（环境科学专业论文）管道分质供水系统自动控制与远程监测技术.pdf

s t u d yo na u t o m a t i cc o n t r o la n dr e m o t eo n - l i n em o n i t o r t e c h n i q u e so fd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m a b s t r a c t m o s to ft h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c e si no u rc o u n t r ya r eh e a v yp o l l u t e d t h e s et y p e so f s o u r c ew a t e ra r eh a r dt or e a c hh i g hs t a n d a r d sa f t e rt h e ya r et r e a t e db yc u r r e n tw a t e rp l a n t t e c h n i q u e s d u a lw a t e rs u p p l yi san e w l y d e v e l o p e df i e l dt os u p p l yd r i n k i n gw a t e rw i t h h i g hq u a l i t y h o w e v e r , t h e r ea r em a n yp r o b l e m sb o t hi nt h e o r ya n dt e c h n i q u e sf o rd u a l w a t e rs u p p l y ，w h i c hh a v el i m i t e di t sd e v e l o p m e n t o nt h eb a s eo ft h es t u d yo nd e e p t r e a t m e n t ，d i s i n f e c t i o nt e c h n i q u ea n dt u b ed e s i g n ，t h et e c h n i q u e so fa u t o m a t i cc o n t r o la n d r e m o t eo n l j n em o n i t o rw e r ed e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gm a i nr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h em i c r o p o l l u t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e rf r o mt h ep e a r l r i v e rd e l t a ，an e wc o m b i n a t i o nd e e pt r e a t m e n t s y s t e me q u i p p e dw i t hre+nf m e m b r a n e sw a ss u g g e s t e da st h ed e e pt r e a t m e n tt e c h n i q u ef o rd u a lw a t e rs u p p l y t h i s c o m b i n a t i o nt e c h n i q u eh a sah i g hr e m o v a lp r o p o r t i o no fm i c r o - p o l l u t a n t sw i t hm o r et h a n 9 0 f o rt h eo r g a n i cm i c r o - p o l l u t a n t sa n dah i g hr e c o v e r yo fp u r i f i e dw a t e ru pt o8 0 ，a n d t h ep r o d u c e sap u r i f i e dw a t e rw i t hs o m es u i t a b l ea m o u n to fu s e f u im i n e r a l s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i s i n f e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fad u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ，a c o m b i n a t i o nt e c h n i q u eo fu v + c 1 0 2w a ss u g g e s t e d t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a t ，t h i s c o m b i n a t i o nt e c h n i q u e ，i nt h ec a s eo f0 1m g l lo fc 1 0 2d o s ei ns u p p l y i n gw a t e ra n d m o r e t h a n0 0 3m g lo fe f f e c t i v ec h l o r i n ei nt a pw a t e r ，c a nc o n t r o le f f e c t i v e l ym i c r o o r g a n i s m p a r a m e t e r si na d u a lt u b ed r i n k i n gw a t e rs u p p l y s y s t e m t h i st e c h n i q u eh a sas t a b l e d i s i n f e c t i o ne f f e c t ，a n dt h ed i s i n f e c t e dw a t e rh a sav e r ys m a l la m o u n to fd i s i n f e c t e d b y p r o d u c t sa n dk e e p sag o o dt a s t e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m s ，ap r e l i m i n a r y r u l ef o rt h ed u a lw a t e rs u p p l ys y s t e mt u b e d e s i g nw a ss u g g e s t e d t h er u l eh a sb e e n a p p l i e dt oaf e we n g i n e e r i n g sa n dag o o dr e s u l th a sb e e no b t a i n e d ( 4 ) w i t ht h ep l ct e c h n i q u e ，a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d e a c hu n i t so fad u a lw a t e rs u p p l ys y s t e mc a nb ew h o l ec o n t r o l l e db yt h i s s y s t e m c o m b i n e dt h en e t w o r ka n dc o m p u t e rt e c h n i q u e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd u a l w a t e rs u p p l ys y s t e m s ，ar e m o t eo n l i n em o n i t o rs y s t e mf o rt h ed u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m w a sd e v e l o p e d t h i sm o n i t o rs y s t e mc a np u ti n t oe f f e c to na no n - l i n em o n i t o ro ft h e r u n n i n gs t a t eo fa n dk e yw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so ft h es y s t e m ( 5 ) ad u a lw a t e rs u p p l ye n g i n e e r i n go fg u a n g z h o ub a i y u ng o l fg a r d e nw a s d e m o n s t r a t e db yt h es t u d i e da n dd e v e l o p e dt e c h n i q u e s t h i sd e m o n s t r a t i o ne n g i n e e r i n g h a sb e e nr u na n dm o n i t o r e df o rt w om o n t h sa n dt h ew h o l es y s t e mi sq u i t es t a b l ea n dh a s g o t t e ng o o dr e s u l t s t h e s er e s u l t sh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ec u r r e n tt e c h n i q u e so fd u a l w a t e rs u p p l ya n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h i sf i e l d k e y w o r d ：d u a l w a r e rs u p p l y ，d r i n k i n gw a t e t d e e pt r e a t m e n t ， a u t o m a t i cc o n t r o l ，r e m o t eo n 一1 i n em o n i t o r ，e n g i n e e r i n gd e m o n s t r a t i o n v l 绪论 1 1 本研究的目的与意义 水是生命之源，饮水质量直接影响广大人民群众的身体健康。我国是一个水 污染较严重的国家，尤其是珠江三角洲等经济发达地区，水污染问题已引起普遍 重视。如下几项统计资料足以说明我国饮水污染的严重性【1 ，2 】： 全国有7 6 1 的人饮用达不到卫生标准的水，有8 项指标超标率占全国人 口的3 5 以上： 城市自来水超标率在1 1 5 以上的指标有1 2 项。统计的3 5 个大城市中 只有2 3 的居民饮水符合卫生标准； 主要超标指标是大肠菌、铁、锰、浊度、耗氧量、p h 值、氟化物、氯化 物、硫酸盐及硝酸盐等。 应当指出的是上述统计数据仅是根据我国现行生活饮用水卫生标准来评价 的。在该标准中限定指标仅3 5 项。实际上，这一标准仅相当于发达国家七十年 代水平”。如采用更严格的标准，饮水合格率会更低。据中国科学院广州地球化 学研究所最新一项研究表明，广州市管网末梢水按现行生活饮用水标准达标率达 8 5 ，如按w h o ( 世界卫生组织) 饮用水标准指导值或美国饮水m c l 值( 最 大污染浓度控制值) 或我国2 0 0 0 年i 类水司标准水质指标限量值，合格率均不 到4 0 ，且超标指标包括大量对人体健康有很大危害的有机微污染物【4 】。 饮用水污染有三方面来源：其一是源水污染。未经充分处理的生活废水、工 业废水及农用化学品直接进入水源水。这些污染物应用传统水处理工艺难以有效 去除、残留在自来水中，成为饮水污染的主要来源；1 4 , 5 填二是消毒副产物。我 国水厂目前均采用氯消毒，余氯与水中有机物反应生成的卤代烃，如t h m s ( 三 卤甲烷) 、h a a s ( 卤乙酸) 具有强致癌性；1 7 - 2 0 其三是二次污染。我国供水管网 较为陈旧，管网质量较差，水管中铁锈、铁、锰、铅等有害物质可直接进入自来 水中。i l l 此外，二次供水也相当普遍，储水箱或水塔内红虫、病菌滋生屡见不鲜， 这类管网末梢水细菌总数往往超过卫生标准，不能直接生饮。 在这种背景下，发展分质供水，从根本上解决饮水污染问题具有战略性意义。 我国社会、经济、文化背景有其独特性。很多城市正在进行的分质供水与国外有 所区别。分质供水在国外有数年历史。他们将可饮用水系统作为城市主体供 水系统，可以生饮；而将低品质水、回水或海水作为非饮用水，另设管网供应， 主要用于园林绿化、清洗车辆、工业冷却等使用。1 2 1 - 2 4 1 其非饮用水通常是局部或 区域性的，作为主体供水系统的补充。如在美国自来水是可直接饮用的，但能直 接饮用不一定就是优质水，在一般情况下，优质水必须经深度处理才能获得。【冽 在美国，优质水主要是采用家用净水器，各家各户自行处理。在日本，水源水主 要是水库中的水，由于日本在战后这半个世纪期间，加强水资源保护，水源水非 常干净，不需深度处理，并可达到很高程度。为节约用水，日本采用另一条管网 利用中水或海水用作水源水，如冲洗、绿化等，开辟了一条新的节约水资源的途 径。 在我国管道分质供水俗称为直饮水、双管水或管道直饮水。是指住宅小区、 办公场所或学校内的管道分质供水系统，主要是针对饮用水。 2 5 - 3 t 保证只占总用 水量1 5 饮水部分的高品质。管道分质供水在我国已有几年发展历史，最早出 现在上海、广州、深圳等经济较发达城市，现已扩展到全国8 0 多个城市。管道 分质供水这种优质饮水供给方式符合我国国情，据权威机构预测它将成为我国优 质水的主要供给方式。如广东省已将分质供水列为“十五”规划，并计划在“十 五”后，有1 0 0 0 万人饮上直饮水。 管道分质供水涉及到多个方面关键技术：如饮水深度处理技术、杀菌与保鲜 技术、变频供水技术、净水循环技术及水质监测系统与管理技术。目前，管道分 质供水系统在这五个方面均存在技术问题，在工程与水质管理中常出现的问题 是：制水设备工艺流程未根据被处理水的特征优化组合，设备成本高，运行费用 贵，净水回收率低；在系统中未采用针对管道分质供水特点的消毒技术，管网末 梢水常出现细菌指标达不到卫生要求的情况；因目前尚无成套系统，各单元设备 难以实现统一控制，系统自动化程度低，维护困难，未开发出针对管道分质供水 特点的恒压供水系统，使工程成本高，难以普遍推广，并存在严重事故隐患。 这就是我国目前分质供水的现状，它不同于西方发达国家，也不同于亚洲较 发达国家，它是我国特有的优质饮水供给方式。 本研究针对我国分质供水行业技术与管理上存在的问题，开发管道分质供水 深度处理技术、自动控制技术及远程监测技术，其主要目的是使管道分质供水设 备成套化、自动化、系统化、一体化、规范化，降低成本，提高系统质量，保障 2 水质，提高效率。 管道分质供水是一个新行业，发展前景广阔，其将成为具有中国特色的优质 饮水供给方式。可以认为，管道分质供水也将会被与我国国情相类似的其他国家 所借鉴与应用。因此，这项研究将成为推动该行业发展的技术保障，使我国管道 分质供水技术水平踏上新的台阶，将具有广阔的市场前景与深远的社会意义。 1 2 国内外概况及存在的问题 管道分质供水是适应我国国情发展起来的优质饮水供给方式，是一个全新的 行业。在国外没有成套技术可供沿用，在国内因投入科研不够，技术仍不成熟。 目前，管道分质供水工程所用设备均采用组合方式，将不同厂家的单元系统在工 程实施中组合在一起。这种做法在该行业发展初期是可行的，但随着该行业的发 展，必将导致一系列问题，如不同厂家生产的单元系统在用材质量上存在很大差 别，彼此之间的匹配性也差，系统体积大，外观差，维护较困难等。这在较大程 度上将限制了管道分质供水的发展。 综合讲，管道分质供水系统涉及到几个方面关键技术，这几个方面均存在 一定的技术问题： ( 1 ) 在饮水深度处理设备方面，因核心水处理单元般采用r o 膜( 反渗 透膜) ，而膜技术国内不成熟，制水设备主要依赖进口或国内组装。然而这些设 备一般其工艺流程未针对被处理水的特点进行优化组合，不仅成本较高，而且使 用寿命短，在净水中仍能检测到一些微量有机毒害物。另外，在制水工艺中如均 采用r o 膜过滤也存在一些问题，如净水回收率低，一般在5 0 左右；净水p h 值一般在5 5 左右，呈弱酸性；广州市政自来水矿化度低，一般不到2 0 0 m g , l ， 经r o 膜工艺处理后，净水中矿化度不到5 m g l ，属纯水范畴，这类饮水有些用 户不一定在观念上都能接受。 ( 2 ) 在消毒技术方面，目前小区管道分质供水大多采用臭氧消毒，但臭氧 在水中半衰期短，且残余臭氧对管材有腐蚀作用，使得末梢水不是口感不好就是 细菌超标。有些小区采用c 1 0 2 ( 二氧化氯) 消毒，但c 1 0 2 需在线生成，如何自 动控制与精确确定投放量也是问题。因此，开发适应管道分质供水消毒技术并集 成到成套系统中也成为当务之急。可以说，消毒与保鲜技术是管道分质供水存在 的主要技术问题之一。 ( 3 ) 在供水技术方面，目前的做法均是将成熟的自来水变频供水技术直接 沿用到管道分质供水工程中。这方面存在的问题是常出现压力与流量不匹配的问 题。变频供水设备主要是针对供给自来水开发的，适应较大流量的情况。而管道 分质供水供水量只有自来水供水量的1 - 5 ，但需同样大的供水压力。在实际运 行中没有完全发挥变频供水系统的功能，普遍出现压力与流量不匹配的问题，在 运行中系统频繁起动，缩短使用寿命。目前在分质供水工程中，变频供水设备价 格占整套系统的比例较大，达3 0 5 0 ，特别是对规模较小的小区，户均投资成 本更大，使得规模较小的小区难实现分质供水。从技术评价，实现管道分质供水 设备的成套化，实现控制集成，选择小流量、高压力水泵，可大幅度降低供水设 备这部分成本。因此，开发性能好、适用于管道分质供水的变频供水设备是节省 投资、拓宽管道分质供水市场空间的关键技术。 ( 4 ) 在自动控制方面，住宅小区管道分质供水系统一般安装在地下室，须 实现制水、消毒、供水、循环等环节的全自动控制。然而，目前的状况是各单元 设备来自不同厂家，在控制部分相互独立，有时难相匹配，维护也较复杂，外观 上也不紧凑美观。 ( 5 ) 在系统运行管理与水质监测方面，目前采用的方法均是现场人员值班 与水质抽样检测相结合。这种做法存在的问题是明显的：小区管道分质供水系 统一般安装在地下室，难有值班的空间，既使有也不宜人值班居住。从实际运行 情况看，也很少有公司实现2 4 小时值班，出现问题后难及时处理；既使有条 件安排人员2 4 小时值班，但成本太高，尤其是对于规模小的小区，在经济上难 以承受。如一个公司在某个城市有数个管道分质供水小区，这些问题体现得更加 明显，常出现的情况是水质异常、系统异常或出现爆管、漏水等问题而得不到及 时发现与处理，用户投诉多，满意度降低。因此实现管道分质供水系统的远程管 理，建设电脑管理中心，对各个小区实行主要水质指标与系统运行状况的实时远 程监测，不仅节省成本，而且实现了真正2 4 小时管理。从另一方面看，国内外 现有关于网络的研究，主要集中在多媒体应用，视频会议，i p 电话等方面。 从结构解决具有h a r dr e a l - t i m e ( 实时) 的网络，建构一个合理有效的分布 式实时控制网络支撑环境，也是目前研究的热点 3 2 4 7 。 4 ( 6 ) 管道分质供水管网设计方面，目前尚无规范依照。在实际工程中， 主要根据经验进行设计，常出现的情况是管网布置不合理，水循环不畅通， 存在死水端，主管直径过大，管网存水量过大，增加循环的难度和能耗。 1 3 主要内容 针对管道分质供水系统存在的上述问题，本研究内容包括如下三个方面： ( 1 ) 各水处理单元的集成 包括： 前置处理系统的集成； 膜技术的合理组配； 消毒与保鲜技术的集成； 后置处理系统的集成； 恒压供水系统的集成。 ( 2 ) 系统自动控制的开发与集成 包括： 前置供水与过滤系统的自动控制； 饮水深度处理设备自动生产与清洗自动控制： 管道分质供水自动循环控制： 管道分质供水恒压供水自动控制； ( 3 ) 系统运行状态与水质的远程实时监测 在线监控系统 系统运行在线监控：通过相关传感器检测信息，通过一系列控制规则，对 与生产条件和目标值相关的执行发出控制指令，主要监测如下指标：系统进水压 力，前置活性碳压力，前置过滤器后压力，膜主机工作压力，供水压力，回水压 力，循环系统动作记录。 水质在线性监测与显示：通过相关传感器检测相关信息，并显示在监测面板 上。主要监测如下水质指标：电导率，余氯含量，p i 值。 p c 机控制软件 主要完成以下三个功能： 实时检测与控制 历史数据存储与分析 远程通信功能 远程监控中心系统 监控中心实时了解某点设备的运行状况，在可能的情况下，有限的进行设备 的远程调控。 1 4 技术路线 本研究总体技术思路见图1 - 4 1 ，具体技术思路如下： ( 1 ) 饮水深度处理技术：主要采用不同膜技术形成的组合工艺技术，通过 水处理试验进行对比与评价，采用的水处理单元主要包括：n f 膜，r o 膜及 n f + r o 膜，对水中有机与无机微污染去除效果进行对比分析，并从实验室应用 到示范工程中； ( 3 ) 杀菌与保鲜技术：分析现有消毒技术存在的优缺点，并组配成组合工 艺技术，对比消毒与保鲜效果，并进行经济评价，选出适宜的消毒与保鲜工艺流 程，并从实验室应用到示范工程中； ( 3 ) 自动控制：各水处理单元自动控制的集成是采用p l c 技术将单元系 统进行技术集成。实现的目标是增强系统的控制程度与系统的稳定性；实现系统 多重保安系统，如系统出现漏水，压力异常等现象，系统将自动关闭，同时启动 报警系统。 ( 4 ) 远程监测：远程监测系统技术路线示意图见图1 4 - 2 ，分三步实施： 第一步：建构系统原型，掌握国内外动态，得出理论模型。 第二步：根据理论模型研究具体算法及仿真实验、测试，同时开始硬件 实现。针对基于i n t e r n e t 的分布空间的特点，结合i n t s e r v 和d i f f s e r v 两者的 长处，提出一种核心无状态的q o s 架构，能灵活地支持本净水系统主要服务 类型，如保证服务( g u a r a n t e ds e r v i c e ) 、可控负载服务( c o n t r o l l o a d s e r v i c e ) 、确保服务( a s s u r e ds e r v i c e ) 等。在此基础上，采用f p g a 技术 进行硬件实现，并且构建具体的应用一分布式虚拟实验与设计、嵌入式远程控 制。 6 第三步：原型系统具体实现，总结及优化。设计一套管道分质供水系统的 控制系统，完成示范工程。 图1 - 4 1管道分质供水自控与远程监测技术技术路线图 图卜4 2 远程监测系统技术路线示意图 1 5 本研究的创新点 ( i ) 初步建立起了管道分质供水管网设计的规范 目前国内尚无管道分质供水管网设计的规范。本研究针对管道分质供水用 水量少、水质要求高、用水时间集中等特点，结合数个工程实例实际资料，初步 提出了管道分质供水管网设计的同程布管原则、户内管设计的多种模式、水表循 环水路设计的多种方案，提出了系统最高用水量、最大用水量、循环水流量、管 道流速、供水压力与流量、净水箱容积、供水与回水管网直径等多项设计参数。 在理论上初步完善了管道分质供水管网的优化设计。 ( 2 ) 实现了管道分质供水系统的全自动控制 目前国内管道分质供水系统自动化程度低，部分控制需人工完成。本研究 采用p l c 控制原理，对管道分质供水系统中的深度处理单元、消毒与保鲜单元、 恒压供水单元、循环水处理单元及前置处理单元五个单元系统实现了自动控制， 主要包括：前置过滤系统的正反冲洗，工作状态保护功能：膜处理系统的低高压 保护功能、反冲洗功能及故障自锁功能：消毒系统的在线消毒功能；恒压供水的 故障自锁功能；循环系统的定时循环与条件循环功能：以及各单元系统控制的吻 合功能等。整个系统实现了整体性与一体化，使管道分质供水系统自动化程度大 幅度提高，减少了故障率，节省了能耗。这在国内具有明显的创新性。 ( 3 ) 开发了m 2 0 0 0 计算机远程实时控制系统，并成功应用于管道分质供水 系统运行状态与水质的远程实时监控 目前，在国内尚无管道分质供水远程实时监测系统，本研究开发的m 2 0 0 0 远程实时监控系统应用现代网络通讯技术，重点开发了数据采集、数据传输、数 据处理三个方面技术，不仅能对管道分质供水系统运行状态与水质进行实时监 控，而且能通过对数据的归纳整理和加入专家经验值，可以动态分析水质的变化 情况，发现水质的变化规律，提前作好水质监控中的预警和防范。这项技术成为 国内管道分质供水系统最领先的技术。 9 2 管道分质供水系统水处理单元技术 管道分质供水工程是将经深度处理的优质饮用水用独立的管网系统输送到 多个用水点。这项工程涉及到四个方面的基本技术：饮水深度处理技术，供水技 术。循环系统及管网设计技术。饮水深度处理处理技术包括两个单元系统：饮水 深度处理系统与消毒保鲜系统。管道分质供水系统自动控制与远程监测技术是在 这四种单元系统基础上开发与实施的。本章将对这些相关技术进行研究与介绍。 2 1 饮水深度处理技术 2 1 1 常规饮水深度处理技术 何谓饮水深度处理，简单讲，就是在现有传统水处理工艺的基础上，应用一 项或多项较先进的水处理单元工艺，进一步去除水中有毒有害物质，提高水质 呻“。图2 - 1 1 是我国自来水厂一般水处理工艺流程。这种水处理工艺在我国已 经有5 0 年使用历史，目前仍没有更换。事实已经证明，这套流程对于质量较差 的工v 类一v 类水源水，已难以生产出合格的饮用水。国外自来水厂在此基础上， 一般增加了0 3 预氧化与后置活性碳过滤。这种水处理工艺在水源水水质较好的 前提下可满足对饮用水的一般要求“1 。 图2 - 1 - 1 我国自来水厂一般水处理流程示意图 饮用水深度处理有多种方法，如过滤、光降解、生物活性碳、氧化等“。 但在分质供水工程中，过滤是最常用的饮水深度处理技术。主要包括如下几种过 滤方法： 1 0 ( 1 ) 砂滤 砂滤是一种最基本的过滤技术。目前国内自来水厂一般都采用了砂滤工艺， 有两种过滤方式：由上而下的正粒度过滤与由下而上的反粒度过滤。1 。在管道 分质供水系统中，一般可省略砂滤，只是在有些水质较差的情况下，才使用砂滤。 砂滤与微滤及活性炭往往组合使用，构成前置过滤系统。 ( 2 ) 微滤 这是较低档的一种净水工艺，微滤孔径在0 1p 一5 pm ，主要去除水中悬 浮物，铁锈等物质。目前在我国有些城市水厂采用该工艺作为深度处理的主要单 元技术”“，但在分质供水工程中很少单独应用，主要用作前置处理。 ( 3 ) 活性碳 这是最基本的一种水处理工艺，活性碳可去除水中一定数量有机物，同时还 可改善水的口感。在分质供水领域，活性碳主要作为辅助水处理单元，与膜过滤 单元组合使用“。“。应当指出的是活性碳使用寿命较短，不同类型活性碳去 除有机物的能力有较大差别。一般去除率在3 0 一5 0 9 6 之间。 ( 4 ) 水磁过滤器 这种水处理设备主要是用于工业水处理，以防止水垢。近年来，有商家发展 成为饮水深度处理设备，目的通过磁化，改进水的生理功能。曾在日本及韩国盛 行旧1 。主要组合形式有： ( 1 ) 微滤一活性碳一生化陶瓷： ( 2 ) 微滤一活性碳一磁流体发生器； 这种净水技术在国内应用得不多，其市场有待开拓。 ( 5 ) 离子交换 离子交换近年来也用于饮用水深度处理。由于这是一种脱盐技术，难去除有 机物，在发达国家主要用于膜单元的前置处理装置，用于降低水的硬度陋7 。 ( 6 ) 电渗析 早期电渗析用于海水脱盐及精密仪表用水处理。在我国早些年也应用于饮 水深度处理。与离子交换法一样，电渗析不能去除有机物，对于有机微污染较严 重的水源水处理效果不好，目前在分质供水工程中很少应用侧。 ( 7 ) 膜过滤 膜过滤是目前世界上最先进的水处理技术，它既能去除水中的无机污染物， 又能去除有机污染物。在发达国家已成为饮水深度处理技术的主要方法，我国也 开始朝着这方面发展呻7 7 ”。目前已开发出三类商品膜：超滤膜、纳滤膜及反渗 透膜。这三种膜的孔径大小分别是：0 0 0 2 5 _ 如1 微米，0 0 0 2 5 0 0 0 5 微米， 及0 0 0 0 1 o 0 0 1 微米。这三类膜在加工材料及生产过程基本相同，只是加工工 艺不同。不同类型的膜水处理效果不同，膜技术的选择应依据水源水特点及用水 目的。膜技术目前已发展成为组合工艺技术，与其它水处理技术结合，更为有效。 ( 8 ) 蒸馏 蒸馏是一种最先为人知的水处理技术，这种方法可最大程度去除矿物质， 因此，应用很广。随着研究的深入，目前发现这种水处理技术存在的问题是较难 根除挥发性有机物，水中溶解氧少，水口感差，另外能耗大，成本高脚7 ”。蒸馏 技术有逐渐被膜技术取代的趋势。 由此可见，对于这些过滤技术，膜技术体现出较大的优势，在管道分质供 水系统中，膜过滤成为首选的过滤技术，并已开发出多种形式的组合工艺技术， 是饮水深度处理的最主要手段与发展趋势。 2 2 饮水深度处理组合工艺技术 2 2 1 关键技术问题 饮水深度处理技术有两个技术关键，在设计中值得深入研究： ( 1 ) 膜技术及组合工艺配置 如前所述，膜技术是饮水深度处理的发展方向，但膜有多种类型，应根据 水源水水质特点及用户对水质的要求选择啪“1 。目前国内外在饮水深度处理实 验与工程中，均是采用单种类型膜应用，即在一套水处理系统中，只采用一种膜， 而且用得虽多的是逆渗透膜( r o 膜) 。然而，r o 膜的缺点也是明显的，如净水回 收率低，一般r o 膜组合工艺净水回收率不到5 0 ；净水t d s 低，一般可低至 l o m g l ，有些消费者难以接受：能耗与成本都是膜过滤技术中最大的嘞1 。因此， 1 2 r o 膜并非是饮水深度处理技术的最好过滤方法。 膜技术作为饮水深度处理的核心技术需配置前置与后置工艺”1 。合理的组 合这些单项技术不仅节省投资，减少运行费用，而且占地少，易于操作，减少二 次污染。因此，组合工艺研究成为目前饮水深度处理的热点问题，也是本研究的 核心内容之一。 ( 2 ) 消毒保鲜技术 管道分质供水系统除保障饮用水的卫生安全外，应尽可能控制有害成份与 消毒副产物。因此，消毒与保鲜方法也是关键技术之一。管道分质供水的消毒与 保鲜是目前该行业尚未完善解决的问题。”“，值得深入研究。 2 2 2n f + r o 组合工艺技术 2 2 2 1n f + r o 组合工艺技术背景 近几年来，r o 膜在我国分质供水行业一直占主导地位嘞1 。如前所述，r 0 膜的缺点也是明显的。应当说，对于高矿化度的硬水处理，r o 过滤有其优势， 但对于一般自来水的深度处理，无论是从水质与经济性评价，r o 膜过滤并非是 最好的方法。因此，开发新形式的饮水深度处理组合工艺将具有广泛的市场前景。 根据近年来对世界各国优质地下水或地表水的一项调查，它们在水质方面 具有一些共同的特点1 ：有机污染浓度低，t o c 一般 0 1 0 p p m ；含有一定矿 物质，如k ，c a ，等生命元素，t d s 一般在2 0 5 0 p p m ，有毒重金属及放射 性核素含量低，一般c d + a s + c r + u + t 1 + b e + p b + h g 含量不到5 p p b 水呈弱碱性， p h 值在7 o 一7 6 之间。水中溶解氧含量较高，并含有少量c o ：气体。这些优质 天然水正是饮水深度处理技术的发展方向。 因水源水具有不同的t d s ，如广州市管网末梢水t d s 变化一般在1 0 0 3 0 0 p p m ，枯水季节甚至可高达7 0 0 8 0 0p p m 。如何控制净水t d s ，使其达到较理 想水平，也是管道分质供水水处理技术的发展方向。为克服现有的r 0 工艺的问 题，有研究报道n f 膜过滤显示出一定的技术优势。在理论上可通过n f + r o 膜组 合工艺来解决上述问题。本节将从理论与实验方面对这一新型组合工艺实际运行 效果进行研究与讨论。 2 2 2 2n f + r o 组合工艺设计参数与实验 为完成上述研究，本研究设计与组配了一套饮水深度处理试验装置。该实 验装置的特点是可进行现场饮水深度处理实验，可方便转换出如下3 种过滤工艺 流程： a 简称n f 工艺，流程为：微滤一精滤一活性碳一纳滤( n f ) b 简称r o 工艺，流程为：微滤一精滤一活性碳一r o 膜 c 简称n f + r o 组合工艺，流程为：微滤一精滤一活性碳一n f + r o 膜 该系统生产能力为1 5 0 0 3 0 0 0 加仑日。实验结果可直接为较大规模管道 分质供水工程所采用。 根据源水水质特征与设计出水t d s 指标及净水产量，可将r 0 膜与n f 膜并 联或串联来达到这一要求。这里仅讨论一种常用情况，将一根r o 膜与一根n f 膜串联使用情况： 水回收率c = c 。+ ( 1 - c 。) c 。 其中：c 肿、c 。分别为r o 与n f 膜净水回收率 多净水t d s = ( q 。t d s 。+ q 。t d s 。) ( q 。+ q 。) 其中：q 。，q 。分别为r o 膜与n f 膜净水产量；t d s 。与t d s 。分别为r 0 膜与 n f 膜净水t d s 。 r o 膜t d s 去除率一般介于9 5 9 9 ，但n f 膜有很大差别，变化范围4 0 一 9 5 嘲。本研究采用d w c h e m i c a lr o 膜与n f 膜，主要技术参数如下： r o 膜：规格4 0 4 0 ，t d s 去除率9 8 ：t o c 去除率9 5 ，产水率2 g p m ， 水回收率4 0 ； n f 膜：属第三类n f 膜呻1 ，规格4 0 4 0 ，t d s 去除率5 0 ，t o c 去除率 9 0 ，产水率3 g p m ，水回收率7 0 。 本n f + r o 系统，要求主要控制参数如下： 净水回收率7 5 - 8 5 ； 净水t d s ：2 0 - 6 0 p p m ； 对t o e 及有机微污染物去除率9 0 以上，对重金属及其它有害成份 的去除率在6 0 - 8 0 以上。 水处理实验在中科院广州地化所饮水深度处理实验室完成，源水为市供自 1 4 来水。管网末梢水t d s = 1 2 8 p p m ，t o c = 2 ，1 3 p p m ，f e ，m n ，n i h 。n 魄有超标现象。 源水水质特征见表2 - 2 1 。 表卜2 一i管阙末端水水质特征 项目指标( g b 5 7 4 9 8 5 ) 结果 色度1 5 度 5 浑浊度5 度 l 嗅和味不得有异臭、异味无 肉眼可见物不得含有无 p h 6 5 _ 8 5 7 1 氨氮 0 。5m g l1 2 亚硝酸 0 1r n g 1o 2 3 总硬度( 以c a c o 。计)4 5 0 m g l 7 8 铁 0 3 m g 1 0 3 5 锰o 1 m g l 0 0 8 铜1 o m g 1 0 0 0 5 锌 1 o m g l 0 4 6 挥发酚类( 以苯酚计)0 0 0 2 m g 1 0 0 0 2 阴离子合成洗涤剂o ，3 m g l 0 i 硫酸盐2 5 0 m g 11 3 氯化物2 5 0 n l g l 3 7 溶解性总固体1 0 0 0 m g l 1 2 8 氟化物1 0 m l 0 3 2 氰化物0 0 5 m g 1 9 6 及 9 0 ；对氨氮的去除率稍高，分别为8 5 、9 9 及9 2 ( 图2 2 4 ，2 2 5 ) 。我国2 0 0 0 年城市进步行业饮用水标准规定氨氮不得超过0 5 m g l 1 ，亚硝酸盐不得超过 0 1 m g l 。由此可见，对于一般污染程度的水源水，应采用三种工艺均可将这两 项指标控制在标准所限定的范围内。 图2 - 2 - 5 组合工艺对氨氮去除效果对比 1 8 ( 7 ) 其它指标 对总硬度、碱度、溶解性固体、余氯及其它无机盐类去除效果( 表2 2 2 ) 研究表明，n f 工艺去除率在4 0 一5 0 ，r o 工艺去除率高达9 5 以上，r o + n f 工艺 在6 5 左右。由于上述指标均属综合性指标，当含量较高值，应结合i c p m s 分 析结果进行综合评价。 表2 - 2 2 组合工艺对常规指标去除效果对比 指标原水中含量去除效果( ) n f + r o n f r o t o c ( p p r n ) 2 1 39 2 9 0 9 5 电导率( u s c m ) 2 3 07 01 4 05 溶解氧( p p m ) 1 4 6 0- 5- 27 氨氮( p p r n ) 1 2 09 38 89 3 亚硝酸盐( p p m ) o 2 38 5 7 9 9 8 总硬度( p p m ) 7 8 07 04 19 5 碱度( p p m ) 4 5 3 16 84 19 3 硫酸盐( p p m ) 1 3 07 64 29 4 硝酸盐( p p m ) 5 5 07 54 28 1 余氯( p p m ) 0 0 89 89 89 8 氟化物( p p r h ) o 6 37 85 89 5 氯化物( p p m ) 2 1 4 78 05 89 5 氰化物( p p m ) 0 4 58 5 5 81 0 0 t d s ( p p m ) 1 2 87 64 59 9 1 负数表示增加百分数 2 2 2 3 2 半挥发性与不挥发性有机毒害化合物 由于这方面本研究所作分析结果不多，本文结合庄汉平( 1 9 9 7 ) o “的资料， 对广州荔湾末梢水中酚类，多环芳烃及农药三类有害物质去除效果进行讨论。该 点水源