生活饮用水处理技术的发展

Posted 2023-01-12 活性炭

篇首语：读不在三更五鼓，功只怕一曝十寒。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了生活饮用水处理技术的发展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

生活饮用水是与我们每个人都息息相关的话题。随着我国经济建设的不断发展，人们对于饮用水水质的要求也越来越高。国家在2007年颁布了最新的《生活饮用水卫生标准》，也对净水厂的饮用水处理工艺提出了更高的要求。文章是针对生活饮用水处理技术的探讨，分析饮用水处理技术的发展历程，从常规的处理工艺逐步深化，分析饮用水深化处理技术的应用。
生活饮用水主要是指人们的生活用水和食用水，通过饮水和食物经口摄入体内，并可以通过洗漱、洗涤物品或沐浴等生活用水接触皮肤或呼吸摄入人体。生活饮用水的处理则是指采用一定的物理、化学及生物方法，除去水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等，以满足生活饮用水质的标准。在20世纪初期，关于饮用水的处理就已经形成了基本的常规工艺，即混凝→沉淀或澄清→过滤→消毒，它组成了饮用水处理技术的主要系统构架。在20世纪60年代以前，人类的生存活动对于自然环境的影响还不太明显，水中的污染物主要是悬浮物、胶体杂质和细菌等。因此该工艺作为常规的处理方法，在各类案例中几乎都可以满足净化水质达到饮用水质的标准。但随着人类文明的进步以及工业化的不断发展，人类生活、生产过程中产生的污水其受污染程度越来越严重，以至于常规的处理方法远不能达到饮用水处理的效果。因此，从20世纪七八十年代开始，可以说是水污染的严重性和污染物的复杂性加速了饮用水处理技术的进步。人们为了获得干净、卫生的饮用水，针对污染水源中不同类型的污染物展开了深入的研究和技术探索。目前，关于饮用水的处理技术或者处理环节，可以归纳为三个方面，即：强化常规处理、原水预处理和深度处理技术。其中强化常规处理工艺是指在原有的常规处理工艺上予以加强，减轻后续深化处理步骤的负担。
1.饮用水常规及预处理技术介绍
目前国内常规的处理工艺有混凝、沉淀、过滤和消毒等。除此之外，针对特殊的污染物还有不同的强化处理技术。混凝原理主要是利用混凝剂的投加，使水中不容易沉淀的悬浮物和胶体颗粒相互聚集，形成絮体矾花。常用到的混凝剂有硫酸铝和聚合氯化铝，尤其是在矿井水质中，根据对多组矿井水质做的实验表明，这种无机高分子混凝剂对于矿井水的水温及pH变化适应性很强，其去除浊度的效果相比于硫酸铝有显著的优势。沉淀则是指将混凝过程中形成的大颗粒矾花通过重力沉降的作用从水中分离出去。过滤是指利用颗粒状的滤料如石英砂等，将沉淀后水中的残留颗粒物进行截留，从而进一步去除水中的杂质，降低水的浊度。最后一个环节是消毒，它通过向水中加入液氯等消毒剂，来消灭水中的病原微生物。针对具体的处理方法，生活饮用水处理又可以分为化学方法、物理方法、生物方法和气体膜分离法等。
1.1 物理方法
1.1.1活性炭是一种多孔炭素材料，有着巨大的比表面积和很强的吸附能力。活性炭主要应用在饮用水的预处理环节中，通常使用粉状活性炭来吸附待处理水中的有机物和异臭、异味的物质，预处理环节可以减轻后续水处理的负担。活性炭吸附是去除水中溶解性有机物的有效方法之一。对于季节性严重污染的水源，还可以设立投加粉状炭的水源水质恶化应急处理系统。活性炭在饮用水处理中的应用流程可以表示为：

1.1.2热力法。热力法可分为高温蒸馏和低温冷冻两类处理方式。蒸馏法以消耗热能为代价，通过对含盐水进行热力脱盐达到淡化处理的效果，适用于含盐量超过3000mg/L的矿井水处理。冷冻法则是利用了冷冻分离的固液相平衡原理，在冷环境中将溶液降温到水的凝固点以下，使得部分水冻结形成冰晶，利用溶液中溶质的凝固点远低于水的凝固点的物理特性，使水先于杂质而以固体形态析出，将杂质排除在外，分离固液相。然后再融化冰晶，就得到了比较纯净的水和浓缩液。在工业水污染处理中，用此方法得到的浓缩液可以提纯成为工业用品或者集中处理，冰中的冷量可以用来预冷污水以及提供空调、冷库的冷源，融化的水比较纯净，处理后可以再利用，从而降低排放甚至达到零排放。
1.2 化学方法——臭氧技术
1.2.1臭氧是一种很强的氧化剂，它可以通过化学氧化作用来分解水中的有机污染物。臭氧可以分解多种有机物、除臭、除色等。但是臭氧在水处理时投加量有限，不能把有机物完全分解成为水和二氧化碳，反应中产生一些中间产物仍存在于水中。经臭氧处理过的有机物增加了羧基等，其生物降解性大大提高，如不进一步处理，则容易引起微生物的繁殖。另外，在对臭氧处理过的污水进行加氯消毒时，被臭氧作用的一些中间产物容易和氯进行化学反应，生产三卤甲烷类物质，使污水的突变活性增强。因此，在饮用水处理过程中，臭氧一般不会单独使用，可以在活性炭床前设置臭氧氧化与活性炭联合使用，也可以用臭氧代替原有的预氯化。
1.2.2针对酸性污水处理，目前最常使用的方法是用石灰石、大理石、石灰等碱性物质作为中和剂，利用化学酸碱中和方法来进行污水处理，其中尤以石灰石中合法最为普遍。石灰石中合法的处理装置有三种形式，分别是中和滚筒法、升流膨胀过滤法及曝气流化床处理方法。滚筒法是指将酸性矿井水装在滚筒中，以石灰石做中和剂进行处理的方式，滚筒出水经沉淀后可排出。升流膨胀过滤则是以直径小于3mm细小的石灰石颗粒为滤料，酸性水自滤池底部进入，使滤料膨胀，从而使中和反应沿着流线方向连续不断地进行，经沉淀后排水。曝气流床法同样是以石灰石为填料，不同的是增加了空压机曝气，当酸性污水进入流化床，与填料石灰石反应时，生产的H2CO3在曝气的作用下分解成CO2和H2O，达到中和处理的效果。其出水经过沉淀后可以排放。曝气除了能溶氧和散除CO2以外，还可以避免中和反应时产生的CaSO4和Fe(OH)3包在石灰石颗粒表面。
1.3 生物法
在一些污水预处理阶段，通常使用生物预处理工艺，借助于微生物的新陈代谢活动，将水中的氨氮、有机污染物、亚硝酸盐、铁、锰等污染物进行初步的去除，以减轻后续深度处理的负担。
常用的饮用水生物预处理方法有生物接触氧化法和淹没式生物滤池法。生物接触氧化法采用弹性填料或纤维束填料，微生物依附在填料表面，池子设置穿孔曝气管以供生物处理所需的氧气。淹没式生物滤池法则是采用陶粒填料作为生物生长的载体，在滤料下增加穿孔曝气系统供氧。水的流向多采用升流式，滤池定期进行气水反冲洗，洗去截留的悬浮物和多余的生物膜。淹没式生物滤池的优势在于填料的比表面积大、生物量高，对氨氮和有机物有着较好的处理效果，同时有过滤作用和较好的除藻功能，可承受一定的进水悬浮物浓度等，其不足之处在于建设费用要高于生物接触氧化法。
2.饮用水深度净化处理技术
2.1 膜分离法
膜分离技术在水处理中的应用有电渗析和反渗透技术，尤其是电渗法在我国煤矿系统中有较多的应用案例。电渗法主要依靠外加直流电场，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。针对于含盐量较高的污染水源，在通过电渗析分析器处理后，可得到浓缩液和淡化水。其淡化水的量通常为污染水进水总量的50%～70%之间，可见其回收率不是很高。当进水含盐量小于4000mg/L时用此法较为经济。
反渗透法则是借助于半透膜在压力作用下进行物质分离。该方法可以有效去除污水中的低分子有机物、无机盐、病毒以及细菌等。同电渗析法比较，反渗透法的优势在于产品水回收率高、脱盐率和水的纯度高、投资费用低、无污染等，缺点是操作压力高、能耗大、设备较复杂、对进水水质要求高等。此外，膜分离技术还可以与其他处理工艺联合使用，现行的许多水处理工艺都是通过膜技术发展起来的。因此，膜分离技术在21世纪的发展中被业界广为看好。
2.2臭氧活性炭和生物活性炭
臭氧活性炭技术是将活性炭与臭氧结合在一起加以应用。活性炭主要是用于去除水中的小分子有机物，但受污染水源中通常是大分子有机物较多，这样就导致活性炭孔的表面积不能得到充分利用。所以在碳层中加入臭氧的氧化作用，主要作用就是将水中的大分子有机物转化为小分子，改变其分子的结构形态，从而为活性炭吸附小分子有机物提供可能性。通常在处理过程中，对来水先进行臭氧氧化，然后使用活性炭吸附，在吸附的过程中继续对其氧化，这样可以有效提高活性炭的吸附效果。相对于单独的活性炭吸附处理工艺，臭氧活性炭技术主要有以下优点：
(1)增加水中溶解性有机物的去除效率，提高出水水质；
(2)臭氧氧化使得大孔内与炭表面的有机物得到氧化分解，减轻了活性炭的负担，从而延迟活性炭的再生周期，节约成本；
(3)污水中的氨氮可以被生物转化为硝酸盐。从而减少了后续氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量。目前，臭氧活性炭处理技术广泛应用于我国一些水厂和工业水处理工艺中。
2.3 超声技术
超声技术是指利用空化能量加快和控制化学反应，提高反应效率的一种水处理工艺。超声波能加快反应进场的作用原理主要有空化效应、机械剪切效应和自由基效应等。反应中，超声能够破坏颗粒双电层的球形对称，使颗粒之间更易于凝聚；超声技术的高频振动特性在溶液中空穴附近形成热点，使进入空化泡中的水蒸气发生了分裂及链式反应，形成H和-OH自由基。同时，强大的剪切力又可使大分子主链上的碳键断裂，从而起到降解高分子的作用，自由基进入溶液促使物质氧化分解。在实践中，超声技术与一些高级氧化技术通常一起应用，在降解污染水中有机物方面是一门新的应用技术。其特点在于反应时间短、去除效果好、提高废水的可生化性、工艺设施简单等。
3.水处理技术应用案例分析
据了解在山西省某化工企业经营的项目中，针对工业生产污水，企业在2007年建立了一套简单的污水处理系统，对企业生产中的工业废水进行处理，经有关部门对出水进行指标检测，合格之后出水排入了市政管网中。但从2010年开始，企业周围的村民反映，该地区地下水位不断下降，且水质较以前有明显的恶化现象。对此，该化工企业在聘请了专家检验之后，发现工厂的用水量过大，污水处理系统有漏水的地方，导致地下水位下降并且部分水源受到污染。后经企业领导决定，在原有的污水处理设备上进一步改造，对出水的矿化度和一些离子进行深化处理，以满足国家饮用水的标准，从而解决生活饮用水资源紧张的问题。
工厂中原有的水处理系统为典型的常规处理，即混凝→沉淀→过滤→出水。经检测出水水质中CL-、SO42-以及溶解性总固体(TDS)、总污染指数(SDI)指标超出饮用水规定。后经专家学者研究决定，污水深化处理工艺采用反渗透处理技术。反渗透水处理技术主要是利用高于溶液渗透压的作用，根据其他物质不能透过半透膜的特点而将其分离出来。反渗透技术中的膜孔非常小，仅为10A左右，反渗透膜元件在选择透过淡水的同时，其浓水侧溶解固形物浓缩，出现因浓度积大于溶解度平衡常数而在膜表面结晶析出。反渗透技术主要依靠压力来作为处理的动力，系统中其外界压力来自两台并联着的高压离心泵。在反应进行前，为了确保反渗透工艺稳定进行，要在原水进入前增加多介质过滤器装置，并且采用过滤精度为5μm的精密过滤器进行保安过滤，以保证待处理的水质符合反渗透膜的进水要求。经试验得出，待深化处理的污水原SDI值在15左右，经过多介质过滤器以及精密过滤器的处理之后，出水水质可满足反渗透进水≤5的要求。同时设备运行期间，为了延缓污堵和延长膜元件的使用寿命，在反渗透装置前设置阻垢剂加药装。其整个工艺流程步骤如下：

该系统在试运行3个月之后开始正式运行，其处理效果不仅提高了企业的经济效益，企业不用像之前那样花取高成本抽地下水使用，而且更为有价值的是处理过的水满足国家饮用水标准，可以为周围居民提供生活饮用水，解决了地区用水紧张的问题，提高了水资源的利用效率，符合国家提倡的可持续发展战略。
4.结语
目前我国的生活饮用水处理已经得到了足够的重视。随着经济建设的发展，各城市也加大了生活饮用水处理工艺上的经济投资，重点是能够全面提高水质的集成化成套安全优质饮用水净化处理工艺技术。城市生活饮用水处理工艺在今后的发展中，应将重点放在低能耗、绿色环保、多功能净水作用以及可显著提高饮用水水质的除微污染成套工艺技术上，同时重点发展高效优质除污染技术，强调技术与设备的系列化、成套化、标准化。