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1、 李圭白院士解读第三代城市饮用水净化工艺阅读(565) | 发表于 2009年12月17日 16:42针对20世纪末出现的城市饮用水重大微生物安全性问题，中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授李圭白院士提出了以超滤为核心技术的第三代城市饮用水净化工艺。在日前举办的“全国给水深度处理研究会2007年年会”上，李圭白院士对这一新工艺进行了深入的解读。 李圭白院士在发言中指出，第二代饮用水净化工艺的出水中细菌含量显著增多，不能有效杀灭和控制饮用水中的贾第鞭毛虫、隐孢子虫、剑水蚤、蓝绿藻等有害生物，出厂水在输送和贮存过程中出现微生物增殖现象，从而导致饮用水的生物安全性降低，这一系列的生物安全性问题使得第二
2、代工艺的合理性和优越性逐渐不再被充分认可。“饮用水的生物安全性，是饮水安全最重要和首要必须保证的”，李圭白院士在发言中强调。 膜是21世纪新材料中的一个增长点，微滤膜、纳滤膜和超滤膜都可用于城市饮用水处理。其中，微滤膜孔径较大，不能充分截留去除病毒和细菌；纳滤膜和超滤膜的孔径均小于水中的病毒、细菌、原生动物、藻类等致病微生物，能将水中的微生物几乎全部去除，是最有效的去除水中微生物的方法。“目前在我国选择超滤膜提高水的生物安全性是比较可行的”，李圭白院士指出，超滤膜本身能去除部分的天然大分子有机物，另外，通过在膜前增设生物粉末活性炭，构成高效的超滤膜生物粉末活性炭反应器，这样水中的微量有机污染物
3、也会被有效去除，从而可以获得生物稳定性更高的出水。 李院士指出，过去由于膜的价格昂贵，一直没有将膜滤用于大型城市自来水厂，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，目前超滤膜已在我国形成规模生产能力，其性能和质量已达到国外同类产品水平，能够为数万吨/日的大规模水厂提供膜材料，其价格也逐渐降低，现在已达到可与第一代工艺竞争的价位。李圭白院士以苏州市的一个1万m3/d的超滤净水厂为例进行了费用分析，该超滤净水厂建设费用约300元/m3/d，运行成本为0.0782元/m3，与该水厂原传统工艺的费用大体相同。另一方面，新的生活饮用水标准的颁布和国家节水减排政策的出台也
4、给膜技术在城市饮用水净化方面的应用打开了极大的市场空间。 我国绝大多数城市水源为III类水体，李圭白院士提出的以超滤为核心技术的第三代城市饮用水净化工艺就是以III类水体作为原水，先经过安全预氧化（或强化混凝），再经过生物活性炭（或超滤），最后经过安全消毒，获得优质的饮用水。将超滤置于活性炭之后，可截留出水中的微生物及炭微粒；同时，第三代城市饮用水净化工艺通过对水中的致病微生物和水生生物、浊质、有机物等设置多级屏障，可以使其含量得到逐级削减，最后得到优质的饮用水；采用的多种处理单元具有互补性和协同效应，从而使整体得到优化。以超滤为核心技术的第三代城市饮用水净化工艺不仅高效经济，还体现了绿色工艺
5、的理念，其中的膜滤、活性炭吸附和生物降解都是绿色工艺。 李圭白院士最后说，新的生活饮用水卫生标准中规定的微生物指标是相对安全的，而以超滤为核心的第三代城市饮用水净化工艺将使饮用水的生物安全性从相对安全走到绝对安全，使城市饮用水净化工艺产生重大变革。 第三代饮用水净化工艺初探阅读(521) | 发表于 2009年11月25日 17:54一、前言过去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。在这个背景下，20世纪初，研发出了混凝沉淀过滤氯消毒净水工艺，可称为第一代饮用水净化工艺。20世纪中叶，出现了城市中水介病毒性传染病（如
6、肝炎、小儿脊椎灰质炎等）的流引。研究表明，水中的病毒浓度与水的浊度有关，只要将水的浊度降至0.5NTU以下，再经氯消毒，就可以控制病毒性传染病的流行，从而对第一代工艺提出了更高的要求，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（如致癌、致畸、致突变物质等）和氯化消毒副产物，而第一代工艺又不能对其有效地去除和控制。在这个背景下研发出了第二代饮用水净化工艺，即在第一代工艺后面增加臭氧颗粒活性炭深度处理工艺。20世纪末，由于水环境污染的加剧，以及水质检测技术的发展，又发现了许多新的水质问题，如贾第虫和隐孢子虫（两虫）问题，水蚤
7、、红虫问题，藻类污染加剧及臭味、藻毒素问题，水的生物稳定性问题、高氨氮含量问题，内分泌干扰物问题等等。为此，包括我国在内的世界各国都对饮用水制订了指标项目更多（100多项）和更严格的水质卫生标准。第二代工艺对上述的水质问题，只取得了一定处理效果。例如对“两虫”、水蚤、藻类都不能百分之百地去除，对高氨氮含量（氨氮含量23mg/l）难于降到水质标准（0.5mg/l）的要求等等。此外，臭氧氧化能生成溴酸盐、甲醛等对人体有较严重毒害作用的氧化副产物，使臭氧的广泛使用受到质疑；有的研究指出，第二代工艺经颗粒活性炭的出水中细菌含量显著增多、且有的细菌抗氯性增强，此外含有的细微炭粒会对后续消毒效果产生不利影
8、响；这就使人们对第二代工艺的合理性和优越性不再被充分认可。在这个背景下，有待研发出比第二代工艺更安全更有效的第三代饮用水净化工艺。二、第三代饮用水净化工艺初探1、第三代饮用水净化工艺的特点和组成第三代饮用水净化工艺，应该体现有效、经济和绿色工艺的理念。可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，研制开发新的绿色净水技术是刻不容缓的课题。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。绿色净水工艺应具有下列特点：（1） 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，制造他们的原料是无毒无害的，并且在制造过程本
9、身不产生有毒有害污染物。（2） 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。（3） 绿色净化工艺在使用后，不产生有毒有害的副产物，不会对饮用者的健康造成影响。（4） 绿色净水工艺的产物，如沉淀池污泥等等，易于处置，不会增加外环境的污染负荷。绿色净水工艺不仅强调使用过程及使用前后无毒无害，而且也着重强调提高能源和能源的利用率，这样才能发挥绿色工艺的作用，为人类的可持续发展做出贡献。笔者提出的第三代饮用水净化工艺，在我国城市绝大多数以类水体为水源的前提下，工艺组成如图1所示类水源水安全预氧化/强化混凝生物活性碳/超滤安全消毒饮用水图1 第三代饮用水净化工艺 对于受污染的水源水
10、，常规的强化混凝能提高天然有机物的去除率，但对于微量有机污染物的去除效果很低；而化学预氧化常能显著提高对微量有机物的去除率。此外还能进一步强化混凝，提高对天然有机物以及浊度的去除率。 本工艺最后经超滤出水，出水浊度可降至0.1NTU，所以混凝后的水经过沉淀便可进入超滤过滤，而不必设置常规的过滤池，从而简化了工艺流程。 超滤前设置活性炭，例如颗粒活性炭，可以发挥物理吸附和生物降解的作用。若设置粉末活性炭，炭浓度可提高至数千mg/l,当于反应器前向水中投加数mg/l的粉末活性炭时，活性炭将在反应器中停留很长的时间，不仅能将其吸附容量充分发挥出来，并且在炭表面还能生长生物膜，进一步发挥对有机物的生物
11、降解作用，从而构成高效的超滤膜生物粉末活性炭反应器。超滤一般能去除包括水蚤、藻类、原生动物、细菌甚至病毒在内的微生物，所以对超滤出水的消毒，主要不是灭活水中的致病微生物，而是使水在输配和贮存过程中具有持久的消毒能力。本工艺中的超滤和生物活性炭净水，一般对水质无不良影响，是绿色的物理和生物处理方法。化学预氧化、混凝和药剂消毒，都会对水质有一定的影响，所以应选择对水质影响较小较安全的水处理药剂，争取做到既有效又安全。2.第三代饮用水净化工艺对水中致病微生物的去除作用。饮用水的微生物安全性无疑是首要的，是需要特别关注的。本工艺对于致病微生物、藻类 、以及水蚤、红虫等，具有预氧化杀灭、强化混凝、活性炭
12、吸附、生物吸附、超滤截留及安全消毒等多级屏障，特别是超滤几乎100%地对微生物截留，是最有效地去除“两虫”、除细菌及病毒、除藻、除水蚤等的方法。该工艺中的预氧化剂和消毒剂，在目前工程中可供选择的有氯、氯氨、二氧化氯、臭氧、高锰酸钾及高锰酸盐复合剂。用氯作预氧化剂，能生成大量对人体有毒害的氯化消毒副产物，已不提倡采用，这已为众人所周知。氯氨生成的消毒副产物比氯要低得多，并且THM或HAA一般不超过10g/l，所以是比氯更安全的消毒剂。并且实验表明，若先将氯与氨作用生成氯氨再投入水中，比将氯与氨分别投于水中生成的氯化消毒副产物要少。二氧化氯虽然不生成氯化消毒副产物，但其还原产物亚氯酸盐和氯酸盐对人
13、体有毒害作用。世界卫生组织提出的饮用水水质标准（1992）和我国卫生部颁布的“生活饮用水卫生规范”（2001），规定水中亚氯酸盐的浓度限值为0.2mg/l，考虑到二氧化氯向亚氯酸盐的转化率为70%，所以二氧化氯的投量只有不超过0.3mg/l条件下才能满足水质标准的要求，这样的限量限制了二氧化氯的使用。虽然我国建设部颁布的“城市供水水质标准”（2005）规定水中亚氯酸盐浓度限值为0.8mg/l，使二氧化氯仍可使用，但不能认为是足够安全的消毒剂。此外，氯、氯氨和二氯化氯都有持续消毒能力，若在工艺中用作预氧化剂，将对后续生物活性炭的生物作用产生不利影响，所以在此不宜用作预氧化剂。臭氧用作预氧化剂对致
14、病微生物、藻类、水蚤等的灭活能力都很强，但其氧化副产物的毒害作用不容忽视，且基建及运行费用都较高，在此也不推荐使用。近年来，笔者研究开发将高锰酸钾用于饮用水除污染，并发明了效能更高的高锰酸钾复合剂除污染技术。高锰酸钾及其复合剂的氧化能力和对微生物等的灭活能力相对较弱，但对藻类仍有使其失活的作用，特别是藻类失活细胞不被破坏，内容物不外洩，比较其他氧化剂会使藻内容物外洩造成二次污染，是其优点。研究表明，高锰酸钾预氧化迄今尚未发现能生成对人体有毒害的氧化副产物，所以是比氯、氯氨、二氧化氯和臭氧更安全的氧化剂，鉴于高锰酸钾及其复合剂预氧化还有优良的强化混凝、除臭除味、除污染效能（见后文），故在本工艺中
15、推荐采用高锰酸钾及其复合剂作为预氧化剂。在本工艺中，超滤出水的微生物学指标，一般已能达到新饮用水水质卫生标准的要求，所以后续的消毒，主要是为满足水在贮存和输配过程中对消毒剂 持续消毒作用的要求。在生产中可供选择的有持续消毒能力的消毒剂有氯、氯氨和二氧化氯。前已叙及，氯氨和二氧化氯都是比氯更安全的消毒剂，但从安全性和经济性的综合评价看，宜首选氯氨用作超滤后的消毒剂。3.第三代饮用水净化工艺对浊度的去除作用。水的浊度是非常重要的水质指标，它不仅是水的观感性指标，并且还是水的微生物学指标。原水中浊质经混凝沉淀可大部被除去。高锰酸钾及其复合剂预氧化具有优良的强化混凝作用，能提高浊质的去除效率。在出水浊
16、度相同的条件下，高锰酸钾及其复合剂能减少混凝剂的投加量。超滤出水浊度一般为0.1NTU左右，并与超滤前水的浊度基本无关，所以本工艺混凝沉淀后的水可以不经过滤直接进入超滤。我国绝大多数城市以河水为水源，原水浊度在数十NTU到数百（甚至上千）NTU间变化，本工艺的混凝沉淀单元对该浊度变化范围的原水应该是适应的。若将混凝沉淀看作超滤前的预处理，本工艺混凝沉淀单元的设置大大拓展了超滤对原水浊度的适用范围。由于本工艺超滤出水浊度一般为0.1NTU左右，在水的观感指标和微生物安全性方面，应是符合新的水质标准的。此外，超滤能截留生物活性炭出水中的细微炭粒，可防止细微炭粒对微生物的保护作用，从而增加了出水的微生物安全性，这与第二代工艺相比是一个优点。4.第三代饮
