饮用水处理综述

给水处理工程作业系部化学工程技术学院班级给排水111班姓名李学号113210911徐州工业职业技术学院二O一二年饮用水处理综述摘要水是生命之源，是地球上一切生物维持生命的必要条件之一。当水体受到人为因素或自然因素的影响而使水质发生改变时，将影响水的正常和有效利用，并使生态环境遭到破坏，甚至危害人体健康。虽然从总量上看我国水资源丰富，地表水资源量居世界第六位，但由于我国人口众多，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4，因此属于水资源相对贫乏的国家。此外，由于我国水资源地区分布不均衡，水体污染不断加剧，使得有些地区可利用的水资源十分有限。这些情况不仅影响人们的正常生活和身体健康，也制约了经济的发展。因此，在我国经济建设不断发展的同时，做好环境保护工作防止水体污染，采用和推广先进、可行的饮用水处理技术，提高饮用水质量，对保护人民健康和发展经济具有重要意义。关键词饮用水安全处理综述第一章常规处理技术11饮用水常规处理技术简介饮用水常规处理技术及其工艺在20世纪初期就已形成雏形，并在饮用水处理的实践中不断得以完善。饮用水常规处理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等。饮用水常规处理工艺所使用的处理技术有混凝、沉淀、澄清、过滤、消毒等。由这些技术所组成的饮用水常规处理工艺目前仍为世界上大多数水厂所采用，在我国目前95以上的自来水厂都是采用常规处理工艺，因此常规处理工艺是饮用水处理系统的主要工艺。混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难于自然沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒相互聚合，形成大颗粒絮体（俗称矾花）。沉淀使将混凝形成的大颗粒絮体通过重力沉降作用从水中分离。澄清则是把混凝与沉淀两个过程集中在同一个处理构筑物中进行。过滤是利用颗粒状滤料（如石英砂等）截留经过沉淀后水中残留的颗粒物，进一步去除水中的杂质，降低水的浑浊度。消毒是饮用水处理的最后一步，向水中加人消毒剂（一般用液氯）来灭活水中的病原微生物。在以地表水为水源时，饮用水常规处理的主要去除对象是水中的悬浮物质、胶体物质和病原微生物，所需采用的技术包括混凝、沉淀、过滤、消毒，典型的以地表水为水源的净水厂处理工艺流程如图1所示图1以地表水为水源的自来水净水厂典型处理工艺流程在以地下水为水源时，饮用水常规处理的主要去除对象是水中可能存在的病原微生物。对于不含有特殊有害物质（如过量铁、锰等）的地下水，饮用水处理只需进行消毒处理就可以达到饮用水水质要求。图2以地下水为水源的自来水厂典型工艺流程饮用水常规处理工艺对水中的悬浮物、胶体物和病原微生物有很好的去除效果，对水中的一些无机污染物，如某些重金属离子和少量的有机物也有一定的去除效果。地表水水源水经过常规处理工艺处理后，可以去除水中的悬浮物和胶体物，出厂水的浊度可以降到LNTU以下（运行良好的出厂水浊度可在03NTU以下）。经过良好消毒的自来水可以满足直接生饮对微生物学的健康要求。饮用水常规处理技术及其工艺在过去的百年中对于保护人类饮水安全、促进社会经济的发展发挥了巨大的作用。12常规处理工艺的局限性在工业化和城市化尚不发达的时期，天然水体很少受到人类大规模活动的污染，饮用水水处理的主要对象是水体中的泥沙和胶体物质，以及少量的病原微生物。水源水经过常规处理后就可以得到透明、无色、无臭、味道可口的饮用水，那时饮用水处理的任务主要是去除水中的浊度和保证饮用者免受水传播疾病的危害。随着工业和城市的发展，以及现代农业大量使用化肥和农药等，越来越多的污染物随着工业废水、生活污水、城市废水、农田泾流、大气降尘和降水、垃圾渗滤液等进入了水体，对水体形成了不同程度的污染，水中的有害物质的种类和含量越来越多。目前饮用水处理面临的问题，除了原有的泥沙、胶体物质和病原微生物外，主要有有机污染物、高氨氮、消毒副产物、水质生物稳定性等。有机污染是受污染水源水饮用水处理面临的首要问题。人类合成的有机物中的相当大的一部分会通过工业废水和生活污水进人水体；未经处理的生活污水中也含有大量的人体排泄的有机污染物；农田泾流中含有化肥、农药；近年来引起人们普遍关注的二噁英、内分泌干扰物质（环境激素）等污染物质也有可能存在于饮用水中。这些人工合成的和天然的有机物中有许多对人体健康有着毒理学影响，一些有机物（例如腐殖酸、富里酸等）还会在饮用水的处理过程中与所加入的消毒剂（例如氯）反应，生成具有“致突变、致畸、致癌”三致作用的消毒副产物，如三卤甲烷、卤乙酸等。对于有机污染物，常规水处理技术及其工艺的去除作用十分有限，国内外的研究结果和实际生产结果表明，以去除水中泥沙和胶体物质而发展起来的混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺只能去除水中有机物的20）左右，特别是对于水中溶解状的有机物，除了极少量的有机物会被吸附在矾花和滤料表面上，常规处理工艺基本上没有去除效果。我国许多水厂都采用折点氯化法进行消毒，对于氨氮过高的水源水，在加氯消毒时为了获得自由性余氯必须投加大量的氯来分解氨氮，使水的加氯量大大增加。高的加氯量更加重了产生消毒副产物的问题。饮用水的水质生物稳定性问题是20世纪90年代提出的。理想的饮用水中应该不含有有机物，因此异养微生物无法在自来水中大量繁殖。传统的消毒理论认为，在已消毒的水中保持有一定浓度的剩余消毒剂的条件下，水中微生物无法再繁殖，从而保证自来水在自来水配水管网系统中的生物稳定性。但是近年来的研究表明，如果自来水中含有一定量的可以被异养微生物作为基质利用的有机物，则此种自来水为生物不稳定的水，即使在水中保持一定浓度的剩余消毒剂，仍然存在着较高的微生物再繁殖的风险。特别是对于超大型城市配水管网和高位水箱，由于存在水的停留时间过长、剩余消毒剂被完全分解的可能性，生物稳定性差的饮用水更容易出现管网或水箱中微生物再繁殖的问题。近年来，我国水污染的状况十分严重。根据国家环保总局发布的2000年中国环境状况公报，我国七大重点流域地表水普遍受到有机污染，各流域干流的断面满足地表水三类及其以上水体水质要求的为577，216的断面为四类水质，69的断面属五类水质，138的断面属劣五类水质，主要污染指标为高锰酸盐指数和氨氮；主要湖泊富营养化程度问题突出，如太湖、滇池、巢湖等，氮、磷、高锰酸盐指数严重超标；全国多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染，局部地区地下水部分水质指标超标，主要有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、PH值等。可以说，水源受到不同程度的污染是困扰大多数自来水厂的普遍问题。另一方面，随着对于饮水与健康关系的研究的不断深入和生活水平的提高，人们对于饮用水水质的要求也在不断提高。例如，在我国卫生部颁布的于2001年9月1日实施的新的生活饮用水水质卫生规范中，设定了水质常规检测项目34项，非常规检测项目62项。与原来的生活饮用水卫生标准（GB574985）的35项指标相比较，检测项目增加了很多，并且许多项目的指标更加严格。对于许多水源受到污染的水厂，常规处理工艺已经无法解决水源不断恶化、而饮用水水质标准不断提高的矛盾。必须在现有常规处理技术与工艺的基础上，发展新的水处理技术与工艺。从20世纪70年代开始，经过几十年的努力，国内外水处理工作者已经研究开发出许多水处理的新技术新工艺，并且己有大量的工程应用，取得了较好的净化效果。第二章深度处理技术当饮用水的水源受到一定程度的污染，又无适当的替代水源时，为了达到生活饮用水的水质标准，在常规处理的基础上，需要增设深度处理工艺。应用较广泛的深度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜分离技术等。21活性炭吸附211活性炭处理概念及其优缺点活性炭是一种具有较大吸附能力的多孔性物质,它是一种非极性吸附剂，对水中非极性、弱极性有机物质有很好的吸附能力，其吸附作用主要来源于物理表明吸附作用，如范德华力等。对于物理吸附，它的选择性低，可以多层吸附，脱附相对容易，这有利于活性炭吸附饱和后的再生。活性炭在高温制备过程中，炭的表面形成了多种官能团，这些官能团对水中离子有化学吸附作用，因此活性炭也可以去除多种重金属离子。其作用机理是通过络合鳌合作用，它的选择性较高，属单层吸附，并且脱附较为困难。活性炭吸附是在常规处理的基础上去除水中有机污染物最有效最成熟的水处理深度处理技术。早在20世纪50年代初期，西欧和美国的一些以地表水为水源的水厂就开始使用活性炭消除水中的色、臭。直到目前，西欧以地表水为水源的水厂绝大多数仍采用活性炭吸附，以去除水中的微量有机污染物、色、臭等，对于需要长年吸附运行的水厂，一般均采用粒状炭过滤，粉状炭主要用于季节性投加的场所。我国从20世纪70年代末、80年代初开始，也有少数水厂采用了粒状活性炭吸附深度处理技术。活性炭吸附对水中多种污染物有广泛的去除作用。活性炭可以有效去除引起水中臭味的物质，如土臭素（GEOSMIN）、2甲基异莰醇（MIB）等。对芳香族化合物、多种农药等有很好的吸附能力。对许多重金属离子，如汞、六价铬、镉、铅等也有较好的吸附效果。活性炭对水中致突变性物质有较好的去除效果，多项研究表明，致突变活性检测为阳性的水经过活性炭吸附后致突变活性转为阴性。美国环保局（USEPA）推荐活性炭吸附技术作为提高地表水水源水厂处理水质的最佳实用技术。但是活性炭吸附也有一定的局限性。对于三卤甲烷类物质，活性炭的吸附容量较低，如果以三卤甲烷穿透作为活性炭滤床运行周期的终点，炭床的再生周期一般只有3个月左右，而炭床吸附有机物的能力一般可以保持一年以上。活性炭对消毒副产物的前体物的去除作用也有限。试验研究表明，饮用水处理中活性炭吸附去除的有机物的分子量主要分布在5001000U（道尔顿）之间，分子量过大的有机物无法进人活性炭的微孔吸附区，饮用水水源水中分子量较小的物质多含有较多的羧基、羟基等，分子的极性较强，因活性炭属于非极性吸附剂，对极性分子的吸附作用较差。212活性炭在饮用水处理中的应用饮用水深度处理水源水常规处理粉状炭吸附消毒出厂水水源水常规处理臭氧氧化粉状炭吸附消毒出厂水水源水常规处理臭氧氧化生物活性炭消毒出厂水饮用水物化预处理在饮用水物化预处理中，主要使用粉状炭吸附水中的有机物和有异臭、异味的物质，与混凝剂同时投加。对于季节性严重污染的水源水，可以设立投加粉状炭的水源水质恶化应急处理系统。优质直饮水、纯净水制备22臭氧氧化臭氧是一种强氧化剂，它可以通过氧化作用分解有机污染物。臭氧在水处理中的应用最早是用于消毒，如20世纪初法国NICE城就开始使用臭氧。到20世纪中期，使用臭氧的目的转为去除水中的色、臭。20世纪70年代以后，随着水体有机污染的日趋严重，臭氧用于水处理的主要目的是去除水中的有机污染物。目前欧洲己有上千家水厂使用臭氧氧化作为深度处理的一个组成部分。我国从80年代开始，也有少数水厂使用了臭氧氧化技术。臭氧可以分解多种有机物、除色、除臭。但是因为水处理中臭氧的投加量有限，不能把有机物完全分解成二氧化碳和水，其中间产物仍存在水中。经过臭氧氧化处理，水中有机物上增加了羧基、羟基等，其生物降解性得到大大提高，如不加以进一步处理，容易引起微生物的繁殖。另外，臭氧处理出水再进行加氯消毒时，某些臭氧化中间产物更易于与氯反应，往往产生更多的三卤甲烷类物质，使水的致突变活性增加。某些有机物的被臭氧氧化的中间产物也具有一定的致突变活性。因此，在饮用水处理中，臭氧氧化一般并不单独使用，或者是用于臭氧替代原有的预氯化，或者是在活性炭床前设置臭氧氧化与活性炭联合使用。23臭氧生物活性炭臭氧生物活性炭技术是在欧洲饮用水处理的实践中产生的。在20世纪70年代德国慕尼黑市的DOHNE水厂，在以预臭氧代替了原来的预氯化后，在活性炭滤床中出现了明显的生物活性，从而发展成为臭氧生物活性炭深度处理工艺。在原有水厂普遍采用的预氯化处理的条件下，水中所含有的氯使微生物无法在活性炭床中大量生长。改为预臭氧后，臭氧氧化出水中有机物的可生物降解性大为提高，水中剩余臭氧可以被活性炭迅速分解，加之臭氧氧化出水中的溶解氧浓度较高（因臭氧化气体的曝气作用），使得臭氧后设置的活性炭床中生长了大量的细菌，生物分解水中可生物降解的有机物，由原有单纯进行吸附的活性炭床演变成为同时具有明显生物活性的活性炭床，因此这种活性炭技术被称之为生物活性炭。图3所示为采用了臭氧生物活性炭技术的德国DOHNE水厂处理工艺流程图。图3德国DOHNE水厂处理工艺流程图工艺流程中臭氧氧化的主要目的是用最少量的臭氧尽可能多的使水中不可生物降解的有机物变成可生物降解的有机物，增加被处理水的可生物降解性，为生物活性炭中微生物的降解创造条件，并降低活性炭的物理吸附负荷。臭氧氧化的另外两个有点是可以对被处理水进行充氧和臭氧处理具有微絮凝作用。在生物活性炭床中，活性炭起着双重作用。首先，它是一种高效吸附剂，吸附水中的污染物质；其次是作为生物载体，为微生物的附着生长创造条件，通过这些微生物对水中可生物降解的有机物进行生物分解。由于生物分解过程比吸附过程的速度慢，因此要求炭床中的水力停留时间比单纯活性炭吸附的时间长。与单纯采用活性炭吸附相比，生物活性炭具有以下优点提高了出水水质，通过物理吸附（主要对非极性分子物质）和生物分解（主要对小分子极性物质）的共同作用，增加了对水中有机物的去除效果；降低了活性炭的吸附负荷，延长了活性炭的再生周期，从而降低了处理的运行费用；氨氮可以被生物转化为硝酸盐；出水需氯量低，由此降低了消毒副产物的生成量。比单一使用臭氧氧化法经济。24膜分离技术膜分离技术是从20世纪70年代开始发展起来的水处理新技术，在90年代得到飞速发展，目前被认为是最有前途的水处理技术。膜分离技术是一种以压力为推动力、利用不同孔径的膜进行水与水中颗粒物质（广义上的颗粒，可以是离子、分子、病毒、细菌、黏土、沙粒等）筛除分离的技术。根据膜孔径从大到小排列，可以把膜滤分为微滤、超滤、纳滤和反渗透4种。膜材料主要有乙酸纤维膜、芳香族聚酰胺膜、聚砜膜、聚丙烯膜、无机陶瓷膜等。膜组件的形式主要有板式、卷式、中空纤维、管式等。微滤的孔径为零点几微米到几微米，配合混凝剂的使用，能够去除水源水中的悬浮颗粒、胶体物质和细菌，操作压力为0102MPA。微滤可以替代饮用水常规处理的混凝、沉淀、过滤，在一个设备中实现常规工艺多个处理构筑物才能完成的净水效果。目前微滤技术已经成功地用于小型地表水净水厂。世界上最大规模为每天3万T，我国也已建成数个每天几千吨规模的微滤膜净水厂。超滤膜的孔径在5NM01M之间，可以去除相对分子质量在300300000之间的大分子、细菌、病毒和胶体微粒，操作压力在0110MPA。超滤被广泛用于从工业废水中回收有用物质，如造纸废水中回收木质素，洗毛废水中回收羊毛脂，电泳涂漆废水中回收电泳漆，食品工业废水中回收蛋白、乳清等。在饮用水处理领域，大多数家用净水器（一般构成粗滤粒状活性炭超滤）中都设有中空纤维超滤膜来截留水中的杂质颗粒和细菌。反渗透膜的孔径最小，在23NM以下。除了水分子外，其他所有杂质颗粒（包括离子）都不能通过反渗透膜，因此反渗透膜分离得到的水为纯水。反渗透技术已经广泛用于海水淡化、苦咸水脱盐、工业给水高纯水的制备（电子工业用水、锅炉给水等），近年来迅速发展起来的饮用纯净水、优质直饮水的核心技术就是反渗透。反渗透技术的操作压力较高，必须超过所处理水的渗透压。对于海水淡化，操作压力一般在3MPA以上。对于用自来水制备饮用纯净水，操作压力一般在1MPA以下（根据原水含盐量、纯水收率、膜特性而确定）。纳滤膜的孔径略大于反渗透膜，为几个纳米，操作压力也低于反渗透。纳滤可以截留二价以上的离子和其他颗粒，所透过的只有水分子和一些一价的离子（如钠、钾、氯离子）。纳滤可以用于生产直饮水，出水中仍保留一定的离子，比纯水有益于健康，并可降低处理费用。膜分离技术具有多项优点不需要投加药剂，去除的污染物范围广，可通过选用不同的膜实现预定的分离效果，运行可靠，设备紧凑、易于实现自动控制等。缺点是设备费和运行费高，运行中膜易堵塞，需要定期进行化学清洗，前处理要求较高，存在浓缩液的处理与处置问题等。近年来随着膜材料价格的不断降低，膜分离技术在水处理应用中具有越来越强的竞争力。总结水为地球上的一切生物所必须。是生命之源。水的存在维持了生态系统的平衡，保证了人类获得所需的食物。在社会发展和科技进步的进程中