东部河网地区某饮用水厂运行效果分析及纳滤净化_陈榕汶.pdf

文章栏目：水污染防治DOI10.12030/j.cjee.202302030中图分类号X703文献标识码A陈榕汶,卢金锁,李一繁,等.东部河网地区某饮用水厂运行效果分析及纳滤净化J.环境工程学报，2023,17(6):1868-1875.CHENRongwen,LUJinsuo,LIYifan,etal.Performanceanalysisofadrinkingwatertreatmentplantinriver-networkregionsofeasternChinaandwaterpurificationbynanofiltrationJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1868-1875.东部河网地区某饮用水厂运行效果分析及纳滤净化陈榕汶1，2，卢金锁1，李一繁2，李文涛2，强志民31.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055；2.中国科学院生态环境研究中心饮用水科学与技术重点实验室，北京100085；3.中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085摘要为考察我国东部河网地区饮用水水质，本文以浙江某饮用水厂为研究对象，评估了水厂现有净水工艺(混凝-沉淀-炭砂过滤)对常规水质指标、金属离子、消毒副产物(DBPs)和微量有机污染物(TrOCs)等的控制效果，并基于小试实验探究了纳滤工艺对水质的提升情况。结果表明，水厂现有工艺处理后的出水能满足国家饮用水卫生标准要求，而纳滤工艺可显著提高部分常规指标以及富里酸、蛋白质类有机物的去除效果，减少50%以上的 DBPs 生成量。水厂原水和滤后水中检出了 22 种 TrOCs，其中磺胺甲恶唑、美托洛尔、磺胺噻唑、咖啡因、阿替洛尔、诺氟沙星等的纳滤去除率为 62%100%。对于经济条件较好而水源微污染风险较高的东部河网地区，可以考虑以纳滤工艺为核心进行水厂升级改造，提升饮用水水质。关键词饮用水厂；水质；纳滤；微量有机污染物饮用水水质保障和提升关系到所有城乡居民的健康福祉。由于水源微污染情况日益复杂，当前关注的饮用水水质指标已从基础性的病原微生物、金属离子扩展到消毒副产物(DBPs，disinfectionby-products)和微量有机污染物(TrOCs，traceorganiccontaminants)等方面。我国东部河网地区农业发达、工业企业众多，在促进经济发展的同时也使得当地水源面临多种微污染风险1-2。国内水厂普遍采用混凝-沉淀-过滤的传统工艺，对水源水中出现的农药、抗生素等 TrOCs 难以有效去除。因此，升级改造水厂工艺、研发匹配现阶段原水特性和出水水质需求的工艺单元成为当务之急。纳滤(NF，nanofiltration)作为新一代水处理技术3-4，其过滤性能介于超滤与反渗透之间，能在有效去除水中污染物的同时保留有益微量元素，在饮用水水质提升中具有良好的应用前景，但运行成本高于传统工艺。本文以浙江某水厂为研究对象，评估了水厂现有净水工艺对常规水质指标、金属离子、DBPs 和 TrOCs 等的控制效果；同时，采用商用纳滤膜对水厂滤后水进行了处理，对比分析相关水质指标。本研究可增加对我国东部河网地区饮用水厂供水水质的了解，为纳滤技术在水厂升级改造中的应用提供参考。1材料和方法1.1水厂概况本研究考察的饮用水厂位于浙江省东北部，其原水取自距离水厂约 2km 的某水库。该水库除收稿日期：2023-02-06；录用日期：2023-04-18基金项目：国家重点研发计划(2019YFD1100105)；国家自然科学青年基金资助项目(51908536)第一作者：陈榕汶(1997)，女，硕士研究生，；通信作者：李文涛(1990)，男，博士，助理研究员，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:[phone]总氮存在季节性超标情况外，水质常年符合地表水环境质量标准(GB3838-2002)规定的地表水类标准。水厂设计规模为 3104td1，日均供水为 1.7104t，其净水工艺流程包括水力混合和折板反应池、平流沉淀池、V 型炭砂滤池和清水池，涉及的加药过程包括原水加矾/碱/氯、炭砂滤后水(后续简称为滤后水)加氯以及出厂水补氯，水厂出水经管网输配后供应附近的城镇。1.2样品采集与纳滤实验分别于 2022 年 6 月(夏季)及 2023 年 2 月(冬季)对水厂原水和滤后水进行采样分析，对比滤后水与原水水质以评估水厂现有净水工艺的运行效果。每批样品包括 2 组平行样，样品采集后置于 4冰箱冷藏，其中常规水质指标测试在 12h 内完成，金属离子分析在 7d 内完成。对于水中的TrOCs，采用固相萃取对水样进行富集后再上机检测。另一方面，将水厂滤后水作为纳滤实验进水，考察纳滤工艺对水厂出水水质的提升效果。纳滤实验在平板膜过滤装置上完成，采用错流方式运行，装置示意图如图 1 所示。进水由原水箱经高压隔膜泵加压进入纳滤膜组件，浓水回流至原水箱继续浓缩过滤，产水则进入产水箱。纳滤处理过程中装置的运行压力和浓水流量通过调节进水管阀门及浓水回流流量计控制，温度由冷水机进行调节。实验选用陶氏NF270 纳滤膜，膜面积为 50cm2，运行压力为0.8MPa，浓水流量为 1.5Lmin1，运行温度为 15。实验结束后(即产水率达到 80%)对纳滤产水进行取样分析，样品保存、测试过程与水厂原水/滤后水相同。1.3分析方法水样 pH 采用比色法测定，电导率、总溶解固体(TDS，totaldissolvedsolids)和浊度则分别通过便携式多参数仪(哈希，Sension378)和浊度仪(哈希，2100N)得到。水样的总碱度、总硬度(酸碱指示剂滴定法)及 CODMn值(高锰酸钾法)采用国标方法测定，另外通过紫外-可见分光光度计(哈希，DR6000)和总有机碳分析仪(岛津，TOC-VCP)分别获得 UV254值及溶解性有机碳(DOC)。水中的荧光性有机物通过荧光分光光度计(瓦里安，CaryEclipse)获得的三维谱图进行表征分析，Na、Ca、Mg 和 Fe、Mn、Zn、Cu、As 等金属元素则分别采用电感耦合等离子体发射光谱仪(利曼，Prodigy7)和电感耦合等离子体质谱仪(珀金埃尔默，NexION300X)进行定量。此外，采用离子色谱仪(戴安，ICS2000)对水中 Cl、F、Br、NO3、SO42-等离子进行测定。DBPs 采用配备 HP-5 毛细管色谱柱(30m0.25mm，0.25m)的气相色谱仪和电子捕获检测器(安捷伦，Agilent7890A)测定，进样体积为 10L。TrOCs 分析首先需经过 SPE 富集：取 1L 水样过玻璃纤维滤膜，调 pH 至 2.5，加 2.5mLEDTA-2Na(0.2molL1)溶液；采用 HLB 小柱(6cc500mg，Oasis)富集，进样流速为 5mLmin1，富集结束后进行淋洗、抽干，用 10mL 甲醇洗脱小柱，洗脱液氮吹吹干后用 400L 甲醇和 600L 超纯水复溶，上机测样。TrOCs 的定量分析采用配备 C18 色谱柱(100mm2.1nm，1.8m)的超高液相色谱串联四极杆质谱仪(安捷伦，Agilent6420)，进样体积为 5L；定性筛查则采用配备 C18 色谱柱(100mm2.1nm，1.8m)的超高液相色谱串联四极杆-飞行时间质谱联用仪(爱博才思，X500RQTOF)进行，进样体积为 10L，当目标污染物的母离子精确质量数、保留时间、同位素丰度比、二级碎片信息等与质谱库中的匹配度均70%时认定检出。2结果与讨论2.1常规水质指标的去除对水厂原水、滤后水及纳滤产水进行水质分析，其中常规水质指标测试结果如表 1 所示。该图1纳滤实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofnanofiltration(NF)experimentalsetup第6期陈榕汶等：东部河网地区某饮用水厂运行效果分析及纳滤净化1869水厂原水水质整体较好，浊度为 1.01.9NTU，CODMn值约为 2.0mgL1。6 月原水的 TDS、电导率、总硬度、总碱度均稍高于 2 月。这可能是由于 2022 年夏季当地发生了较为罕见的干旱，水库水位偏低，水源水质受到一定影响。水厂现有净水工艺能有效去除原水中的浊度和 CODMn，其对应的去除率分别为 94%97%和 51%53%，满足生活饮用水卫生标准(GB5749-2022)的限值要求。滤后水的 TDS、总硬度和总碱度较原水有升高，原因在于水厂处理涉及加碱加矾过程。采用纳滤工艺对滤后水进行深度处理可进一步降低 CODMn值至 0.180.35mgL1，并显著去除水中的无机离子，其中阴离子平均去除率为 SO42(86%)Cl(42%)NO3(6%)。这是因为 NF270 膜表面带负电，可通过静电作用截留水中离子且多价离子的截留率高于单价离子5。纳滤产水中 SO42-和 Cl均低于 3.5mgL1，可明显降低饮用水输配过程的管网腐蚀风险6。值得一提的是，本研究 TDS、总硬度、总碱度的去除率均不超过 60%，低于部分文献报道的 75%90%以上7-8，这可能与本研究原水无机离子含量较低且采用单次 NF270 膜过滤有关。2.2金属离子的去除水厂原水、滤后水及纳滤产水中常见金属离子的质量浓度如图 2 所示。Ca、Mg 含量平均为10.3mgL1和 1.5mgL1，说明水中硬度以 Ca 硬度为主。与上述 TDS 结果类似，Zn、Fe 含量在6 月原水中更高(其中 Zn 含量为 0.21mgL1)；但 Mn、Cu、As 含量在 2 次检测中差别不大且均低于2gL1。水厂现有工艺对原水中 Zn 和 Mn 的去除能力较强，去除率分别在 36%97%和 62%64%，而其他金属离子的去除效果不明显。总体而言，水厂原水中的金属离子处于较低水平且滤后水中重金属的质量浓度均显著低于国标限值。纳滤工艺能进一步降低水中的金属离子含量，截留表1水厂原水、滤后水及纳滤产水的常规水质指标Table1Regularwaterqualityindicesofrawwater,filteredwaterandNFpermeateinthedrinkingwatertreatmentplant时间水样水质指标pH浊度/NTU电导率/(Scm1)TDS/(mgL1)总碱度/(mgL1)总硬度/(mgL1)CODMn/(mgL1)SO42-/(mgL1)Cl/(mgL1)NO3/(mgL1)2022年6月原水7.00.11.050.1695.00.745.00.331.91.029.30.52.070.172.070.177.20.41.00.1滤后水7.00.10.060.01110.21.451.00.734.52.234.12.40.970.1110.10.26.20.61.00.1纳滤产水6.90.10.050.0173.41.633.30.725.03.320.31.20.180.142.20.43.00.21.20.12023年2月原水6.90.11.880.0682.70.639.10.321.01.025.50.72.070.018.60.13.20.12.90.1滤后水7.10.10.060.0193.70.144.50.122.01.429.01.41.020.088.90.14.70.12.70.1纳滤产水6.90.10.040.0138.20.718.30.411.00.711.50.70.350.010.60.13.20.12.40.1图2水厂原水、滤后水及纳滤产水中金属离子的质量浓度Fig.2Concentrationsofmetalionsinrawwater,filteredwaterandNFpermeate1870环境工程学报第17卷机制同样主要为膜的静电效应。其中 Ca、Mg 的平均去除率分别为 67%和 63%，Zn、Fe、Cu、As 的平均去除率也保持在 50%以上，但 2 次纳滤实验中 Mn 的去除率均较低。因此，纳滤膜可以有效降低水体硬度，并对水中大多数的微量重金属去除 50%以上。2.3有机物的去除效果1)对荧光性有机物的去除效果。三维荧光光谱用于水中溶解性有机物成分分析时，根据激发波长和发射波长的差别可将谱图分为 5 个区域以区别具有不同特征结构的物质9。2 次采样实验过程(2022 年 6 月、2023 年 2 月)的水厂原水、滤后水及纳滤产水的三维荧光光谱如图 3 所示。水厂原水和滤后水中荧光性物质在不同季节存在一定的差异：6 月的原水和滤后水在区有较强响应，而在、区域响应相对较弱，说明水中主要存在富里酸类、蛋白质类、腐殖酸类有机物(图3(a)(b)；2 月的原水荧光性有机物主要为富里酸类、腐殖酸类有机物，但滤后水中区响应增强(图 3(d)和图 3(e)，可能与冬季滤池清洗频次降低、滤料污染释放有关。水厂现有工艺无法有效去除水中荧光性物质而纳滤能较好地截留这类物质，这体现在不同季节纳滤产水的、区域响应都显著降低(图 3(c)和图 3(f)。对 2022 年 6 月水样的荧光光谱数据进行 PARAFAC 建模分析10，确定了 3 种荧光组分，各组分的荧光强度如图 4 所示。其中，C1 为色氨酸类蛋白质有机物，在240nm/350nm 处具有Ex/Em 最大值；C2 为富里酸类有机物，在2ngL-1)药物的质量浓度Fig.6Concentrationsofmainpharmaceuticalsinrawwater,filteredwaterandNFpermeate1874环境工程学报第17卷地下水处理中的应用研究J.给水排水,2020,56(11):9-14.吴玉超,兰亚琼,陈吕军,刘锐.纳滤工艺处理微污染原水的中试J.净水技术,2018,37(11):65-68.8CHEN W,WESTERHOFF P,LEENHEER J A,et al.Fluorescenceexcitationemissionmatrixregionalintegrationtoquantifyspectrafordissolved organic matterJ.Environmental Science&Technology,2003,37(24):5701-5710.9张正磊,张俸志,周伟伟,成小翔,朱学武,丁怀宇.纳滤工艺深度净化微污染水源水厂出水中试研究J.中国给水排水,2019,35(15):37-42.10BAGHOTHSA,SHARMASK,AMYGL.Trackingnaturalorganicmatter(NOM)inadrinkingwatertreatmentplantusingfluorescenceexcitation-emissionmatricesandPARAFACJ.WaterResearch,2011,45(2):797-809.11ATESN,KITISM,YETISU.Formationofchlorinationby-productsinwaters with low SUVA-correlations with SUVA and differential UVspectroscopyJ.WaterResearch,2007,41(18):4139-4148.12LIN Y L,CHIANG P C,CHANG E E.Removal of smalltrihalomethane precursors from aqueous solution by nanofiltrationJ.JournalofHazardousMaterials,2007,146(1/2):20-29.13JIANGX,QUY,ZHONGM,etal.Seasonalandspatialvariationsofpharmaceuticals and personal care products occurrence and humanhealthriskindrinkingwater-AcasestudyofChinaJ.ScienceoftheTotalEnvironment,2019,694:133711.14蔡孝楠,刘宏远,朱海涛,孙海平,张刚,徐振峰.纳滤膜处理微污染河网水中试研究J.中国给水排水,2021,37(9):27-32.15WANGYQ,HULX,ZHAOJH,etal.Suspect,non-targetandtargetscreeningofpharmaceuticalsandpersonalcareproducts(PPCPs)inadrinkingwatersystemJ.ScienceoftheTotalEnvironment,2022,808:151866.16王丹丹,张婧,杨桂朋,等.药物及个人护理品的污染现状、分析技术及生态毒性研究进展J.环境科学研究,2018,31(12):2013-2020.17聂铮,刘彩虹,刘乾亮,等.纳滤去除水环境中药品和个人护理品的研究进展J.中国给水排水,2021,37(24):45-50.18黄裕,张晗,董秉直.纳滤膜去除卡马西平的影响因素研究J.环境科学,2011,32(3):705-710.19张攀,文湘华,王波,等.纳滤生产再生水示范工程运行效果分析J.环境工程学报,2017,11(9):4985-4992.20丰桂珍,董秉直.DOM纳滤膜污染及对膜截留卡马西平性能的影响J.环境科学,2013,34(11):4295-4303.21(责任编辑：曲娜)Performance analysis of a drinking water treatment plant in river-networkregionsofeasternChinaandwaterpurificationbynanofiltrationCHENRongwen1,2,LUJinsuo1,LIYifan2,LIWentao2,*,QIANGZhimin31.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,XianUniversityofArchitectureandTechnology,Xian710055,China;2.KeyLaboratoryofDrinkingWaterScienceandTechnology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China;3.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalAquaticChemistry,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China*Correspondingauthor,E-mail:AbstractTounderstandthedrinkingwaterqualityinEasternChinawhereacomplexrivernetworkexists,thisstudyinvestigatedthecontroleffectsofregularwaterqualityindice,metalions,disinfectionby-productsandtrace organic contaminants(TrOCs)by the current water purification process(coagulation-sedimentation-activated carbon/sand filtration)of a drinking water treatment plant in Zhejiang Province.Meanwhile,theefficacyofwaterqualityimprovementbynanofiltrationwasalsoevaluatedbasedonthebench-scaletests.Resultsshowthattheproducedwaterbytheconventionaldrinkingwatertreatmentprocesscouldmeetthenational standards for drinking water quality,while the nanofiltration treatment significantly increased theremovalratesofsomeregularwaterqualityindice,fulvicacidandproteinorganics,andreducedover50%generation of disinfection by-products.Twenty-two different TrOCs were detected in the raw water andactivated carbon/sand-filtered water,and the removal rates of sulfamethoxazole,metoprolol,sulfathiazole,caffeine,atenololandnorfloxacinbynanofiltrationrangedbetween62%-100%.FordrinkingwatertreatmentplantslocatedindevelopedregionswithahighriskofsourcewatercontaminationbyTrOCs,nanofiltrationcouldbeemployedasthecoretreatmentprocesstoimprovethetreatedwaterquality.Keywordsdrinkingwatertreatmentplant;waterquality;nanofiltration;traceorganiccontaminant第6期陈榕汶等：东部河网地区某饮用水厂运行效果分析及纳滤净化1875