膜技术在饮用水深度处理中的应用现状.pdf

中国工程科学膜技术在饮用水深度处理中的应用现状吴礼光1，2，赵海洋3，张林3(1.浙江工商大学环境科学与工程学院，杭州 310018；2.城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心浙江研究与开发基地，杭州 310012；3.浙江大学化学工程与生物工程学系，杭州 310027)摘要从压力驱动膜及膜集成技术的特点出发，结合不同水源水质，对膜技术应用于饮用水深度处理方面的进展进行了分析和综述，并提出膜法饮用水深度处理的发展建议。关键词膜技术；集成过程；饮用水深度处理中图分类号TU991.2文章标识码A文章编号1009-1742（2014）07-0106-071前言水是生命之源，与人类的日常生活密切相关，而饮用水质量更是直接关乎人体健康。随着经济的高速发展以及人类活动程度的加速，饮用水水源污染问题已呈日益恶化的趋势。据世界卫生组织(WHO)调查资料显示，全世界已发现约80%的疾病和50%的癌症与饮用不洁净的水有关1。我国人口众多，人口与资源、环境以及经济社会发展的矛盾突出，由于过去过分关注发展速度，对环境关注不够，很多地区水污染问题较严重，饮用水水质难以保证。不仅如此，一些突发性的污染事件，对饮用水质同样造成很大影响。因此，开发实用的饮用水深度处理和应急技术具有重要意义。近年来主要包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。相对于传统的水处理技术，压力驱动膜过程更为高效、低耗，因此，本文结合膜分离特点，对国内外膜法饮用水深度处理的研究与应用进展进行总结，并提出我国未来膜法饮用水处理技术的发展方向。2MF技术在饮用水深度处理中的作用MF技术主要用于去除水体中的悬浮物、细菌等大颗粒物质，因此，常应用于饮用水生产的预处理或初级阶段，一般要结合其他工艺才能起到保障饮用水水质的作用。朱建文等2建立了一套MF中试系统直接用于杭州清泰水厂的沉后水处理，中试结果表明：MF膜对浊度的去除率99%，对细菌、大肠杆菌的去除率接近100%，且基本不受通量的影响；对Fe和色度的去除效果也很好，出水中的铁 0.05 mg/L，色度 Cl-I-，即对氟离子有很好的截留效果32。5)其他无机盐。工业生产中泄漏或排放的金属离子，包括铜、镉、铅、锰、汞、镍及放射性元素等一旦进入到饮用水源中，传统的自来水工艺难以达到去除目的，对人类健康会产生严重的威胁。侯立安等33以模拟核爆后放射性物质污染废水为研究对象，采用膜分离与离子交换组合工艺对污染废水中具有代表性的碘、铯、钚、铀等放射性物质进行去除，结果表明该工艺对放射性的去除率可达99.93%。膜 优 选 的 研 究 结 果 则 表 明，尽 管ROACM1型膜、NFTS40型膜、NFTS80型膜、活性炭都可以去除Ames致突变物，但TS40型NF膜的效果最好34。1082014年第16卷第7期4.1.2有机物的去除NF膜能截留较多种类的有机物，但有机物的亲疏水性能、分子质量、荷电性是影响NF膜截留率的主要指标，不同性质的微量有机物对应的分离机理和截留率也可以通过适当的参数加以预测35。1)消毒副产物（DBPs）及其前驱物（FP）去除。三卤甲烷(THMs)是饮用水氯化消毒过程中，氯与水中有机物反应生成的主要挥发性卤代烃类化合物，属于三致物质，是重要的消毒副产物。研究表明，相比直接去除DBPs，去除其前驱物是更有效和安全的方法，而NF膜技术则被认为是去除此类物质有效的方法36。2)环境内分泌干扰物（EDCs）去除。尽管在饮用水源中检测到的EDCs是微量的，但由于其对人体的危害极大，近年来在全世界范围内受到广泛关注。常用的EDCs主要来源于洗涤剂、有机氯和磷农药、除草剂、增塑剂，树脂原料等。一些学者已开始关注NF膜对此类小分子有机物的去除，并且取得了良好的研究结果3739。3)持久性有机物（POPs）去除。持久性有机污染物，如多环芳烃(PAHs)和有机氯农药(OCPs)等在环境中残留水平虽然很低，但由于其具有高毒性、持久性、积聚性，对生态和健康的危害具有协同效应的特点，潜在威胁很大。一些研究者尝试利用NF膜来去除这些有毒小分子，发现其去除率可达94%以上40。4)医药与个人护理品（PPCPs）去除。近十年来，PPCPs成为学术界和公众广泛关注的一类“新型”环境污染物质，其极性强、易溶于水、不易挥发，难以被混凝、过滤去除，会通过水相传递和食物链扩散41。近年来发现某些河流水体中PPCPs的质量浓度已从初始的10 g/L不断升高到1 000 g/L左右；在处理后的饮用水中也被测出，虽然浓度低于 1 g/L，但也要对其引起足够的重视42。hil-lips等43将52种EDCs和PPCPs按照物理化学特性分了两大类，一类为极性强、不易挥发、亲水性化合物，NF膜对这一类化合物截留率较低，约为44%93%；另一类极性弱、较易挥发、疏水化合物，NF膜对这类化合物的截留率较高。5)生物可同化有机物（AOC）去除。AOC是指最能被细菌利用并直接合成细菌体的有机物，已被广泛应用于鉴定饮用水的生物稳定性。研究表明AOC 在 50100(乙酸碳)/L 时水质能达到生物稳定，当AOC小于10 g(乙酸碳)/L时，异养菌几乎不能生长。NF膜对水体中的AOC去除率一般在42%95%44。龙小庆等45，46分别以地表水和地下水为研究对象，探讨了活性炭NF膜工艺对饮用水中总有机碳和可同化有机碳的去除效果及机理。结果表明，活性炭仅可去除部分AOC、TOC和Amcs致突变物，出水仍达不到生物稳定性的要求，但它可作为NF的预处理，确保NF膜进水符合要求；而NF则可将水中大部分TOC和可同化有机碳去除，确保饮用水的生物稳定性。6)微囊藻毒素（MC）去除。蓝藻爆发是水体富营养化和水危机事件的典型特征，藻细胞死亡后释放到水体中的藻毒素如微囊藻毒素对人类危害极大，具有致癌和对特定酶系统活性抑制的双重作用，并且这类物质是水溶性的，分子质量小，很难被传统的混凝、过滤工艺去除。利用NF膜去除藻毒素成为研究者优先考虑的方案，结合一些传统处理工艺可将藻毒素完全去除47。然而，另有报道表明UF膜对藻毒素的去除只有42%48。这是因为蓝藻可产生两种藻毒素，分子质量较小的藻毒素（ATX-a）的去除机理是静电排斥和位阻效应，而分子质量较大的藻毒素去除主要是位阻效应49。Gaid等50对世界上第一个大型NF饮用水深度处理系统，法国Mery-Sur-Oise水厂的NF工艺做了详细的研究，结果表明该工艺对有机物有着很好的去除效果，对DOC平均去除率为60%，对农药如莠去津(Atrazine)和西玛津(Simazine)去除率达 90%以上，出水中残留的微污染物绝大部分低于分析检测限度。5RO膜技术在饮用水深度处理中的作用由于RO操作压力高，膜价格昂贵，因此在饮用水深度处理中应用非常少，主要应用于海水、苦咸水淡化等。但针对部分特殊水源的饮用水，常规膜技术难以使水质达标，反渗透技术则是有效的深度处理技术。例如很多内陆地区从地下取水，但深井取水多会遇到苦咸水，不能直接饮用，UF或NF均难以达到理想的净化目标，因此，反渗透苦咸水脱盐是最常用的技术。通常除了部分特殊物质外，反渗透产水中各种离子和有机物浓度均非常低，其中典型的代表为硼，根据世界卫生组织(WHO)的建议成人每天摄入硼的最大量为0.16 mg/kg，过多摄入会导致恶心，头109中国工程科学疼，腹泻，肾坏死，甚至死亡51。因此，降低海水淡化水中硼的含量是保障淡化水安全的一个重要环节。RO是去除水体中硼的有效方法之一，经过多级RO处理之后，水体中硼的浓度可降至0.5 mg/L。尽管多级RO意味着较高的能耗，但与其他方法相比，RO能耗仍旧较低52。研究发现在酸性条件下，硼主要以无电荷的硼酸分子的形式存在，而且分子尺寸相对较小，RO膜对其截留性较差；在碱性条件下，硼主要以(B(OH)-4)形式存在，此时其离子半径较大，RO膜对其截留性较高53。一般需要在碱性条件下才能保障RO膜更高的去除硼效率，但此时会增加二价盐在膜表面结垢的风险。多级RO可以解决此问题，首先选择在稍微偏碱的条件下去除二价盐和少部分硼，然后再在较高碱性条件下去除大部分的硼，还可以使用更多级的RO来保证较低的硼浓度。如果要将硼的浓度降至0.2 mg/L，pH需要被增加至9.9以上54。近年来，RO水处理技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，当前的主要发展趋势包括降低RO过程的操作压力，提高系统回收率，开发廉价高效的预处理技术，增强膜系统抗污染能力等。6膜集成技术在饮用水深度处理中的应用为保障饮用水的安全性，单一膜技术有时很难达到处理要求，膜集成技术则能够更好地满足饮用水处理要求。膜集成技术多是将MF/UF与NF/RO结合使用，UF、MF作为NF、RO的预处理工艺代替复杂的传统预处理工艺，UF、MF不但可以完全去除污水中的细菌和悬浮物，对COD、BOD 也有一定的去除效果，满足后续RO膜的进水水质要求，减缓了RO膜的负荷和污染，其清洗周期将比传统预处理工艺增长56倍55。水净化通常采用MF或UF进行处理。然而MF产水有时难以达到目标水质，直接使用UF又容易造成UF膜堵塞。比较合适的解决方法就是MF和UF同时使用，让MF减轻UF的负荷，让UF保证出水水质。Adam等56通过实验证明，MF膜在搅拌和较低的跨膜压差的情况下，对脊髓灰质炎病毒的去除率大于99%，而对UF膜来说，该病毒则是完全去除。如果MF和UF同时使用，既能保障病毒的完全去除，又能保障两种膜的运行时间。然而，由于MF与UF的孔径都比较大，很难进行深度过滤，因此很少同时使用这两种过程，一般是将其中一种与更为致密的NF和RO搭配使用。针对某市城区水厂受到重金属与有机物污染，何少华等57采用MF+RO工艺对被污染自来水进行深度处理。两年来的运行结果表明反渗透系统对水中的重金属离子、有机污染物和细菌的去除效率都非常高。岛屿或沿海城市的饮用水往往容易受到海水倒灌或咸潮等的影响，导致水中盐分过高。周志军等58，59利用UF和RO联合的海岛饮用水处理示范装置可以解决沿海池塘水在季节交替产生的淡咸水交替的问题，既保证供水质量，还降低了运行成本。陈欢林等60，61以钱塘江潮汐咸水水体为研究对象，将UF、NF和RO集成用于处理周期性变化的潮汐水。其中UF作为整个系统的预处理工艺，可以在淡水期使用；NF可以除去咸水中的大部分盐，可以用作咸水期；RO作为最后一个环节，可以从较高盐度的咸水进一步回收一部分水。在保证产水达标的情况下，整个系统的回收率可达到90%95%。当发生强降雨等较大自然灾害时，供水系统容易受到水源污染、管道破裂、污水渗漏等损害，水中各种有机物、重金属、微生物等严重超标，使得水源中各组分异常复杂、水质变差，严重影响饮用水安全。采用常规的自来水制备工艺来处理雨水难以保证产水可达到饮用水标准，结合应急供水的特征，通过对雨洪等进行适当的预处理后，使其满足RO等膜技术的要求，经低压RO处理后即可获得符合国家标准的饮用水。研究发现，基于UF和低压RO膜过程的双膜集成技术可以在雨洪应急供水安全中发挥重要的作用62。针对多变、污染的水源，双膜处理后的产水水质稳定、达标。除此之外，膜集成应急净水装置还具有适合多途径运输、多方位组装，复杂的环境、气候，野外露天，长短期切换运行等用途。7结语在水源污染状况未有显著改善的背景下，随着公众对饮用水质安全的关注日趋增加，膜法水处理技术成为了目前最有效的饮用水深度处理手段，膜技术在饮用水深度处理中的作用主要体现在以下两个方面：a.保证饮用水水质安全，无论是多级单一膜技术还是多膜集成技术在合理的设计下都能保1102014年第16卷第7期障产水水质的安全性；b.保证饮用水质水源的多样性，多膜集成技术能够满足不同水源，不同水质，不同产水需要的各种要求，给提供安全饮用水创造了可能。参考文献1Guidelines 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