深度净化——饮用水的革命

2020-08-30 09:37:42 168

中国电子学会高纯水委员会主任安鼎年 天津市卫生防病中心主任医师董善亨

世界水资源专家认为:纳滤水是21世纪的最佳饮用水,在我国,纳滤膜制备饮用水的研究已被列入“十五”863计划。

水净化技术的发展历程

饮用水的净化技术与工程设施,是在人类与水源污染及由此引起的疾病所做的长期斗争中产生和发展起来的,它的发展称之为饮用水革命。回顾从1804年在英国的佩斯利( P aisley)建成世界上第一座城市慢砂滤池水厂至今190余年来,饮用水革命可以分成二个显著不同的阶段。

第一阶段:19世纪,欧美一些国家由于排出的污水、粪便和垃圾等使地表和地下水源受到污染,造成霍乱、痢疾、伤寒等水传染病的多次大规模的爆发和蔓延,夺去成千上万人的生命。这些惨痛教训,促进了饮用水的第一阶段革命。从19世纪初到20世纪60年代,饮用水的净化主要是以除去原水中的浊度和杀灭水传染病原菌为目的,其代表的处理流程是混凝沉淀→砂滤→投氯消毒,称为普通净水技术。它基本上消除了上述水传染病的爆发。

第二阶段:自20世纪60年代以来,随着工业和城市的迅速发展,饮用水源不仅受到越来越多的城市污水和工业废水等点污染源的污染,而且还受到更难控制的非点污染源的污染,给水中带来了难以或不能生物降解的有机物。例如,美国环保局从自来水中分析出的154种有机污染物中有80%是难以或不能生物降解的。尤为严重的是由于水中有机物的增多,通用的氯化消毒会产生多种有机卤化物,这些有机卤化物往往比其先质毒性更大。因此,第二阶段的饮用水革命的任务不仅是除去浊度和病原菌,而且还要除去多种多样的有机和无机微量污染物,称为深度净化技术。

我国不仅是一个水资源贫乏的国家,而且是一个水资源受污染严重的国家,78%的城市河段不适宜作饮用水源,50%的城市地下水受到污染,传统的城市给水处理技术已远远不能满足处理微污染水体的要求。生活饮用水水质标准如世界卫生组织 W HO有133项(其中有机物占89项),欧共体( E C)有61项,美国现行饮用水水质基本标准有88项,其中二级标准有15项,执行新标准的日本也有80项,我国卫生部2001年颁布了生活饮用水卫生规范,其中生活饮用水水质卫生规范中有96项指标,其中常规检验34项指标,非常规检验62项指标。众所周知,20世纪科技发展迅猛异常,八九十年代出现了大量合成有机物,还发现了各种有机物的新的有毒机理,这些不可能订入十几年前的水质标准。但是即使按现有的标准来衡量,全国共有9亿人饮用不符合饮用水标准的水。中国预防医学科学院对24个省、市、自治区的1534个监测点作长期调查,结果发现:20%的水样的色度、浊度、铁、锰、砷、氟超标,30%的水样的有机物污染物超标,46.3%—66.2%的水样的大肠杆菌超标。

正是因为水与人体健康的密切相关性及我国饮用水存在一定的问题,在我国进行饮用水的第二阶段革命——发展深度净化技术是完全必要的。考虑到我国的经济状况及饮用水只占城镇供水的1%,把局部自来水进一步净化处理成深度净化水饮用,不仅在经济上十分合理,操作上也完全合理。

饮水现状

近几年来,饮用什么样的水一直是人们关心的问题,自来水或将其烧开对健康是否有益,是否越纯的水越好也成为人们关注的焦点,这就是本文将回答的问题。

一、自来水自来水含有多种有机物,其来源主要为:

1.水源受到有机污染。例如,某河水主要含有难挥发性有机物,有机物总峰数在100左右,1986—1990年共测出有机物216种,其中:腐殖酸0.4—0.9mg/L,叶绿素 a15.31—28.74mg/m3,COD Mn

3.3—5.7mg/L。传统工艺只对悬浮性有机物有较高的去除率,而对溶解性有机物的去除率不高,表现在滤前浊度往往大于3NTU,而滤后浊度很难小于1NTU。

2.水厂净化过程中产生。水厂沉淀池、滤池滤料层的含泥量中有机物的溶出与迁移会带来有机物,更为严重的是由于采用传统的加氯消毒工艺,尤其是水厂为了改进絮凝,提高滤池效率,保证杀菌效果,把加氯点放在混合井、滤前、滤后多点投氯,为氯与水中的有机物(如富里酸、腐殖酸)反应生成 T HMs等消毒副产物创造了条件。根据美国及日本的检测显示,自来水中氯仿含量均比原水中氯仿含量增加五六十倍以上,而且自来水中氯仿绝对值也较高;氯化消毒副产物中卤乙酸( H AAS)是国外近几年关注的重点,因为其“三致”作用较挥发性有机物强, H AAS的单位致癌风险也大大高于三卤甲烷。

3.自来水从水厂出来后,经过冗长的输水管道及水塔、水箱等设施,由于管网腐蚀、泄漏、接触污染,加上余氯与水中的有机物有时间进一步反应,会生成更多的 T HMs,这些会二次污染自来水,恶化了自来水水质。据北京市卫生防疫站的检测,由于二次污染,有15%的自来水超过饮用水标准。

由以上分析可知,自来水不能完全满足健康的要求。

二、开水

将自来水煮开可以杀灭其中的细菌,同时可以将大多数挥发性有机物(如三卤甲烷)在煮沸后除去,但是也将产生下列影响:

1.对于水中的重金属,砷化物,氰化物,亚硝酸盐等有害物质,特别是非挥发性有机污染物(如 H AAS、农药、合成洗涤剂等)会由于煮开后使水浓缩而使各种有害有毒物质的浓度增加,致突变性增加。

2.水经煮沸后,细菌虽被杀死,但其尸体仍在水中,并成为“热源”(一种过敏性物质),饮用后仍会对人体产生不良作用。

3.水烧开后,水中含氧量急剧下降,不利于人体的新陈代谢。

4.破坏水分子的六边形环状结构,不利于人体细胞吸收。水分子有三种结构:链状、五边形环状、六边形环状,而六边形环状结构的水分子与人体细胞最具亲和力,也最利于健康,生水中六边形环状结构的水分子含量较多。

因此,将水烧开并不能完全获得健康有益的水。

三、纯净水

饮用纯净水的定义是:使用符合生活饮用水卫生标准的水为原水,采用蒸馏法、去离子法、离子交换法、反渗透及其他适当加工方法,去除水中的矿物质、有机成分、有害杂质及微生物等,加工制得的,并且没有任何添加物(臭氧除外)可以直接饮用的水。

但是,通过蒸馏、反渗透技术来净化原水,在去除水中有害杂质的同时,也去除了几乎所有对人体有益的微量元素和矿物质。这种水不仅不能对人体补充有益的微量元素和矿物质,而且因其具有极强的溶解各种微量元素、化合物、营养物质的能力,饮用后将迅速溶解体内的微量元素,并排出体外,使体内物质失去平衡,若不及时加以补充可能致病。因此,饮用水并非越纯越好。

美国水专家 M artin Fox博士对当今健康饮用水方面的研究成果进行了概括和总结,指出:喝含 T DS即矿物质和微量元素含量高的水的人,死于心脏病、癌症和慢性病的几率比喝含 T DS低的水低些;喝被污染的水和除盐水都会对健康造成伤害;人体需要从食物和饮水中补充微量元素和矿物质,人体从食物中获得的微量元素和矿物质通常不够,而水中的微量元素和矿物质要比食物中的更易、更好地被人体吸收、利用。结论中明确指出,健康的饮用水,应符合下列指标:硬度(理想的指标170mg/L左右)、TDS(理想的指标是300mg/L左右)和 pH(偏碱性)。因此,反渗透、离子交换等方法制得的纯水以及蒸馏水不是健康理想的饮用水。

所以,所谓健康有益的水是指最大可能地去除了耗水中的有毒有害的物质,特别是有机污染物,同时又在一定程度上保留了人体健康所必须的各种微量元素和矿物质、美味可口的水。这是人们饮水崇尚自然,追求健康的要求,也是作者课题要达到的目标。

饮用水的深度净化技术

目前,针对水源的微污染及给水厂的氯化消毒所引起的 T HMs增多的问题,国内外采取了许多措施,大致可分为二种:一是对氯化消毒副产物( D BP)的前驱物( T HMFP)加以控制,从而减少 D BP的生成,如通过生物预处理法、臭氧—活性炭法、空气吹脱法等方法处理后再进行氯化消毒[20];二是对传统的给水处理的出水———自来水进行深度净化,减少 D BP的含量,如采用分质供水(管道或桶装)、家用净水器净水等方法。

对自来水的深度净化的工艺也是多种多样的:多级蒸馏法、膜分离法、离子交换法、活性炭吸附等。下面对它们进行比较。

一、多级蒸馏法

多级蒸馏法一般采用多台塔、多台换热器和一台冷凝器组成。其出水纯度高———从理论上说,可以除去水中微细物质(即大于1μ m的所有不挥发物质和大部分0.09-1μ m的可溶性小分子无机盐类);一般可去除不挥发的有机、无机物,包括悬浮体、胶体、细菌、病毒、热源等,以往在医药行业被较广泛地应用于针剂、输液的设备。但是蒸馏法由于有相的变化,它的能耗大———每吨水耗电15-16度,很不经济,而且它对进水水质要求高,对挥发性有机物去除率不高,因而对 T HMs等物质的去除率不高;同时其产水不含氧,纯度高,去除了水中对人体有益的成分,达不到健康有益的水的标准。

二、离子交换法

离子交换法是利用阴阳树脂对阴阳离子的选择性吸附来达到对水中阴阳离子去除的目的。离子交换树脂交换饱和后必须用酸碱再生,酸碱的使用不仅恶化环境,而且运行费用大、操作麻烦。它不能去除水中的溶解性有机物、细菌、热源和悬浮物等,但是去除了水中的矿物质和微量元素———它几乎能完全除去水中溶解的0.2-0.8nm大小的无机盐类,其产水不是健康有益的水。

三、活性炭吸附

由于溶质对水的疏水特性或者溶质对固体颗粒的高度亲和力产生了吸附现象。活性炭的吸附主要是物质化学吸附,它对水中许多有机污染物质包括溶解性有机物都具有很强的吸附能力。活性炭的比表面积达到500—1000m2/g,这种物理特性是对有机物吸附容量大的一个原因。

用于饮用水处理,活性炭可除嗅去色,并去除水中微量有害物质,如有机物、胶体物质、部队重金属、余氯等。因此活性炭被广泛地应用于家用净水器。活性炭净水器对自来水中色度、 T HMs、耗氧量、 D OC、余氯、 A mes致突变物质有一定的去除效果。但是其不足有三:出水细菌总数明显升高;亚硝酸盐浓度升高;炭的失效点不易判定。因此活性炭不宜单独用于饮用水处理,可以和其他方法结合使用,如活性炭—膜分离法。

四、膜分离技术

人们对水质的严格要求,促使人们对应用膜工艺产生兴趣。膜工艺能从砂滤、活性炭吸附处理的水质不再依据源水水质,而是依据选用膜截留尺寸。所以膜过滤是一生中严格的物质分离技术,它有以下特点:它是一种物理作用,不需要加注药剂;分离过程中不发生相变,和其他方法相比能耗较低,又称省能技术;膜分离过程中,一种物质得到分离,一种物质被浓缩,不产生副产品,且不改变物质的属性;膜工艺操作容易,易实现自动化;它在常温下操作,适用范围广。

人们对膜技术研制、开发的沿革,基本上是针对被处理对象来开发不同类型膜而发展起来的。利用膜技术处理饮用水,在世界上已建成70多个水厂,其中第一个水厂是在1987年美国的 K ey stone colo建成的微滤( M F)膜地面水处理厂,能力为105m3/d;目前规模最大的是1992年美国佛罗里达半岛建成,3.6万 m3/d,1992年法国的 B iarritz地面水处理厂,其能力为4800m3/d和Fongombauit地下水处理厂,其能力为4800m3/d;至于小型水处理装置就美国已达数百家,这种小型水处理装置首先是用于航空航天和高层人物的饮用水,现已普及到百姓。若从膜技术处理净化水和小型装置正式投入市场算起,中国至少落后发达国家25年以上;若从利用膜技术建立第一个净水厂算起约落后10年的时间。

五、纳滤水———21世纪的健康饮水

用于饮用水处理的膜工艺主要是压力驱动的膜,按照膜能有效地去除的污染物的大小来分类,可分为微滤( M F)、超滤( U F)、反渗透( R O)和纳滤( N F)等,它们的分离特点见下表。可见,M F、 UF的产水还不能将水中的有害小分子有机物质去除活性炭吸附有机物,因而不能单独用于纯净水制造;而 R O,它在分离过程中良莠不分,它可以去除水中全部溶解性物质,其产水亦不能符合人们健康的要求,而且其每产水一吨耗电3.5-4.5度。 NF膜早期称为松散反渗透膜,是80年代初继典型的 R O复合膜之后开发出来的。 N F膜介于 RO与 U F膜之间,它主要去除直径为1个纳米左右的溶质粒子,截留分子量为100—1000。例如, RO几乎对所有的溶质都有很高的脱除率, U F对几乎所有的离子都没有脱除作用,而 N F只对特定的溶质具有较高的脱除率。 N F膜由于其本身的特点———膜本体带有电荷性,这是使它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和作为截留分子量为数百的膜也能脱除无机盐的重要原国,因此它十分适用于饮用水的深度净化。(见下表)

值得注意的是,美国从1992—1996年的4年中,纳滤膜装置增加500%,大大高于其他方法。而且对各种脱盐方法的经济成本进行的统计比较表明:无论是一次投资,还是运行、维修费用均以纳滤膜为最低。美国环保局( E PA)曾用大型装置证实了 N F脱除有机物及合成化学物的实际效果。日本在1994—1996年中重点开发以纳滤膜为核心,以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机物为目的的饮用水深度净化系统(“ MAC21”)。目前巴黎市郊的一座2800m3/d的生产纳滤膜水处理厂已成功地运转了1年多,其出水完全能满足欧共体新近颁布的有关消毒副产物的指标要求,出水 T OC低于0.2-0.3mg/L,生物稳定性好,能有效地防止输水管理网中细菌的繁殖。

在1994年马尼拉亚太地区国际水协会会议和1995年在巴黎召开的国际供水协会会议上,以美国奥兰多佛罗里达中心大学被誉为膜技术鼻祖的泰勒教授为首有25个国家300多位专家参加了膜处理技术专题研讨会。他们预测当水源具备一定的洁净条件,由 P AC(粉末活性炭)+微滤或超滤+纳滤即可取代全部水处理设施;未来的几年,低压膜技术在饮用水处理中有着广阔的前景。

因此,在我国,发展以纳滤膜为核心的饮用水深度净化系统,以去除自来水中有毒有害的物质活性炭吸附有机物,同时尽可能保留自来水中有益的成分,是非常有意义的,也是非常必要的。

结束语

水质的好坏关系到人类生存,引起了人们的广泛注意。

我国的水资源匮乏,人均淡水占有量大大低于世界平均水平,而且污染严重,而水质的好坏关系到人类生存,加上自来水消毒副产物的发现,引起了人们的普遍关注,所以发展饮用水深度净化技术势在必行。但是这些经验只适合当地的水,且有一些工艺比较复杂,费用较高,并不适合我国的国情,因此不能对其照抄搬用。(《科技日报》)nbsp;人们对水质的严格要求,促使人们对应用膜工艺产生兴趣。膜工艺能从砂滤、活性炭吸附处理的水质不再依据源水水质,而是依据选用膜截留尺寸。所以膜过滤是一生中严格的物质分离技术,它有以下特点:它是一种物理作用,不需要加注药剂;分离过程中不发生相变,和其他方法相比能耗较低,又称省能技术;膜分离过程中,一种物质得到分离,一种物质被浓缩,不产生副产品,且不改变物质的属性;膜工艺操作容易,易实现自动化;它在常温下操作,适用范围广。

人们对膜技术研制、开发的沿革,基本上是针对被处理对象来开发不同类型膜而发展起来的。利用膜技术处理饮用水,在世界上已建成70多个水厂,其中第一个水厂是在1987年美国的 K ey stone colo建成的微滤( M F)膜地面水处理厂,能力为105m3/d;目前规模最大的是1992年美国佛罗里达半岛建成,3.6万 m3/d,1992年法国的 B iarritz地面水处理厂,其能力为4800m3/d和Fongombauit地下水处理厂,其能力为4800m3/d;至于小型水处理装置就美国已达数百家,这种小型水处理装置首先是用于航空航天和高层人物的饮用水,现已普及到百姓。若从膜技术处理净化水和小型装置正式投入市场算起,中国至少落后发达国家25年以上;若从利用膜技术建立第一个净水厂算起约落后10年的时间。

五、纳滤水———21世纪的健康饮水

用于饮用水处理的膜工艺主要是压力驱动的膜,按照膜能有效地去除的污染物的大小来分类,可分为微滤( M F)、超滤( U F)、反渗透( R O)和纳滤( N F)等,它们的分离特点见下表。可见, M F、 UF的产水还不能将水中的有害小分子有机物质去除,因而不能单独用于纯净水制造;而 R O,它在分离过程中良莠不分,它可以去除水中全部溶解性物质,其产水亦不能符合人们健康的要求,而且其每产水一吨耗电3.5-4.5度。 NF膜早期称为松散

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