2022年饮用水中污染物质及处理工艺研究报告进展 .pdf
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1、个人资料整理仅限学习使用饮用水中污染物质及处理工艺的研究进展左金龙 / 崔福义( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090 A Review of Studies on Pollutants and Treatment Techniques Development in Water SupplyZUO Jin_long, CUI Fu_yi (School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China【摘要】分析源水中污染物质及其去
2、除技术,国内外饮用水处理工艺采用全流程、多级安全保障技术,包括水源保护与水体修复,原水安全输送,水厂内安全净化,管网水安全输配等,以期将污染物质降至水质标准以下,确保饮用水安全。【关键词】饮用水;处理工艺;水质安全中 图 分 类 号 :R123.1文 献 标 识 码 :A文 章 编 号 :1004 616X(200703017407【 ABSTRACT 】 This paper summarizes the pollutants in raw water and their removal techniques, the water treatment process puts emphase
3、s on full_process and multi_layer safety barrier techniques, including water resource protection and water body restoration, raw water safe transport, safe purification in waterworks, safe distribution in pipe etc. Drinking water safety can be ensured by adopting multi_layer safety barrier technique
4、 to meet stricter drinking water quality standards.【KEY WORDS】 drinking water。 treatment process。 water quality safe1 水污染对水处理工艺及水质标准的影响随着经济的快速发展,环境污染使饮用水原水水质日益恶化,与此同时饮用水水质标准却日益严格,因此,加快饮用水工艺的研究,以保证生产出符合卫生标准的饮用水具有非常重要的意义。1.1 水污染对水处理工艺目前,在我国淡水资源本来十分短缺的情况下,随着经济的快速发展而导致水质污染日益加重,自来水厂被迫使用受污染的水源水生产饮用水,对常规净水
5、工艺效果影响极大1 ,主要有:水中有机污染物大多是带负电荷的化合物,使水的电位升高,要保证一定的出水水质,需要投加大量的混凝剂和预氧化剂,从而增加了水处理成本。现有的常规工艺对有机物的去除率一般为20 40,对氨氮的去除率仅为15左右,出水中有机物含量仍然很高,加氯消毒后产生新的有机污染物,具有致癌、致畸、致突变( 三致 的特性。有机污染物被输水管管壁上附着的微生物所利用,在配水管网形成非稳定的水,具有三致特性。1.2 水质标准的变化趋势饮用水水质标准状况是与生产力和分析手段的发展相适应的,标准直接反映了国家的研究现状和对饮用水水质认识水平。国际上主要的饮用水水质标准有世界卫生组织(WHO )
6、饮用水水质准则、欧洲共同体(EC)饮用水水质指令、美国环保署USEPA 美国饮用水水质标准,这3 部标准是目前国际上公认的先进、安全的水质标准,也是其他各国制定标准的基础或参照。这3 部标准各具特点,在原标准的基础上作了大量修订,突出表现在水质指标数量的增加、微生物和有机物种类、浓度的严格限制。通常水中的污染物质主要分为有机物、无机物、微生物和放射性物质4 大类。我国目前水处理行业实际实施的是2001 年的卫生部的生活饮用水卫生规范(96项)和2005 年建设部的城市供水水质标准(101 项),新的生活饮用水卫生标准国家标准 (106 项)将从2007 年 7 月 1 日起执行,上述标准在总体
7、指标上接近国际先进水平,对水厂的投资、设计、运行提出了高要求。1.3 水厂的升级改造精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 10 页个人资料整理仅限学习使用目前我国的主流饮用水处理工艺是“混凝_沉淀 _过滤 _消毒”的常规处理工艺,其主要目的是去除水中的悬浮物、胶体和杀灭细菌,对于日益污染的原水水质,常规工艺出厂水质无法满足新的水质标准2 。因此,供水企业必须采取适宜的升级改造措施或开发新工艺,保证对原水中各种污染物质的去除。2 国内外水处理技术的研究现状2.1 有机物污染近年来,世界经济的持续发展,有机化合物的产量和种类不断增
8、加,对水源造成了极大的危害,有机物污染问题已成为当今水环境质量控制的主要问题和研究热点。2.1.1 常规指标常规指标中有氨氮和高锰酸盐指数。现有的常规工艺对高锰酸盐指数的去除率为20 40,对氨氮的去除率仅为15左右。氨氮不仅与饮用水受近期污染有关,而且与饮用水中细菌指标相关。水源中过量氨氮等存在易使藻类大量滋生,消毒时投氯量加大,一些自养性细菌在水处理设备中的滋生,对水的气味有不良的影响。臭氧_生物活性炭 (O3/BAC)炭滤池对NH3_N去除率接近30。目前去除氨氮的最好方法是生物预处理技术。水温对氨氮的去除效果有一定影响,水温低于 5 去除率下降较快。此法在北方冬季应用受限。高锰酸盐指数
9、是水体中有机污染综合指标,目前国内外通常采用生物预处理、强化混凝、臭氧活性炭等控制方法,可将高锰酸盐指数的去除率提高到40 60。2.1.2 持久性有机污染物目前国内外对持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs)的处理技术主要有以下几种:对于数量较多且较集中的PCBs污染物,一般采用热分解技术。日本物质工学工业技术研究所将PCBs 、水和 1 氢氧化钠加到反应温度为 450 和反应压力为300 个大气压的超临界反应器中成功地使 99.99 多氯联苯分解。非热技术主要利用化学试剂、微生物和电磁场等来实现POPs 的处理或销毁,非热技术主要包括:化学
10、脱氯技术、紫外光解技术、溶剂萃取技术、吸附技术、生物降解技术、化学降解技术、射线分解技术等。目前,报道较多的是二英在水中紫外光或与臭氧联用降解,在TiO2 固相表面上的催化光降解。日本仓纺公司正在开发采取紫外线和臭氧联用分解水中二英的装置,可去除水中99.9 的二英。也有研究报道,可把二英直接聚合成更高分子量的低毒或无毒化合物,从而达到处理的目的。国内研究发现一种新型的吸附剂,由活性炭载体和含有天然甘油三油酸酯的醋酸纤维素膜构成,该吸附剂对饮用水中微量的狄氏剂( 一种POPs )去除效果好,可用于吸附痕量POPs3 。除 DDT在生活饮用水标准中列有指标外,POPs的相关环境浓度标准十分缺乏。
11、由于世界各国都已经采取了禁产禁用的措施,因此研究重点是从环境中清除的办法,其主要研究集中在微生物降解、光催化氧化等方法。2.1.3 环境激素直译为 内分泌干扰物,也称环境荷尔蒙。是指释放到环境中能导致内分泌障碍的化学物质,可以干扰人体正常内分泌功能。在全球约1 000 万种各类化学物质中,已有70 种被确认为环境激素类物质。其中67 种均为有机化合物,另外3 种为镉、铅、汞金属类物质。常规工艺对环境激素去除效果不佳,现在多采用吸附法和高级氧化法。研究表明臭氧_活性炭,臭氧催化氧化工艺去除水中微量环境激素,去除率可达80以上。2.1.4 硝基苯硝基苯类化合物是1 类强致癌、致突变性的有毒有机污染
12、物,被美国环境保护署(EPA)列为环境优先控制污染物,全世界每年排入环境中的硝基苯类化合物约为3 万吨。硝基苯BOD5/COD比值较低,一般在00.1 ,是生物难降解化合物。硝基苯类化合物的分子结构中具有强电子基团硝基,一般化学氧化手段很难破坏硝基苯类化合物,臭氧、 O3/UV 、光催化氧化、光催化芬顿试剂、超临界氧化已经应用,但这些方法费用高、效率低。通过化学还原手段可将硝基苯还原生成苯胺,反应速度很快,且苯胺易于被生物降解4 。硝基苯对菌种及降解酶要求严格,降解中间产物繁多且具有毒性,因此上述研究仅局限于废水处理5 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
13、- - - - -第 2 页,共 10 页个人资料整理仅限学习使用我国去年发生的松花江水硝基苯污染,研究发现常规处理工艺基本上没有去除作用,混凝沉淀去除率仅2 5,单纯增加混凝剂的投量没有改善作用;采用化学氧化剂高锰酸钾、臭氧都不能将其氧化;水厂实际研究证明硝基苯容易被活性炭吸附,所以在水厂实际运行中采用粉末活性炭吸附法应对硝基苯污染。不过这只是应急处理措施,以保证水质安全达标。但对分离出的硝基苯如何处理,避免二次污染还有待深入研究。对于水源的硝基苯污染,单一技术无法解决问题,今后物理化学法_生物法联用技术可能会在根治硝基苯污染中发挥重要作用。2.1.5 藻毒素近年来富营养化水体水华发生的频率
14、与严重程度都呈现迅猛的增长趋势,在藻体大量死亡分解的过程中,不但散发恶臭,破坏景观,同时释放藻毒素,危害人类饮用水安全。淡水水华已检测到藻毒素特点如表1 所示。微囊藻毒素 (microcystins,MC )由于毒性较大,分布广泛,是目前研究较多的一族有毒化合物。此毒素是蛋白磷酸酶_1 和蛋白磷酸酶_2A 的强烈抑制剂,是迄今已发现的最强的肝肿瘤促进剂6 。流行病学调查显示饮水中的MC_LR与肝癌的发病率高度相关。美国Carmichael等 7 于 19961997 年间对美国和加拿大的部分市政供水水质的研究发现:水中 65的微囊藻毒素未被去除,1/3 的阳性样本超过WHO 规定的 MC低于
15、1.0 g/L 的浓度标准。由此可见,去除藻类后,水中仍残留有溶解的藻毒素,要去除这些藻毒素必须对现有水处理工艺进行改造。Himberg 等8 对饮用水处理工艺去除微囊藻、颤藻的肝毒素进行了较为系统的研究:工艺 1:水样 _Al2(SO4)3_砂滤 _PAC_ 氯化 _出水工艺 2:水样 _O3_Al2(SO4) 3_砂滤 _氯化 _出水工艺 1 混凝去除部分有机物、藻毒素,活性炭发挥吸附藻毒素的高效性。工艺2 为 O3氧化一部分藻毒素和有机物,然后通过混凝、砂滤彻底去除藻毒素。两种工艺都可取得100的去除率。上述表明单元工艺对藻毒素的去除有限,若要达到较高的去除效率,必须通过工艺组合来实现。
16、2.1.6 消毒副产物饮用水中消毒副产物(disinfection by_products)的形成是由于消毒剂在消毒灭菌的同时,与水中的有机污染物反应,生成对人类健康有害的物质。1974 年 Rook 发现加氯消毒后的水中发现三卤甲烷以来,又在加氯消毒后的水中发现了卤乙酸、卤代酮、卤代腈等多种具三致特性的消毒副产物,这使得氯的使用日渐受到质疑,同样的加氯量条件下,作为预氧化时比作为消毒剂时要产生更多的消毒副产物9 。我国对消毒副产物的研究主要集中在三卤甲烷 (trihalomethanes, THMs)测定和生成机制上,对HAAs等其它消毒副产物研究均处于起步阶段,亟待深入展开。为控制消毒副产
17、物,世界各国都加大研究力度,现在可行方法有:从水处理各环节去除消毒副产物及其前体物。美国EPA 提出最有效的技术之一是活性炭技术。我国主要采用高锰酸钾或臭氧预氧化,破坏水中消毒副产物前质,降低后氯化过程中消毒副产物生成量。还可以利用后续的生物处理( 如生物活性炭)来进一步削减THMs生成能力,出水效果极佳。不少生产性实验的结果也证实了该措施的可行性。更换消毒剂品种。采用替代消毒剂氯氨、臭氧、二氧化氯、UV 等,氯氨可以大幅度降低消毒副产物产生量,保持管网持续消毒能力;二氧化氯不会与有机物反应产生三卤甲烷、卤乙酸等DBPs ,消毒效果好。但只能现场制备,运行管理及成本较高,其副产物为亚氯酸离子(
18、ClO2)和氯酸离子(ClO3);臭氧设备复杂、投资大、耗电量高,无持续消毒能力,存在甲醛及氧化中间产物等副产物;紫外线消毒无需化学药品,不会产生THMs类消毒副产物。但其没有持续的消毒作用,目前只是适用于小水量处理。2.2 无机物污染2.2.1 重金属由于工业废水没有治理或没有有效处理,许多水源已经监测到重金属浓度,现在研究较多的有汞、镉、铬、铅等重金属。汞及其化合物属于剧毒物质, 可在体内蓄积,进入水体的无机汞离子可转变为毒性更大的有机汞,丰水期江水总汞含量明显高于平水期和枯水期,地表径流使江底沉积汞转变为悬浮态,汞溶解度增大,江水总汞含量也相应提高。精选学习资料 - - - - - -
19、- - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 10 页个人资料整理仅限学习使用含铬化合物过量对人体是有害的,Cr(VI )比Cr (III )毒性高100 倍。弱碱阴离子交换树脂可以选择性去除水源中的痕量Cr(VI ),铁盐共沉淀法可以高效简便去除生活饮用水中铬,操作简便,处理费用低廉。对于含铬量较高1050 mg/L的水样,可采用两段铁盐去除法。除铬率98 98.5 ,可将铬彻底除去10 。镉在自然界中含量很低,水中不超过l0 g/L 。二价镉离子易溶,和氧、有机物可形成复杂化合物。去除的方法有:光催化氧化、化学吸附与沉淀、离子交换法等。一般水源水中镉经过自来水厂混凝沉
20、淀净化处理,可去除原水中镉的20 30。根据碱性条件下镉离子溶解性大幅度降低的特性,采用碱性条件下混凝除镉工艺。在进水镉浓度超标34倍的条件下,出厂水镉的浓度在0.001 mg/L ,远低于水质标准0.005 mg/L11。人饮用含铅量0.03 mg/L以上的水会导致慢性中毒。美国EPA对服务于3 000 万人口的 819 个自来水系统的调查发现铅含量过多,铅来自供水管道及水龙头。规定自来水中含铅量不得超过15 g/L ,并建议当自来水中含铅量15 g/L时,应经过活性炭过滤等处理再供饮用。有研究认为高锰酸钾预处理对水中微量铅的去除效果较好。新生态水合二氧化锰的吸附作用是取得良好除铅的主要因素
21、12 。2.2.2 氟天然水含氟一般为1 25 mg/L ,但在一些国家如印度、南非等,浓度远高于25 mg/L。国内外饮用水除氟的处理方法大约有十余种,其中许多方法尚不成熟,在应用中有一定困难。饮用水除氟技术主要有化学沉淀法和吸附过滤法两大类:活性氧化铝法是应用最广的一种饮水除氟方法。氧化铝吸附能力在pH 值为 56 时最强,但采用活性氧化铝除氟时原水中砷含量不能过高。美国得克萨斯州的Bartlett镇建造了处理能力为90.8 m3/h的活性氧化铝除氟装置,此后Deseyt Center、 Ranch、Gila Bend等地相继建造26505680 m3/d 的饮用水除氟装置,效果较好。我国
22、近年来应用活性氧化铝除氟装置同时,开发了自动频繁倒极技术电渗析除氟技术,得到了迅速发展和广泛应用。90 年代初,在塔克拉玛干沙漠腹地,首次利用反渗透设备制取了淡化除氟水,并达到了我国饮用水卫生标准13 。2.2.3 铁和锰地下水常常含有过量的铁和锰,严重影响其使用价值,且过量摄入对人体是有慢性毒害。铁、锰在自然界中既能发生生物学氧化、还原,又能发生非生物学氧化、还原。地下水中往往同时含有Fe2和 Mn2 ,除铁除锰流程的组合和铁、锰去除过程的统一是工程的实际问题。工程上实用的方法可组合成如下几种除铁除锰全流程14 :是以氯为氧化剂的化学氧化除铁除锰流程。本流程是据Fe2、 Fe3和 Mn2 、
23、 Mn4 两个反应系的氧化还原电位的显著差异而设计的两级过滤流程。先应用氯氧化除铁法除铁( 根据原水中Fe2浓度不同,还可设定有无凝聚池和沉淀池),然后再用氯接触过滤池除锰。在原水含锰、含铁量比较小的情况下应用一级滤池除铁、除锰的流程。为节省投氯量,可先以空气为氧化剂经接触过滤除铁,然后用氯接触过滤池除锰。是先用空气氧化接触过滤除铁,然后应用 KMnO4 除锰。但Mn2 含量大于1.0 mg/L时尚需在除锰滤池前设沉淀池。以空气为氧化剂的接触过滤除铁和生物固锰除锰相结合的流程。原水经曝气后直接进人滤池。该滤池的滤层为生物滤层,存在着以除锰菌为核心的复杂微生物群系。微生物群系的稳定和平衡对除锰的
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