饮用水水质及处理.doc

饮用水水质及处理作者：张陈 徐杰 王德强 王娜娜摘要：21世纪世界将面临严重缺水现象。根据联合国优质饮用水标准，只有活性离子水才完全符合健康水的标准。我国水资源溃乏，所以必须加强对水污染进行的防治，研究出新的技术，处理已被污染的水。目前膜分离技术因其高效、节能已被各国广泛采用。了解饮用水的一般净化及处理过程，解决饮用水水质问题，是我们研究的重要课题。关键字：饮用水 水质 处理作者简介：安徽大学 化学化工学院 材料化学系水是人类赖以生存和发展的物质基础，饮水安全则是影响人体健康和国计民生的重大问题。近年来，由于国际上一些地区和国家频繁发生恶性事件，饮水安全和卫生问题引起了全球的关注，饮水安全已成为全球性的重大战略性问题。世界卫生组织的调查表明：在发展中国家，各类疾病有80是因为饮用了不安全、不卫生的水而传播的，每年大约有2000万人死于饮用不卫生的水，饮水安全问题严重地威胁着人类生命。l 一 自然水的性质和水循环l 1自然水的性质 （1）碳酸平衡 CO2+H2OH2CO3 H2CO3HCO3-+H+ HCO3-CO32-+H+ （2）自然水中的碱度和酸度1) 强碱，如NaOH、Ca（OH）2等。2) 弱碱，如NH3、C6H5NH2等。3) 强碱弱酸盐，如各种碳酸盐，重碳酸盐，硅酸盐，磷酸盐，硫化物和腐殖酸盐等。 （3）自然水的缓冲能力 自然水的pH约为6-9，主要是碳酸平衡的作用。l 2 水循环水主要是在一定条件下，在海平面蒸发，其中90又回到海里，有10迁移到大陆，在一定的条件下，形成降雨。然后形成地面径流，然后又回到海里，形成了水的自然循环。由于水是良好的溶剂，在自然循环过程中，会引入一些杂质，这部分杂质是天然的杂质。此外，水在取水水处理、人们使用、使用之后经过污水处理、然后经过回用，形成了水的社会循环。在水的社会循环过程中，也会引入一些杂质，这个主要是引入一些污染物质。水的自然循环和社会循环，二者构成了水的循环。l 二 我国水资源现状据统计，淡水占全球水总储量的2.53，其中可利用的淡水仅占淡水总量的0.34。所以1996年联合国警告：21世纪将面临严重缺水现象。我国水资源有三个主要特点：一个是水资源短缺，我国水资源人均拥有量仅为世界平均值的四分之一；第二在时空上分布不均匀，北方严重缺水；此外，水质污染，据统计，90以上的城市水源受到不同程度的污染。从整体来看，我国大部分省份水环境安全度不够。水环境安全分布的联片化区域特征明显，北方大部分省份的水环境安全均处于或劣于预警状态，其“短板效应（所谓的“短板效应”，又称“水桶理论”就是说一个水桶能盛多少水，不是看它最长的木板有多长，而是在于它最短的那块木板有多短。）”主要体现在压力巨大，相对于其并不丰裕的水资源以及现阶段低劣的水环境质量，北方发生水环境灾难的可能性不容忽视。南方大部分省份均处于或好于预警状态。辽宁、山西、山东水环境安全度最差，云南、 福建、江西相对较好。我国大部分窗体顶端Error! Reference source not found.窗体底省市的水环境安全现状界于危险和安全的临界状态，强化水污染综合防治、舒缓社会经济发展压力是我国现阶段水环境安全的主要战略任务。此外，在最近中国工程院所进行的中国可持续发展水资源战略研究这个课题中，对我国的污水处理率进行了规划：从1997年的13.4，到2050年计划要达到95。但是，污水的排放量也随之增加。如果按城市废水排放的有机物总量来进行计算的话，在这些年中，它的有机复合变化不是很大。因此，对水源的污染，或者对水环境的污染还难以减轻。所以这是由于污水处理率虽然在增加，但污水排放总量也在增长，所以使得污染复合总量削减有限。所以，基于我国水环境可能在短期内好转，如果不同步发展饮用水除污染设施，那么饮用水水质可能要长期受到影响。l 三 优质饮用水的标准世界卫生组织（WTO）根据对世界长寿地区的大量调查结果进行分析，提出优质饮用水的7条标准是：不含有害人体健康的物理性、化学性和生物性污染；含有适量的有益于人体健康，并承离子状态的矿物质（钾、镁、钙等含量在100mg/L）；水的分子团小，溶解力和渗透力强；水的硬度适中，导热、导电性能要好；应呈现弱碱性（PH值为89）；水中含有溶解氧（5mg/L左右），含有碳酸根离子；可以迅速、有效的清除体内的酸性代谢产物和各种有害物质。到目前为止，只有活性离子水能够完全符合以上标准。因此它不仅适合健康人长期饮用，而且也由于它具有明显的调节肠胃功能、调节血脂、抗氧化、抗疲劳和美容作用，由此也非常适合胃肠病、糖尿病、高血压、冠心病、肾脏病、肥胖、便秘和过敏性疾病等患者辅助治疗。l 四 饮用水水质问题饮用水水质问题主要可以分为：一是微量有机污染物；二是藻类及其代谢产物（如藻毒素）、嗅味、氯化消毒副产物、致病微生物、有机物对胶体的保护作用、稳定性铁锰、色度、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐等以及管网微生物的再繁殖和一些二次污染。1 微量的有机污染物 具有浓度低，毒性大等特点。有些有机污染物，具有致癌、致畸、致突变的作用。有些是内分泌干扰物质，比如说杀虫剂、塑化剂、还有有些烷基酚等等，被认为对人的生殖系统有破坏作用。2 藻类及其代谢产物 由于我国水处理率比较低，富营养化现象比较严重，藻类过量繁殖。藻类不但影响常规水处理的处理效果，而且在氯化消毒过程中，会与氯作用生成氯化消毒副产物。藻类在代谢过程中，会产生藻毒素直接危害人体健康。 3 嗅味 主要来自两方面：一方面是由于化学污染物引起的嗅味，比如说氯酚和硫化物等；另一方面是藻类代谢产物。由于嗅味在很低的浓度下，就可以被人们感觉出来，因此嗅味对水质的影响是比较大的，也是比较普遍的，很多嗅味难以被现行的常规给水处理工艺去除。4 有机物对胶体的保护作用 这点越来越引起人们的关注，因为我国水土流失比较严重，流失率高达30，所以水中有机物浓度偏高。5 有机络合性的铁锰 与地下水中的铁锰不同，地表水中铁锰与有机物络合难以去除。因此，水源受到污染，铁锰和有机物络合使它在水中更加稳定，给水厂中剩余的微量铁锰会使水的色度增加，影响水的感官指标。6 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐等 水源的污染，会使水中一些含氮的化合物增高，氨氮在一定条件下，它和氯作用会生成氯氨，从而消耗氯影响消毒效果。在一定条件下，氨会被转化成亚硝酸盐，由于亚硝胺是毒性比较大的成分，因此对人体有害。7 可生物同化有机物 水消毒之后，细菌在输配过程中，仍会再度繁殖，这种水在生物学上认为是不稳定的，将水中能为细菌繁殖提供条件的有机物去除，使细菌不能再度繁殖。这样认为水是具有生物的稳定性，因此，去除水中可生物同化的有机物，有利于保证管网的水质。l 五 饮用水的净化及处理饮用水的水质直接影响到人类的身心健康。如果水质良好,水就能正常参与人体的一切新陈代谢活动,人体就会产生应有的一切生理生化效应。反之,饮用了被污染的水就会使人招致各种疾病。世界卫生组织曾发表声明:“80 %的疾病是由饮水不洁造成的。”因此，水要经过净化处理方能满足公众日常饮用的需要。各种水源污染情况不同，处理方法也不同。有些水源，像农村地区的深层地下水，人迹罕至地区的地面水，实际上没有污染，从这些水源来的水不需要用标准水处理方法处理，仅用氯气做轻型消毒即可。河水，含城市废水和工业废水比例较高，需要强化处理使其有益于公众健康，喝了不但卫生还使人感到舒服。l 1 饮用水的一般净化及处理过程水厂所用的净化水的过程一般分为两种：常规处理和慢砂过滤。它主要的工作原理是：水源水进入水厂后引入化学处理混合槽，加化学品调节pH值到适于输送和饮用的标准值，再加絮凝剂，如硫酸铝或铁盐，使水中的悬浮性成分和胶体成分脱稳，在一定的条件下形成可被沉淀或气浮分离的这样的絮体，然后利用沉淀池，将絮体和水分开（通过气浮设备加气，通过加气使脱稳的絮体能够和水分离，在上部，利用一些设备把浮渣刮走，使絮体和水分开），上清液，进一步到滤池进行过滤。沉淀后的水或者气浮的水通过滤池，通过过滤这个过程进行深度处理，来降低水的浊度，截留在滤料表面的一些杂质成分，再通过反复洗，使它去除。进一步进行加氯消毒，灭活水中的致病微生物,然后通过二泵站把它送到管网，送到用户。常规过程：图注说明：13 化学品混合地 絮凝池 沉淀地 快速砂滤 用氯消毒 洁净水储藏池 泵污染物的去除方法，主要可以分为以下几个方面：1 氧化 在这部分是通过研究新型的氧化剂，复合氧化剂，催化氧化工艺，包括均相或者多相催化，通过光电生磁波以及组合来强化有机污染物的分解。2 吸附 吸附主要是将污染物从水相中转移到固相中。比如活性炭吸附，或者利用其他的吸附剂，无机或者有机的吸附剂，将污染物从水中转移到吸附剂上。 3 生物处理 利用微生物来强化水中污染物的分解，一般是附在一些填料上,或者是附在一些滤料上,形成生物膜，像生物过滤，或者生物活性炭,是生物处理的方法。有些水源含有机物浓度较高，通氯消毒会产生致癌物氯代有机物等。因此有些水厂改用臭氧或二氧化氯替代氯进行水消毒。现在越来越多的水厂用活性碳进行水的精加工处理以去除水中的农药，化学品，以及脱去由它们产生的怪味道和怪气味。如前文所述，还要控制硫酸铝絮凝剂的使用，最好用铁盐絮凝剂代替。提供给用户的水的质量要求应该是无菌，无有机化学品，无腐蚀性和无水垢。慢砂过滤：图3慢砂过滤处理水 通过生活在沙表面微生物的生物活动慢砂过滤可去除细菌和悬浮物用泵抽提河里的水到存储的水库中，再让水慢慢通过细砂层。在砂的表面进行生物加工以去除细菌和悬浮物，最后在消毒的步骤中一些化学品，此外再不用加入任何其它化学品。附加处理：有时用户在水的软化，硬化，脱锰和脱氟有一些特殊要求，要在水处理流程上加一些工艺满足用户。l 2 饮用水处理技术我国饮用水常规的处理方法(混凝、沉淀、过滤、消毒等) 主要是去除水中的悬浮物和细菌,而对各种溶解性化学物质的去除率较低,不能完全消除水污染造成的危害,更不能满足人们对饮用水的高标准要求,加之长距离管道输送和高层水箱的二次污染,饮用水已不再安全或卫生。因此应尽快采用先进的技术对饮用水进行较为全面的处理。目前,随着水源污染的加剧和各国饮用水标准的提高,可去除各种有机物和有害化学物质的“饮用水深度处理”技术日益受到人们的重视。要求采用更有效的水处理方法,寻求一种占地少、维护管理方便、处理水质稳定的工艺已成为人们普遍关注的课题。1、活性炭吸附法 该方法可以通过活性炭吸附去除水中的臭味、天然及合成有机物、微污染物质等,出水水质虽好,但对有毒的重金属、一般的盐类、致癌的亚硝酸盐和放射性物质、细菌、病毒等则收不到去除效果,有些物质(如细菌) 在处理时间长时甚至会略有增加。 再者活性炭的价格也较高,使其使用受到了一定的限制。2、臭氧氧化法臭氧的消毒能力强,能氧化有机物,去除水中的色、味,溶解性的铁、锰及酚等。 但其在水中不稳定,容易失效,在管网中杀菌效力不能持久;而且设备复杂,投资大,能耗也大,目前在我国应用较少。 另外,臭氧氧化后的水因新生了小分子有机化合物,使水的生物稳定性变差。 当前,通常把臭氧与活性炭联合应用,其效果较佳。3、膜分离技术的应用膜分离技术是一门新兴的高效分离、浓缩、提纯、净化技术,其主要特点是节能(因为膜分离过程不发生相变化)、分离对象广(有机物和无机物、病毒、细菌、微粒) 、装置简单、易操作、易于自控、易维修(因为只是用压力作为膜分离的推动力)，特别适用于对热敏感物质的分离、分级、浓缩与富集(因为分离过程只需在常温下进行)。目前,在世界范围内已开发研制出的有机膜主要有微滤膜(MF) 、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF) 和反渗透膜(RO)。其中的微滤(MF) 和超滤(UF) 因不能脱除各种低分子物质,故单独使用时不能称之为深度处理。反渗透(RO) 和纳滤(NF) 作为水及其他液体分离膜之一,在分离膜应用领域占有重要的地位。4 电透析法（ED）技术电透析法亦属薄膜程序之一种，利用电极产生电流来分离阴阳离子，再透过半透膜去除阴阳离子，最后产生干净水与浓缩废液两股水，早期用于盐水的去矿化处理后制成为饮用水。商业化的电透析制程开始于1960年代，比逆渗透制程约早10年，技术以至成熟。其中往复式电透析法(EDR)可大幅改善积垢的问题。1980年代因使用脂肪质阴离子薄膜之缘故，往复式电透析法更得以有效解决各种问题，包括悬浮物质、有机物、含矿物质之排放等。电透析法运用的最大限制于其所能处理之原水盐度上限较其它除盐方法来的低，若原水导电度超过10,000S/cm，则所增加之ED耗电量使其造水成本与其它方法比较就失去竞争性。1970年代，复式透析法(EDR)改变了传统电透析法的缺点。事实上EDR与ED为相同的制程，唯一区别是EDR的直流