊度、色度和细菌总数为工艺控制的主要目标，面对病原微生 物的去除率仅为50％，氨氮的去除率仅为10％，对有机物的去除率 也只有10－50％，平均30％左右。这种低净化能力使配水管网中残 存的微生物有可能重新繁衍生殖，造成二次污染，严重时会导致水传 播疾病的爆发。如广东省1992年发生伤寒、副伤寒爆发流行7宗， 其中4宗都是由于饮用水污染引起[2]；辽宁省1990－1994年发生的饮用水污染事故中79.3％是属于生物污染[3]。

    2 饮用水深度处理技术进展

    在众多的给水深度处理技术中，膜分离技术、臭氧－生物活性碳 联合技术及纳米二氧化钛催化氧化技术是比较有发展潜力的深度处 理技术。但这几种技术也各有其局限性，在实际应用中应视水质不同 而定。

    2.1膜分离技术膜分技术主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透 几种压力驱动膜工艺。

    微滤膜和超滤膜是低压驱动膜，能有效去除水中的颗粒物、浊度、细菌和胞囊，但对有机物的去除能力较低。因此在给水处理中必 须与其它工艺结合，如活性炭吸附或纳滤、反渗透等，才能保证出水水质。

    与微滤和超滤相比，纳滤和反渗透则能去除更广泛的给水污染 物，如消毒副产物(DBPs)，合成有机物（SOCs）等。但反渗透膜分离技术在有效去除水中各种污染物的同时也将对人体有益的微量元素和矿物质去除了，长期饮用这种水会引起人体新的“营养”不平衡。因 此经反渗透处理的水必须再矿化，矿化水中的营养元素也无法和天然水相比。

    纳滤介于反渗透和超滤之间，是在反渗透膜的基础上发展起来的，纳滤所需的操作压力要比反渗透低得多，因此可比反渗透节约能 耗40-50％。纳滤出水在有效保留水中对人体有益的某些小分子物质的同时，还能有效去除天然有机物，合成有机物（如表面活性剂、农药等）三致物质，消毒副产物（三卤甲烷和卤乙酸）及其前提物和挥发性有机物，保证出水的生物稳定性，出水也不需要矿化和稳定，就可以满足优质饮用水的要求。

    纳滤技术在饮用水处理方面具有不可比拟的优越性。但在我国的应用还处于起步阶段，主要用于苦咸水的淡化和水质的软化。从目前情况来看，纳滤技术在我国的推广还存在一定困难，主要有：一是 传统的纳滤膜主要是针对水质软化开发的，而饮用水的深度处理则 需要能有效去除各种有机物，同时还能适当保留水中各种无机离子、硬度、碱度和微量元素的新型纳滤膜还有待研究。二是我国目前纳滤技术还不过关，特别是对纳滤膜研究还处于试验室研究、开发阶段， 无产品投放市场。肯定的是，纳滤技术的不断发展、完善，其处理费用 必将大幅度下降，在不久的将来，纳滤技术将是作为一种关键技术普遍应用于我国的饮用水处理中。

    2.2臭氧-生物活性碳技术该工艺是采用臭氧氧化和生物活

    性碳滤池联用的方法，将臭氧化学氧化、活性碳物理化学吸附、生物 氧化降解几种技术合为一体，其主要目的是去除原水中微量有机物 和氯消毒副产物的前体物等有机指标，提高饮用水的安全性。

    在生物活性碳前加臭氧预氧化，一方面可以初步氧化水中的有 机物及其它还原性物质，以降低生物活性碳滤池的有机负荷；另一方 面是臭氧预氧化作用可以使部分难生物降解有机物转变为易生物降解物质，从而提高生物活性碳滤池进水的可生化性。

    臭氧-生物活性碳工艺是一较为理想的饮用水除污染工艺，对水中各种污染物均有良好的去除效果，如对臭味物质一二甲基已冰 片的去除率达60-100％，紫外消光度60-70％，高锰酸盐指数 40-50％，三卤甲烷前体物50％氨氮70-80％，处理出水毛细色谱 峰图总面积比进水减少60％左右，且可使Ames试验为阳性的水转为阴性。

    臭氧-生物活性碳工艺最早应用在1961年西德Dusseldorf 市Amstaad水厂，随后在欧洲、北美等地得到大规模的推广。国内也有一些工程实例如上海周家渡水厂、大庆石化总厂等都取得良好的 处理效果。但国内学者对是否采用臭氧化上还存在争议，主要是由于当原水中溴离子含量较高时，会生成可能具有致癌性的溴酸盐类副产物，而且这些副产物较难通过生物活性碳去除，因此在实际应用中应根据水质情况进行科学的实验论证，从而选择合理的水处理工艺。

    2.3纳米二氧化钛催化氧化技术纳米二氧化钛光催化氧化技

    术是以纳米级Tio2作为催化剂，在紫外光或太阳光的照射下催化氧 化水中污染物的新型水处理技术，纳米Tio2是一种n型半导体材 料，因基粒子尺寸小，比表面积大而表现出传统钛白粉所不具备的奇 异功能。纳米粉晶的红外振动吸收峰同时发生红移和蓝移，表现出量 子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。Tio2表面 活性大大提高，对水中的卤代脂肪烃、燃料、硝基芳烃、多环芳烃、杂 环化合物、酚类，表面活性剂、农药等都能有效进行降解。

    由于Tio2纳米粉未催化剂在使用过程中易失活、凝聚、回收困难，严重限制了其在水处理领域的应用和发展，近年来各国开展了关 于Tio2负载技术的研究，其载体主要有玻璃、硅胶、海砂、陶瓷、活性碳、石英等。结果表明对光能利用率及催化效率都有不同程度的提高。其中的Tio2-活性碳技术近年来受到较多关注，该技术将Tio2的 光催化活性与活性碳的吸附性能结合于一体，一方面增强活性碳的净化能力，不会产生二次污染，又能在普通太阳光照射下能恢复活性，延长使用寿命。另一方面活性碳的吸附能力又为催化反应提高浓度环境，提高光催化反应速率，并在反应的中间副产物吸附促使污染 物完全净化。

    目前，日本、美国等国家已尝试把纳米Tio2光催化氧化技术用于处理中，但大都处于实验室研究阶段。

    要解决我国的饮用水问题必需同时做好两个方面：一是严格控制饮用水源的污染；二是积极开发新型、高效、实用的水处理技术，从目前国内的经济现状和技术水平看，纳滤和深度氧化技术还难以在我国得到大范围的推广，而生物活性碳或臭氧-生物活性碳技术可能更适用于目前的状况，一些工程实例也证明了生物活性碳技术的优越性，总之饮用水问题是一个国计民生的大问题，必须尽快得到解决。