納濾膜分離水處理技術可提高飲用水安全

水處理技術    時間:2014-03-12 20:41:14
納濾膜分離水處理技術可提高飲用水安全簡介
OFweek環保網訊:飲用水水源水質,隨著社會和經濟的發展,呈現出明顯的時代特徵。為了保證飲用水水質安全,相應的,飲用水處理技術也必須隨著人類文明的……
納濾膜分離水處理技術可提高飲用水安全正文

OFweek環保網訊:飲用水水源水質,隨著社會和經濟的發展,呈現出明顯的時代特徵。為了保證飲用水水質安全,相應的,飲用水處理技術也必須隨著人類文明的進步和社會經濟的發展,不斷地創新和進步。

在經濟發展和工業化水平相對較低的20世紀初及之前,飲用水水源中的污染物主要是懸浮物、膠體以及病原微生物、病毒等,特別是在該時期由於人口相對較少,人類的需水量不大,大部分飲用水水源採用地下水,所以該時期威脅飲用水安全的主要污染物是病原微生物和病毒,即生物安全性。

到了近代,由於社會、經濟、工業,特別科學技術的發展,大量人工合成化學品的問世及使用,導致飲用水水源的水質惡化(現代先進的水質檢測技術可以分析出絕大部分污染物)。而與水源水質相適應的飲用水處理技術的發展相對滯后,導致人們對飲用水安全的擔憂。1974年以來,美國在飲用水中發現2100種化學物質,其中190種是可疑的,99種致癌或可疑致癌物,82種致突變物,28種急性或慢性致毒物。美國環保局(簡稱美國EPA,USEPA)對全國範圍的飲用水進行檢測,發現氯化消毒的飲用水中普遍含有鹵代烴類,在被檢測的289種化合物中,有111種鹵代有機物。我國自改革開放以來,經濟發展迅速,而城市污水和工業廢水的治理跟不上經濟的發展,未經處理的污水直接排入水體,加上農藥和化肥的濫用,導致飲用水源水質不斷惡化。對全國35個江段有機污染物的調查結果發現,水體中痕量有機物種類繁多,致癌、致畸、致突變的“三致”物超標倍數高。在7個流域的14個典型江段中共檢出197種有機化合物,其中致癌化合物25種,屬於USEPA的優先污染物53種。我國南方某水源中多種有機氯農藥共存,仲丁威、阿特拉津常年存在。近代水源水質的這些顯著的特徵,是對飲用水安全,以及飲用水處理技術的嚴峻挑戰。

當前人類已經進入21世紀,科學技術的發展已經達到了前所未有的高度和水平,人們的生活水平也空前提高。科學的發達和產業化浪潮,雖然給人類帶來物質文明,但也導致人們對化學品的過度依賴。例如,為了使牛、羊多長肉、多產奶,人們給這些牲畜體內注射了大量雌激素;為了讓池塘里的魚蝦迅速生長,養殖戶添加了“催生”的激素飼料;為了促使蔬菜、瓜果的個頭大,提前進入市場,菜農和果農們不惜噴洒或注射一定濃度的乙烯利、脫落酸等“催生劑”。這些人工合成化學品在工業、農業生產和人們日常生活中的廣泛應用,雖然獲取了暫時的利益,但是也使人類賴以生存的環境蒙受了巨大危害。目前從地表水水源、污水處理廠的出水、甚至飲用水中都檢測出了有別於一般化學品的新興污染物,這些污染物包括環境激素(也稱內分泌干擾物,EDCs);藥品和個人護理品(PPCPs)類化合物,尤其備受關注的是具有藥物活性的化合物(PhACs);等等。這些新興污染物較一般的化學污染物的危害更大,其含量在非常小的情況下(幾十萬分之一或更小的含量),就可以引起生物免疫功能紊亂而導致許多人們意想不到的疾病甚至癌症;可以引起生物生殖系統紊亂和生殖系統疾病(諸如引起生物雌雄同體現象或最終導致不孕不育而走到滅絕的境地);也可以引起生物神經系統紊亂而使生物自殺現象日趨嚴重或患有精神病人數屢屢增加。如何有效地去除飲用水源中這些新興污染物,使飲用水水質滿足新的飲用水衛生標準(GB5749-2006)要求,是當前飲用水處理中面臨的嚴峻課題。

聯合國把飲用水的安全保障和基本衛生設施的擴大,作為千年計劃目標(MDGs)之一。這說明,保證飲用水安全是聯合國實現MDGs其他目標——諸如削減貧窮和飢餓、保障衛生保健、普及教育、性別平等和可持續發展等目標,所必須具備的重要條件。因為目前世界上還有11億人口不能使用安全的飲用水,特別是在撒哈拉沙漠以南的非洲地區,這方面的設備投入進展緩慢,但是人口卻激增,實現飲用水安全保障目標非常困難。

目前我國飲用水處理工藝大多仍然採用常規處理工藝——混凝、沉澱、過濾和消毒,該工藝處理的主要目標污染物是懸浮物和細菌等,但對病原微生物(如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲,常稱為兩蟲)不能可靠去除。而微濾(MF)?超濾(UF)可以可靠分離賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲等耐氯性生物和浮游生物,是混凝沉澱砂濾工藝的理想替代工藝,目前利用者在迅速增加。砂濾工藝在分離隱孢子蟲時3log是分離極限,但是MF/UF分離可以達到5-6log的高去除率,已經可作為通用水處理技術進行推廣。但不論是砂濾還是MF/UF分離都屬於固液分離工藝,並不能期待利用它們可以有效地去除水中的有機物(包括新興污染物)。

不過與鋁系混凝劑相比,鐵系混凝劑具有更高的有機物去除率,因此,在強化常規飲用水處理工藝處理有機物時,考慮用鐵系混凝劑替代鋁系混凝劑是一個很好的選擇。

為了有效地去除飲用水水源中的各種有機污染物(包括新興污染物),特別是那些對人類健康具有現實或潛在危害的有機物,以及可以產生有毒有害消毒副產物的有機物,研究人員已經開展了大量的研究,並開發出很多處理技術,其中高級氧化技術,以及臭氧/生物活性碳工藝就是這些飲用水深度處理技術的代表。目前由於臭氧/生物活性炭工藝在去除水源中消毒副產物前質、降解水中各種穩定化學污染物、破壞產生異嗅異味物質的分子結構以及有效滅活水中各類病原微生物等方面具有較好的效果,再加上其工藝相對比較簡單、經濟,所以在飲用水深度處理中得到比較廣泛的應用。不過需要指出的是,臭氧—生物活性炭工藝也存在明顯的不足。單獨的臭氧氧化對一些穩定性的農藥類物質、有機鹵代物的分解效率很低,這時,往往需要使用高級氧化技術(如臭氧/過氧化氫技術)等。另外,當原水中存在一定濃度溴離子時,臭氧處理會產生具有強致癌性的溴酸鹽。溴酸鹽生成控制及降解技術的研究,目前是飲用水處理領域的熱點。除此之外,由於臭氧/生物活性炭工藝中,炭池中微生物及水生動物的生存環境好,導致炭池中的微生物、微型水生動物,特別是病原微生物(如病毒、病原菌、“兩蟲”、攜帶寄生蟲的後生動物等)數量的過度孳生,並代謝產生有毒物質。由於微型水生動物是某些病原微生物的寄主,其大量增殖,會進一步導致病原微生物的增加,從而增加了病原微生物從炭池泄漏的可能性。另外,由於目前臭氧/生物活性炭通常是置於砂濾池之後,故炭池中的生物活性炭顆粒容易泄漏到出廠水中,而該炭粒包裹的微生物,對消毒劑的滅活起保護作用,將大幅度降低處理水的消毒效果。因此,臭氧/生物活性炭的處理水存在生物安全風險。

納濾(NF)膜是20世紀80年代末期發展起來的一種新型分離膜,其特點主要有兩個:一是它的截留分子量(MWCO)介於反滲透膜和超濾膜之間,約為200-1000Da(孔徑0.5-1.0nm),兼有反滲透(RO)和UF的特點;二是因其表面分離層由聚電解質構成(帶電荷),而使得它對無機電解質具有一定的截留率。即納濾膜是一種具有納米級帶電微孔結構的分離膜,其在應用過程中具有兩個顯著特性:一是篩分效應,可以截留小分子量的中性溶質——有機物和病毒;二是對於不同價態的陰離子具有篩分和電荷雙重效應(電荷效應又稱為Donnan效應,即離子與膜所帶電荷的靜電相互作用),這就是納濾膜在很低壓力下(相對反滲透的高壓)仍對離子型無機物具有一定截留率的重要原因。由於納濾分離兼有RO和UF的特點,可以同時去除水中有機物和無機離子,所以將納濾膜用於飲用水深度處理,可以將水中的有機物(包括溶解性有機物和新興有機污染物)和有害無機物等一次性同時去除,但保留對人體有益的礦物質;而且運行管理和MF/UF膜分離一樣可以簡單地實現自動控制,既可用於人力資源缺乏的小型水廠,又可作為臭氧/生物活性炭的替代工藝在大型水廠應用;並且納濾分離是一種“清潔”的分離技術(沒有副產物)。所以,以納濾膜為基礎的飲用水處理工藝,可能是臭氧/生物活性炭的理想替代工藝。事實上,目前在以國際河流為水源的歐洲國家,為了應對由蒸發殘留物等問題引發的諸多水處理問題,已經開始實施由臭氧/生物活性炭工藝向以納濾分離為基礎的飲用水處理工藝轉換。

納濾膜在大型飲用水深度處理中應用存在的主要問題,首先是現有納濾膜的操作壓力大(0.5-1.0MPa),電耗高;其次納濾膜的通量低(10-30L/m2.h),膜設備的投資大;納濾膜的有機和無機污染嚴重,運行費用高,操作管理複雜;並且納濾膜的預處理要求高,預處理工藝組成複雜。

降低納濾膜的操作壓力主要有三種途徑:一是製備多層複合膜,並使用親水性的支撐層;二是採用超薄的、高親水性的膜皮層(分離層);三是通過引入功能性的化學基團,達到既能降低膜壓力,又能保證膜通量及污染物截留率的目的。

降低納濾膜的成本,包括降低膜設備投資和運行費用。納濾膜設備的價格主要與製備膜的原料及膜通量有關,通過開發廉價的新型膜材料,並製備高通量的納濾膜組件,可以降低納濾膜設備的投資;運行費用主要決定於膜的操作壓力(電費)和膜的壽命(換膜周期)。

納濾膜污染一方面會使膜通量降低(恆壓運行),導致設計的膜設備數量增加;另一方面膜污染會使納濾膜操作壓力增大(恆流量運行),運行費用(電費)提高。控制納濾膜污染的方法,一是將膜與其他處理工藝組合,去除可以對膜產生污染,特別是不可逆污染的污染物;二是優化膜系統的運行參數;三是研究各種有效的清洗方法(包括物理清洗和化學清洗),恢復污染膜通量;四是開發新型抗污染膜材料。

目前就降低納濾膜的操作壓力、提高膜通量、控制膜污染以及簡化預處理工藝等方面的研究很多,但是建立在納濾膜與污染物相互作用機理基礎上的新型膜材料及相應的製備技術的突破是解決這些問題的關鍵。

經濟發展和產業化浪潮給人類帶來物質文明的同時,也使人類蒙受了很大危害。其中水源嚴重污染,進而導致飲用水的安全性危機就是典型的危害。針對目前十分嚴峻的飲用水水源污染的現狀,開發可靠、經濟、簡便的,與水源水質相適應的飲用水深度處理技術,保證飲用水安全是目前亟待解決的重要課題。納濾膜兼有RO和UF的特點,可以將水中的有機物和有害無機物等一次性同時去除,保留對人體有益的礦物質;便於實現自動控制;並且納濾分離是一種“清潔”的分離技術(沒有副產物),是臭氧/生物活性炭的理想替代工藝。不過,建立在納濾膜與污染物的相互作用機制基礎上的新型膜材料及相應的製備技術的突破是納濾膜在飲用水深度處理領域中推廣應用的關鍵。

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