超滤-第三代城市饮用水净化工艺的核心技术.pdf

第1卷第1期2007 年4 月供 水 技 术W AT ERT EC H N O LO G YVd.1 No.IApr.2007梦告，陇，纽 七 粗认拍斤洁吞砰研 究 论 述山诩胡山月飞 声超 滤一 第 三 代 城 市饮 用 水 净 化 工 艺 的核 心技 术李圭白，杨艳玲“(1.哈尔滨 工业大学 市 政环 境工程学院，黑龙江哈尔 滨 150090;2.北京工 业大学 建筑工程学院，北京 1 00022)摘要:介绍了一种新型净水技术 超滤的机理及其发展趋势，超滤利用物理分离方法能有效去除水中 颗粒物质;处理水浊 度0.1N TU，微生物指标满足要求。超滤方法可少用或不用混凝药剂，减少 药剂对水质的二次污染，同时 超滤技术还具有可缩短水厂建设周期、节约土地资源等优势，认为超滤将成为城市饮用水净化工艺的新发展方向。关键词:超滤;城市 饮用水;净化 技术中图分 类号:TU 991.24文献 标识码:A文章编号:1673-9353(2007)01一 0001-03Ultrafi l tration-the 3rdGeneration Key Water PurificationTechnology for CityLI Gui-bait，YANGYan-Z ings(1.School o f Municipal&Env ironm ental Engineering,H arbin Instituteo f T echnology，Harbin1 50090,China;2.School o f Architecture Engineering,Bei jing Univ ersity o f Technology，Beij ingAbstract;Ult r afiltration,a ne w kind of100022,China)water treatment techno logy is int r oduced,as well as itsm echanism and development tendency.Physical separation is used for the removal of particles in water.Turbidity afterult rafi l tration islessthan0.1 N TUandit can meet therequirement formicr oorganism.Lit-tle coagulant or evennocoagulant is necessary,therefore chemical contaminationcan be reduced and theconstruction period of water works can be sho rtened.It indicatesthat ultraf i ltration wil l become the tend-ency of city drinking water t r eatment process.Key words;ult raf iilt ration;city drinking w ater;w ater treatment technology20 世纪以前，城市居民饮用水卫生安全性得不到保障，致使水介烈性细菌性传染病(如霍乱、痢疾、伤寒等)流 行，对人们生命健康危害 极大。20 世纪 初，研发出了混凝一沉淀一 币 丈 滤 一氯消毒净水工艺，称为第一代城市饮用水净化工艺。第一代工艺使水介烈性细菌 性传染病的流行得到有效控制，为人类社会的发展作出了重大贡献。美国工程院、科学院以及27 个学会对20 世纪曾 就人类社会作出突出贡献的工程技术进行评选，在被推荐的 105 项工程技术中，城市集中供水及水质净化技术被列为第四(第一为电 气化、第二为汽车、第三为航空)。20 世纪中叶，发现r 城市水介病毒性传染病(肝炎、小儿脊椎灰质炎等)的流行。研究表明，水中的病毒常附着在颗粒物上，只要将水中颗粒物尽量地去除，将水的浊度降至0.5 NU T 以下，再经氯消毒，就可以 控制 病毒性传染病的 流行。从而，水的浊度已 不再是 一个感官性指标，而是与水的微生物安全性相关的指标，因此受到极大的重视，美国已将第1卷第1期供水技术2007 年 4 月浊度止式列为水的微生物学指标。由于对水的浊度提出严格的标准，即要求对水源水进行深度除蚀，进一步推动了第一代工艺的发展。20世纪70 年 代，由 于水环境污染，在城市饮用水中发现了种类众多的对人体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产物，而第一代工艺不能对其有效去除和控制，使水的化学安全性堪忧，某些水中 微量有机污染物能使人致癌、致畸、致突变 三致物)。用氯对水进行消毒时，氯与 水中的有机物(主要是天然有机物)作用，能生成下肉甲烷、卤乙酸等氯化消毒副产物，其中 大部分是对人体有毒害的 二致物。在这个背景下研发出第二代城市饮用水净化工艺，即在第一代工艺 后而增加 臭氧一活性炭深度处 理工艺。第二代工艺 能比较有 效地去除和 控制水中的 有机污染物和氯化消毒副产物，使水的 化学安全性得到提高。20 世纪末叶，水 中发现了新的致病原生 动物 蓝氏贾第虫和隐 袍子虫“两虫”)，出 现了藻类大量繁殖以及藻毒素、嗅味、水的生物稳定性、有害水生生物剑水蚤和红虫等重大微生物安全问题。贾第虫在自 然界分布很广，包括两栖动物、鸟类、哺 乳动物在内的数十种动物休内都发现了 贾第虫。环境水体中 存在的是贾第虫包囊，为卵 形，长为8一 12.m,宽为7-10 J im，具 有很强的 抗氯性，一口穿过滤池进人饮用水中，便可使人致病。隐抱子虫是寄生于哺乳动物、鸟类和鱼类胃 肠道和呼吸 道内的球虫，分布于世界各地，隐抱子虫的感染是由于摄人其卵囊所致。隐泡子虫卵囊为球形 尺寸为4-6 I具有 很强的 抗氯性，一旦穿过滤池进人饮用水中，便可 使人致病。第一代工艺和第二代工艺都难以 完全防止“两虫”进人饮用水中，所以成为水业界高度关注的问题。由 于水环境污 染加剧，导致湖、库水休富营养化，藻类大量滋生，藻含量可达上千万、甚至上亿个/升。这样高的 藻含量，常会 堵塞滤池，使水处理产生困 难。第一代和第二 代工艺难以 将水中藻类彻底去除，即使除藻率达到99%，也有数十 万甚至上百万个 丫升的藻类穿过滤层进人饮用水，进而生成氯化消毒副产物、嗅味物质，并成为细菌再繁殖的营养物质。有的藻类(如蓝绿藻等)能生成藻毒素，有的能产生嗅味物质，使水的安全性和品质下降。藻类问题已 成为城市 水厂普遍关注的 难题。近年来发现，城市水厂出厂水在输配过程有微生物增殖现象，被认为是生物不稳定的水。在增殖的微生物中，有的是条件致病菌，如军团菌、气单胞菌，以 及绿脓杆菌、分枝杆菌等，从而 使水的生物稳定性成为一个重大的饮用水微牛物安全性问题剑水蚤是一种小型甲壳类动物，体长为1 一 2mm，以藻类为 食，活动能力很强，能穿透滤层，并且具有很强的 抗氯性 一般氯消 毒难以 将其杀死，故能进人饮用水中。剑水蚤是能寄生在人体的麦地 那龙线虫的 宿主。在湖、库水体中，由于水体富营养化而致藻类大量繁殖，为剑水蚤提供 了充足的食物，而水体中以 剑水蚤 为食的 负类又因捕捞过度等原因大量减少、导致剑水蚤大 量繁殖，成为有待解决的一个问题。红虫是摇蚊幼虫，有极强的 抗氯性，甚至可在清水池中 繁殆，它随 水进人 输配管道，一旦由水龙头中放出，会使人对饮水产生 厌恶 感。近 年来又发现第二代工艺中 颗粒活性炭滤池出水中的细菌含量增多，细菌的抗氯性增强，并且出水中含有的细微炭粒会对细菌起到保护作用。此外，剑水 蚤和红 虫还能在活性炭滤层内繁殖，使其在出水中 增多。所以 第二代工艺使水的 化学安全性提高了，但同时却使水的微生物安全性降低了。综上所述，20世纪末新出 现的城市饮用水重大微生 物安 全问 题，第一代和第二代土艺均已 无法有效地解决，在这个背景下有待研发出更安全更有效的 第三 代城市 饮用水净化工艺。第三 代饮用水净化工艺，不 仅要有效和经 济，JP且还应体现绿色工艺的理念。会造成二次污染的净水技术已不符合环境保护的要求，将会逐步受到限制，因此研制开发新型绿色净水技术是当前净水上艺的发展方向。绿色 净水工 艺要求在提高效率或优化效果的 同时，能够提高资源和能源的利用率，减轻污染负荷，改善环境质量。绿色 净水工艺应其有下列特点:绿色净水工 艺所使用的 原材料，如净水药剂或膜本身 是无毒无害的，制造原料也是无毒无害的，并且 在制造过程中本身不产生有毒有害污 染物;绿色净 水工艺在使用过程中要降低能耗、物耗，提高资源和能源的利用率;绿色净水下 艺在使用后，不产生有毒有害的副产物，不会对饮用者的健康造成影响;2007 年 4 月李圭白，等:超滤第三代城市饮用水净化工艺的核心技术第 1卷第1 期 绿色净 水工 艺的 产物，如沉淀池污泥等，易于处置，不会增加外环境的污染负荷。膜 是21世纪新材料中的 一 个增长点，过去由 于其价格高，故多用于小型水处理装置中。近年来，随着膜制造 技术的快速 发展，膜的性能不断提高，价格逐渐降 低，已 达到可以与 第一代工艺和第二代工艺竞争的 价位，因而国 外将膜用于 城市 饮用水处理的水厂愈来愈多纳滤、超滤和微滤都可用于城市饮用水处理。纳滤能 去除有机物和部分无机物，但能耗较高。微滤能去除“两虫”、藻类和水生生物，但不能完全去除细菌和病毒。超滤能将细菌、病毒、“两虫”、藻类、水生生物几乎全部去除，是目 前保障 水的 微生物安全性的 最有效技术。在美、口 等国，也 优先选择超滤膜用 J二 城市水厂。目前，世界 卜 采用膜滤的城市水厂正呈加速发展态势。在北关，采用超滤和微滤的城市水厂已发展到250余座，总处理水量从数万发展到110 x 1 o,m今 d。在日 本，膜滤水厂产水能力已达400 x 1 0m/d。在新加坡，已建成产水量为27.5 x 10 m/d的大V u 超滤水厂。全世界超滤水厂的总产水能力1 997年为20 x 1 0 mg/d,2006 年已发展到800 x1 0 m/do我国将膜滤用于 城市水I 一 的 起步较晚，且规模较 小，迄今尚 无1 x 10 m/d 以上 规模的城市膜滤水厂。目 前尚不能批量生产和供应纳滤膜，所以难以规 模化地用于 城市 水厂。但我国 现已 能大量生产和 供应质优价廉的超滤膜和微滤膜，所以 建设大型城市超滤水厂已成为可能。今后有待实现一次性突破，即建设一座(5 一 1 0)x 1 0 m/d 规模的 超滤水厂，积累设计、安装、运行、管理等方面的经验，以 便推广。超滤是绿色 物理分离技术。超滤工艺可以 取代以除浊和杀菌为目的的第一代工艺，因为即使不混凝，超滤也能将水中的浊度降至。.1 N TU以下，所以 超滤可少用或甚至不用混凝剂，从而减少混凝药剂对水质的污染。超滤能去除儿乎全部致病微生物，超滤出水水质一般可达到水质标准对微生物 指标的 要求，所以原则上没有必要再对滤后水进行杀菌消毒。当然，还需向 水中 投加少量消毒剂，以保持一定的持续消毒能力 以免水在输配过程中受到二次污染。由于减少了消毒剂的用量，也显著减少了消毒副产物的生成量，从而提高了 水的 化学安全性。用超滤技术提高第一 代工艺现有 水厂的出 水水质和微生物安全性，也是国内 外普遍关注的热点课题。为了 去除“两虫”及减少消毒副产物的生成量，口 本有些水厂在第一代工艺之后再增加超滤工艺，美国 一些水厂将第一代工艺中的砂滤池改造成 超滤装置，后者在不增加处理构筑物的情况下，不但能使水厂出 水水质提高 并且还能使水厂出水量显 著增加，是一个值得 借鉴的 经验。此外，超滤 技术还具有许多优势，例如 膜装置的模块化和标准化有利于缩短水厂建设周期，实现水量需求与产能建设同步;节约土地资源，并使水厂建设向工厂化方向发展，从而实现水厂建设方式的重大革新等等。超滤能十 分有效地去除 水中的颗粒物质，特别是致病微生物，但对于水中 小分子量有机污染物和溶解性有毒有害无机物(如氨氮、二价铁、二价锰、砷、重金属等)则难以去除，对于高浊度水也难以适应，这时 就需耍与相关水处理技术形成组合工艺，进行膜前和膜后处理，以 达到相应的处理要求。可以认为，城市水厂的膜时代已经到来，超滤将成为第三代城市饮用水净化工艺的核心技术，它将是城市饮用水净化工艺的一个新的发展方向。作者简介:李圭白，哈尔滨工业大学市政环境工程学院，院士。收稿日期:2007-03 一12以 水 资 源 的 瓦 持 续 利 用支 持 经 济 社 会 的 司 持 续 发 展