第21卷增刊第1期 江苏环境科技 Vo1.21 Supp.1 2008年6月 Jiangsu Environmental Science and Technology Jun.2008 微污染水源水深度处理技术研究 蔡世军 , 王莹莹。, 赵新义。 (1.河海大学环境科学与工程学院, 江苏 南京210098;2.郑州市自来水总公司, 河南 郑州450007; 3.河南省地矿建设工程(集团)有限公司, 河南 郑州450007) 摘要: 针对目前饮用水源水微污染问题,论述了国内外微污染水源水深度处理技术的新进展,展望了其发展趋势。 关键词:微污染水源水; 深度处理; 氧化; 吸附; 生物降解; 膜过滤 中图分类号:X5 文献标识码:B 文章编号:1004—8642(2008)S1—0108—04 Research on Advanced Puriifcation Technique of Slightly-Polluted Source Water CAI Shi-jan, WANG Ying-ying, ZHAO Xin-yi Abstract:To the drinking water source slight-pollution problems,the new development about advanced purification technique of slightly-polluted source water at home and abroad have been discussed and its developing trend have been pointed out. Key words:Slightly-polluted source water; Advanced treatment; Oxidation;Adsorption; Bio—degradation;Membr ̄e ifltration 1 . 0引言 术 。应用较为广泛的深度处理技术有:臭氧氧化、活 性炭吸附、生物活性炭法、臭氧一活性炭吸附联用、臭 当前.我国大部分城镇饮用水源受到污染,致使 氧一生物活性炭技术、膜过滤、光催化氧化、强化混凝 水质较差.水源污染加大了水源选择和处理的困难flJ。 等技术。 饮用水中有机物含量的增加导致了“三致”(致癌、致 1.1 臭氧氧化技术 畸、致突变)的潜在威胁.水源微污染问题已经相当 臭氧作为一种强氧化剂。不仅可用于预处理中. 严重。 而且在深度处理中有很长的应用历史嘲 最初臭氧被 针对微污染水源水处理问题.国内外进行了大 用来作为消毒剂,控制水的色度或嗅味.又可用来去 量的研究和实践。按照处理工艺的流程.可以分为预 处理、常规处理、深度处理。常规处理工艺(混凝、沉 除水中有机物。受投放量的限制.臭氧不能将水中有 机物全部无机化.但可将大分子有机物分解成分子 淀、过滤、消毒)不能有效去除微污染原水中的有机 较小的中间产物。臭氧预处理的水再经氯化消毒.水 物、氨氮等污染物;液氯很容易与原水中的腐殖质结 中“三致”物质可能低于未预处理的水,也可能更高. 合产生消毒副产物(DBPs)三卤甲烷(THMs),直接 其效果视水质而定,这是因为臭氧副产物如醛、酮、 威胁饮用者的身体健康[2-3]。围绕原水水质不同、出水 醇、过氧化物等氯化会产生三卤甲烷(THMs)。 水质要求各异以及经济技术条件制约等特点.经过 1.2活性炭吸附 几十年来的研究和探索微污染水源水深度处理技术 活性炭是一种由大孔、中孔、微孔组成的多孔性 的研究取得了长足发展 物质.对有机物的去除主要靠其巨大的比表面积和 1深度处理技术 发达的空隙吸附.其中主要是中孔和微孔的吸附作 用。常用的活性炭主要有粉末活性炭(PAC)、颗粒活 深度处理技术是指在常规处理之后.用于将常 性炭fGAC)和生物活性炭(BAC)3大类。活性炭对水 规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的 量、水质、水温变化的适应性强.可经济有效地去除 前体物加以去除.以提高和保证饮用水质的处理技 污水中的臭味、色度、重金属、消毒副产物、氯化有机 收稿日期:2007—12—24 物、农药、放射性有机物等.其对相对分子质量在 作者简介:蔡世军(1980一),男,甘肃白银人,硕士研究生 研究方向 500~3 000的有机物具有十分明显的去除效果.去 水污染控制理论与技术. 除率一般为70.0%~86.7% 在各种改善水质处理效 维普资讯 http://www.cqvip.com
第21卷增刊第1期 蔡世军等 微污染水源水深度处理技术研究 109 果的深度处理技术中.活性炭吸附是完善常规处理 工艺的去除水中有机污染物最成熟有效的方法之 因此活性炭吸附法是一种具有广阔应用前景的 一 用到污染水的深度处理中.对净化饮用水水中各种 污染物取得良好的效果[91。 深度处理技术 1.3生物活性炭技术 随着饮用水源污染的日益加剧和饮用水质标准 的提高.作为一种先进的优水质、低能耗、无污染的 绿色工业水处理技术.臭氧一生物活性炭技术在处理 微污染的原水中有着其它处理方法无法相比的优越 性.即有效地控制和消除水中微量有机物的污染和 危害.延长活性炭的使用寿命,出水水质全面提高, 活性炭是微生物生长的良好载体.只要合理运 作.活性炭上的微生物对提高水处理效果,特别是延 长活性炭使用周期都会起到积极的作用。所以,活性 炭用于水处理不单纯是作为吸附剂.还可利用活性 炭吸附与微生物降解的协同作用.以取得经济上的 良好效果.这种协同技术被称为生物活性炭技术 fBAC)t61。该技术利用微生物的氧化作用来增加水中 溶解性有机物的去除效率.延长活性炭的再生周期. 减少运行费用.同时水中的氨氮可以被生物转化为 硝酸盐.从而减少了氯化的投氯量.降低了三卤甲烷 的生成量。有资料表明.活性炭附着的硝化菌还可以 转化水中的氨氮化合物.降低水中的NH 一N的浓 度.NH 一N去除率可达75%~96.7% 。生物活性炭 能够有效的去除水中有机物和嗅味.从而提高饮用 水化学、微生物安全性,是自来水深度净化的一个重 要途径。 1.4 臭氧一活性炭联用法[81 臭氧一活性炭联用法采取先臭氧氧化后活性炭 吸附.在活性炭吸附中又继续氧化的工艺过程,这样 可以扬长避短.使活性炭的吸附作用发挥得更好。目 前国内水处理使用的活性炭能比较有效地去除小分 子有机物.但难以去除大分子有机物,而水中大分子 有机物较多.所以活性炭孑L的表面面积将得不到充 分利用,势必将加速饱和,缩短产水周期,但在炭前 或炭层中投加臭氧后.一方面可使水中大分子转化 为小分子.改变其分子结构形态.给有机物提供进入 较小孑L隙的可能性:另一方面可使大孑L内与炭表面 的有机物得到氧化分解.减轻了活性炭的负担,使活 性炭能充分吸附未被氧化的有机物.从而达到水质 深度净化的目的。该方法能充分发挥两者的优势.已 经在国内外得到应用。 1.5 臭氧一生物活性炭技术 臭氧一生物活性炭技术是采用活性炭物理化学 吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒 4种技术合为一体。该技术能够有效去除水中的有 机物和氨氮.对水中的无机还原性物质、色度、浊度 也有很好的去除效果.并且能有效降低出水致突变 活性.保证饮用水的安全。臭氧一生物活性炭第一次 联合使用是1961年德国DUSSeldoif市Amstaad水 厂。从20世纪60年代以后.臭氧一生物活性炭技术 己被欧洲、美国、加拿大、Et本等发达国家广泛的应 而且稳定、易管理;而如何利用其优越性,促进其工 程实践的广泛应用.提高其设计和运行控制水平,使 其工艺设计更趋于最佳状态.还有待于今后进行深 入的研究【7J。 1.6膜过滤技术 该技术是新兴的高效分离、浓缩、提纯、净化技 术 .是采用高分子膜作介质,以附加能量作推动 力.对双组分或多组分溶液进行表而过滤分离的物 理处理方法。20世纪80年代后期.该技术在欧美和 澳大利亚开始进入实用阶段.是深度处理的一种高 效手段,反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)、纳滤(NF) 均能有效去除水中嗅味、色度、消毒副产物前体及其 他有机物和微生物。近年来.该技术在美国受到高度 重视.被EPA推荐为控制消毒副产物的最佳工艺【ll】。 目前常见的膜法有:微滤、超滤、纳滤、反渗透、 电渗析、渗透蒸发、液膜及刚出现的毫微滤技术等。 从膜滤法的功能上看.反渗透能有效的去除水中的 农药、表面活性剂、消毒副产物、THMs、腐殖酸和色 度等 纳滤膜用于相对分子质量在300~1 000范围 内的有机物质的去除。而超滤和微滤膜可去除腐殖 酸等大分子f相对分子质量大于1 ooo)的有机物。因 此.膜滤技术是解决目前饮用水水质不佳的有效途 径。膜法能去除水中胶体、微粒、细菌和腐殖酸等大 分子有机物.但对小分子含氧有机物如丙酮、酚类、 酸、丙酸几乎无效。把膜工艺进一步应用到给水处理 中的障碍是:基建投资和运转费用高,易发生堵塞, 需要高水平的预处理和定期的化学清洗.还存在浓 缩物处置的问题。然而.随着清洗方式的改进,膜堵 塞和膜污染问题的改善以及各种膜价格的降低.相 信在不久的将来.膜法一定会在给排水领域得到较 广泛的应用。 1.7光催化氧化 自1976年Cary J H报道了在紫外光照射下,TiO: 可使难于化学降解的有机化合物多氯联苯脱氯f12】 之后.纳米TiO:光催化法作为一种水处理技术就引 起了各国众多研究者的广泛重视 光催化氧化是以化学稳定性和催化活性很好的 TiO 为代表的n型半导体为敏化剂的一种光敏化氧 维普资讯 http://www.cqvip.com
l10 江 苏环境科技 2008年6月 化,利用光源的能量氧化水中的有机物(包括细菌等) 的方法。其特点是氧化能力极强.对水中多种微量有 机物,如自来水中常见的多种氯化有机物.包括难被 臭氧氧化的“六六六”、六氯苯等均有良好的去除效 果。经光催化氧化处理后。有机氯化物已大量脱氢。 混合液中的微生物絮体、较大分子的有机物及固体 悬浮物质.并使之重新返回到生化反应器中,这就使 反应器内的活性污泥浓度得以大大提高,从而能有 效的提高有机物的去除率。另外,膜滤出水水质很 毒性大大降低,使水质大为提高。光催化氧化最终产 物是CO:和H 0等无机物。因此该技术作为一种低 能耗、无二次污染、氧化能力强的水处理新技术,日 好,系统所排放剩余污泥也很少 1.10.2电生物反应器 电生物反应器(Electro—Bioreactor).即在外加电 流条件下.由电极装置与生物反应器所构成。 益受到人们的重视 I.8强化混凝 地面水的天然有机物主要是腐殖酸和富里酸. 它们与水形成大分子胶体真溶液 对于某一确定的 原水.必定有一最佳混凝剂【n]。强化混凝技术就是通 过某种方式,在现有工艺上改造和强化,改善絮凝条 件,提高常规混凝工艺有机物去除率的技术。美国的 水处理工作者普遍认为.强化混凝是实现消毒物/消 毒副产物规定的第一阶段目标的最佳途径。因此.目 前国内外有很多研究学者采用强化混凝法去除有机 物 。据有关报导.在去除天然有机物时,铁盐的混 凝效果比铝盐好:阳离子高分子絮凝剂可单独作为 混凝剂,但阴离子型和非离子型絮凝剂单独应用效 果不佳。但当被用作助凝剂时,则可发挥其提高固液 分离的功能.可有效地提高TOC的去除率。与常规 处理工艺相比.强化混凝虽然提高了有机物去除率。 但是需多投混凝剂或另投其他药剂.势必会增加药 剂费用与污泥处理费用 1.9紫外光和臭氧联用技术 紫外光和臭氧(UV/03)结合的方法是基于光激发 氧化法.产生的氧化能力极强的自由基(OH自由基1 可以氧化臭氧所不能氧化的微污染水中的有机物. 有效去除饮用水中的三氯甲烷、六氯苯、四氯化碳、 苯等有机物.降低水中的致突变物活性。刘长安等[・51 的研究表明.UV/O 工艺对自来水中的微污染物有 较好的去除效果。在0 投加质量浓度为2.6 mg/L的 情况下,当水力停留时间为120 arin时对UV 的去 除率可达100%:反应时间为60 rain时对三氯甲烷 和四氯化碳的去除率分别可达65%和89%。紫外光 和臭氧联用技术具有设备简单、投资和运行费用低、 对有机污染物去除效率高等优点。非常适合饮用水 的深度净化处理 1.10新型生物反应器处理技术 1.10.1膜生物反应器 膜生物反应器是膜处理和生物处理相结合的一 种新工艺.它是指以超滤膜组件作为泥水分离单元 设备.并与生物反应器组合构成的一种新型生物处 理装置 由于超滤膜能很好地截流来自生物反应器 1988年.Fuch等 将生物处理方法与电化学方 法结合起来,应用于反硝化除氮。1992年,Mellor等 【・7】的研究表明.在外加电流的条件下.由于电子的产 生.生物膜和固定化酶的反硝化作用得以强化.其反 应方程为: 2H +2e—H2 (1) 2H20+2e—H2+20H一 (2) 2N03-+5H2+2H 一N2+6H20 (3) 由于电子的产生.使生物膜和固定化酶的硝化 作用加强.使生化反应速率及去除率得以提高,从而 实现反硝化处理目的.同时使水体中的有机物得以 去除。 2001年.Watanabe等【・8]也进行了电极生物膜法 的试验研究,结果发现:水中pH值维持中性。水中 硝酸盐和铜离子得到去除。 目前对电生物反应器尚处于基础理论和动力学 研究阶段.因此.这种处理技术尚处于研制阶段。 2今后的发展趋势 水源水的水质问题越来越受到人们的重视. 我国从事水研究工作的人员在这方面做了大量工 作。但仍有许多问题有待解决。因此。发展以下几 个方面的微污染水源水深度处理技术将是当前的 趋势f 。 (1)臭氧一活性炭;臭氧一生物活性炭技术己经较 成熟.可以应用在经济条件较好的水厂。进行工艺改 造和推广 (2)膜技术的发展己经逐步引入到生活饮用水 领域的水质处理.随着膜生产工艺的改进和成熟。膜 制造技术的发展和成本的降低.UF/MF等膜技术的 应用市场前景广阔.膜处理在今后的城市水厂中必 将得到更为广泛的开发和利用。 (3)在现有处理设施的基础上。强化常规处理. 改善氧化和消毒.开发以强化常规工艺为基础的深 度处理新技术 (4)进一步深化组合工艺.组合工艺在一定程度 上具有互补性.发挥各单元组合的协同作用。进行多 维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷增刊第l期 蔡世军等微污染水源水深度处理技术研究 111 元组合.如臭氧一生物处理一常规处理一活性炭吸附一 消毒等,开发深度处理组合新工艺,由于微污染水质 指标的不同,在设计参数和工艺布置上,以实用化为 艺[J].环境科学,2000,21(3):64—67. 『71于万波.臭氧一生物活性炭技术在微污染饮用水处理中的 应用EJ].环境技术,2003(2):l1—14. 『81 Yasushi.Takeuchietal removal of organic substances from water by ozone treatment followed by biological activated 导向,不断提高应用范围,以期以最低成本达到最佳 的去除效果。 3结论 carbO/3q treatment[J].Wat Sci Tech,1997,35(7):171—178. 『91胡 静。张林生.生物活性炭技术在欧洲水处理中的应用 研究与发展[J】.环境技术,2000(2):33—37. 当前。水源水受到污染己是不争的事实.常规制 『101陈一鸣,刘玉荣.膜分离技术在我国水处理领域的应用实 水工艺己经很难达到饮用水水质卫生规范的标准. 例[J].化工装备技术,2000,21(1):33—34. 迫切需要进行微污染原水饮用水处理技术的研究 『l11贾瑞宝,文闵英.饮用水源微污染现状及其深度处理技术 随着新的深度处理技术的开发以及多单元组合深度 [J].山东环境,1999(5):42—43. 处理技术的联用.微污染水源水深度处理工艺将得 『1 21 Fujishima A,Honda K.Electrochermical Photoanalysis of 到快速发展与广泛应用 water at semiconductor electrode[J].Nature,1976(238):38. 『131岳禹峰,黄仕元。庞朝晖,等.微污染水源水处理技术发展 [参考文献] 与探讨[J】.工业水处理,2006,26(9):14—17. [14】Karen R.Easing the Pain of Meeting the D/DBP Rule with [1】王占生,刘文君.微污染水源饮用水处理[M】.北京:中国建 Enhanced Coagulation [J】_ Water Engineering & 筑工业出版社.1999. Management,1999,46(1):22—25. [2】Watt B E.Malcolm R L.Chemist ̄and Poteneial [15】刘长安,孙德智.UV/O,反应器去除自来水中微污染物[J】. mutagenicity of humic substances in water from different 中国给水排水,2003,19(61:49—50. watersheds in Britain and Ireland EJ].Wat Res,1996,30 [161徐伯兴.生物膜电极法在废水处理中的应用[J】.污染防治 (6):1 502—1 516. 技术.1998。11f1):45—47. 『31 Hintelmann H,Welbourn P M,Evanas R D.Measurement of [17】Mellor R B.Reduction of nitrate and nitirte in water by complexation of methlmercurn(Ⅱ)compounds by freshwater immobilized enzymes[J].Nature.1992(355):717—719. humic substances using equilibrium dialysis EJ].Environ Sci [18】Tomohide,Watanabe,Hisashi,et a1.Denitriifcation and Technol,1997,3 1(2):485—489. Neutralization Treatment by direct feeding of an acidic [4】肖羽堂,许建华,王冠平,等.强化微污染原水净化效果的生 wastewater containing copper ion and high-strength 产性应用研究[J】.环境科学,1998,19(3):28—30. nitrate to a Bio—electrochemical reactor process EJ].Wat 『51 Camel V,Berm A.The use of ozone and associated Res.2001.35(17):4 102—4 l10. oxidation process in drinking water treatment[J】.wat res, 『191刘 珂,秦 晓,韩柏平.美国自来水行业消毒现状及展 1998,32(11):3 208—3 222. 望[J].江苏环境科技,2007,20(1):65—68. [6】吴红伟,刘文君,张淑琪,等.提供生物稳定饮用水的最佳工 f责任编辑朱鼎一l
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