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1、1.2 饮用水处理工艺1.2.1 传统饮用水工艺及问题随着我国社会与经济的发展，我国供水行业所面临的突出问题是水质问题，一方面水源普遍受到污染，另一方面水质需求标准不断提高。而我国城市自来水水质明显低于国外发达国家。原因一方面是由于我国现有水源均有不同程度的污染，而另一方面是由于我国大多数水厂仍然采用的是常规饮用水处理工艺:混凝一沉淀一过滤一消毒。这种常规处理工艺主要去除对象是原水中的浊度、色度、悬浮物、胶体杂质和细菌。通过投加混凝剂，使水中的胶体和细小悬浮物相互聚合，形成较大颗粒絮体，再通过沉淀进行分离。过滤则进一步截留沉淀后水中残留的杂质，降低水的浊度。在饮用水处理工艺中，过滤工艺是不可缺
2、少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。并且，采用消毒来火活水中的致病微生物。水的消毒方法很多，包括氯及含氯化合物消毒、臭氧消毒、紫外消毒等，其中氯消毒最为经济，使用方便，效果显著，应用也最为广泛。目前我国绝大多数给水厂仍然主要采用传统水处理工艺。水源水中的有机物含量日益增多，组分复杂多变，水库、湖泊由于富营养化导致藻类滋生严重，加重了水源处理的困难，这都给传统的饮用水处理提出了严峻的挑战。而 2007 年 7 月 1 口起实施的生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)加强了对水质有机物、微生物和水质消毒等方面的要求。自20 世纪 70 年代初美国环保局在饮用水中检测出致突变的三氯甲烷以来
3、，水中有机物对健康的危害引起人们越来越多的关注水质标准日益严格化。如何获得安全可靠的饮用水已成为给水领域的研究热点。这些研究主要集中在三个方面:减少水中人工合成有机物的含量、控制消毒副产物的生成及提高饮用水的生物稳定性。这三方面的研究均可归于去除水中的各种有机物。水源水中的污染物主要是天然有机物(Natural Organic Matter, NOM，是动植物在自然循环和代谢过程中腐烂分解所产生的物质，其主要成分是腐殖质，表面含有多种官能团，能够与钙、镁、锰等大分子金属离子络合，从而影响水处理中混凝效果。腐殖质的主要官能团包括羟基、酚羟基、醇羟基、梭基和间苯二酚等。腐殖质是水处理工艺中最为难处
4、理的部分，按其在酸、碱中的溶解性差异可分为:腐殖酸（HA)、富里酸(FA)和腐黑物，在一般的混凝条件下很难得到有效地去除。腐殖酸的存在，一方面会使水中金属离子和微量元素含量下降，矿化度降低，从而破坏了某些人体必需元素如 Ca, Mg, Mn, V, Mo 等的吸附和平衡;另一方面，可以影响金属离子的毒性和生物有效性腐殖质本身对人体并没有毒害作用，但它属于难降解有机物，且具有较高的卤代活性，是最常见的三卤甲烷(THM s)前体物质，易在水厂加氯过程中形成消毒副产物 DBPs 和三卤甲烷类致癌物质。这些化合物对人体有害，有致癌作用，去除水中的有机物可以有效减小 THMs 的生成量，消除其对人体健康
5、的影响。总体来说，治理微污染水源特别是去除水中有毒有害物质成为饮用水处理中急待解决的问题。传统水处理工艺面临水源水质的持续恶化，有时无法满足饮用水标准要求。1.2.2 饮用水处理工艺发展面对传统工艺的以上问题，多种行之有效的新型水处理工艺已被开发出来，以提高饮用水水质。包括强化常规处理、预处理和深度处理等技术都是近几年水处理技术的主要发展趋势。2.2.1 强化常规工艺强化常规处理包括强化混凝、强化沉淀与气浮和强化过滤等。强化混凝主要是基于混凝剂投加量的提高或混凝过程 pH 条件的控制，包括最大化去除颗粒物和浊度，最大化去除水体有机物和 DBPs 前体物，减小混凝剂的残余量，减少污泥产量，最小化
6、生产成本等。 强化沉淀的措施主要是优化斜板间距、优化沉淀区流态、优化排泥，采用斜管代替斜板的斜管沉淀、拦截式沉淀等;而强化气浮则主要是优化气浮的接触区和分离区、优化进水和出水、优化各区流态、气浮与预氧化结合技术、实现高速气浮与多功能气浮等。强化过滤技术可以通过对滤池滤速的控制，采用新型或多层的滤料，增加预处理以及投加助滤剂等方式实现，而其中最为关键的是滤料的选择。而现有的研究也只要是围绕这个主题展开的，从早期的石英砂和无烟煤，到陶粒、瓷砂、泡沫塑料和纤维滤料等。目前，国内外的研制的新型滤料主要是通过改变滤料表面特性、改善过滤性能来提高其截留能力，达到改善水质的目的。改性滤料即是在载体滤料的表面
7、通过化学反应涂上一层改性剂(通常为金属氧化物)，从而改变滤料颗粒表面物理化学性质，以提高滤料对某些特殊物质的吸附能力和增强滤料的截污能力。2.2.2 预处理技术目前我国常用的预处理技术主要有吸附法、化学氧化法和生物氧化法。吸附预处理技术是指利用物质的吸附性能或交换作用来去除水中污染物的方法。目前用于水处理的吸附剂有活性炭、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石、多孔合成树脂、活性炭纤维等。粉末活性炭(PAC)是其中应用最为广泛的方法，是将 PAC 和混凝剂一起投加于原水中以吸附有机物，参与混凝沉淀过程后残留于污泥中，但由于其费用较高且活性炭的吸附能力得不到充分的发挥，故一般应用于原水季节性水质恶化
8、或水质变化时。化学氧化预处理是一种传统处理方法，指向微污染水源水中投加化学氧化剂，以氧化分解水中的有机物和控制消毒副产物，同时还能有效去除水中大量存在的藻类。常用的化学氧化剂有:臭氧、高锰酸钾、过氧化氢、二氧化氯和紫外线辐射等。化学氧化预处理技术可能会使氯化后的出水致突变性增加，且运行费用高目前研究的主要热点是各氧化剂之间的协同作用，使饮用水源中的各种有机物得到彻底的去除。生物预处理是指在常规处理工艺之前，借助于微生物群体的新陈代谢活动，去除原水中可生物降解的有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和氨氮，亚硝酸盐等污染物，再通过改进的传统工艺处理，使处理后的水质改善。常用方法有生物滤池、生物转
9、盘、生物流化床，生物接触氧化池和生物活性炭滤池。2.2.3 深度处理饮用水深度处理是指在常规处理的基础上，采取进一步的措施将常规工艺不能有效去除的微量有机污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水水质的安全。这些技术主要包括:高级氧化技术、活性炭吸附技术、生物活性炭、臭氧一生物活性炭技术和膜技术等。其中，膜技术已经在水处理领域中得到了普遍的认可，其中微滤（MF)和超滤（AF)技术的应用最为广泛。2.3 滤池反洗水回收的研究进展随着城市建设和环境保护事业的不断发展，给水厂所排出的生产废水即滤池反洗水对环境的污染越来越引起人们的关注。而不断增长的水资源压力使得滤池反洗水回收，提高饮用水处
10、理中的产水率迫在眉睫。目前我国给水厂拥有滤池反洗水处理与回收再利用设施的还不足 5 0%，从可持续发展和降低给水厂运行成本的角度，将这部分水回收对于城市节水具有积极意义。滤池反洗水中含有大量有机物、藻类、部分重金属，尤其是含有高浓度的病原微生物。因此，回收滤池反洗水后可能对给水厂出水水质产生的影响一直是研究的热点。Hochstrat等人的调查表明滤池反洗水回收利用中的关键问题就是回收水对人类健康的影响。现有的给水厂滤池反洗水的回收方式可分为直接回收和处理后回收。直接回收一般为将滤池反冲洗废水收集到回收池，然后由泵抽至配水井中与原水混合，这种方法在给水水厂的应用逐渐减少。处理后回收指将滤池反冲洗
11、水的上清液经过某些工艺处理后，水质满足原水的常规化学指标和生物指标后再回收。在回收前对反冲洗废水进行预处理，美国回收滤池反冲洗废水技术指导手册里推荐主要有六种工艺可供参考:（I)沉淀;（2) 微砂辅助沉淀;(3)气浮;(4)颗粒床过滤;（5)膜过滤;(6) 消毒。而由于超滤膜对隐袍子虫、贾第虫、细菌和病毒的有效截留，而逐步开始研究并将其应用于处理反冲洗废水中。现有的研究表明采用超滤膜回收砂滤反洗水得到了安全保障并且出水水质能够达到饮用水卫生标准。Willemse 等人报道在荷兰 1997 年建成了一套超滤装置回收处理水厂的反冲洗水，采用全流死端过滤的方式运行一年，最大处理能力为 120 m3/
12、h，系统回收率达到 93 %，能耗低于 0.15 kWh/m3，出水水质满足饮用水水质标准，其中膜出水浊度均低于 0.05 NTU 。Balaban 等人应用中试规模的 MF 膜系统处理未经沉淀的滤池反洗水，采用通量为 150-200 L/m2-h，出水水质满足欧盟饮用水标准。M.E.Walsh 的研究结果表明滤池出水混合 10%的中试 OF 膜处理过的滤池反洗水后，对其出水中细菌总数、总三卤甲烷和氯乙酸浓度没有影响，说明采用 OF 膜滤池反洗水能够控制有效地其消毒副产物和生物稳定性。Li 等人采用陶瓷膜处理砂滤池反冲洗水，膜出水水质良好，产水率达到 98%o Ressmann 采用中试规模的
13、浸没式 OF 膜系统分别处理了经沉淀处理和不沉淀处理的两种滤池反洗水，采用通量为 40 L/h.m2，回收率均达到 90%。试验结果表明是否在 OF 膜装置前增设沉淀池，对膜出水水质和通量没有显著的影响。在两种运行方式下，膜出水水质指标均到饮用水水质标准，特别是铝、砷、钙、铁和锰等金属离子被完全去除，出水经连续消毒后，无安全隐患。1.3 膜技术在饮用水中的应用膜技术自开始应用于水处理领域以来，由于其对于颗粒物、细菌和微生物的有效截留而得到广泛关注。在饮用水处理中常用的膜可以分为四类:即微滤膜（MF、超滤膜(UF) 、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)。微滤和超滤为低压膜，其主要区别就是孔径大小不
14、同，前者孔径大于 0.1 um，主要去除悬浮分颗粒、细菌和部分病毒，后者孔径范围在 0.01-0.1 um 之间，主要应用于大分子或细小胶体以及病毒、细菌的截留。纳滤膜可以有效地截留多价离子，但是对单价离子的截留性很差。 RO 膜几乎可以截留所有水中的溶质。而其中超滤（UF)和微滤（MF ）技术由于操作压力低、出水水质稳定在给水处理中的应用不断发展，已具有取代传统饮用水处理的潜力，已成为应用最为广泛的膜技术。微滤和超滤膜去除水中污染物的过程是通过膜孔的直接筛除作用，对污染物的去除有极好的稳定性 o 1988 年，世界上第一座膜分离水厂在美国的科罗拉多州的 Keystone 建成运行，处理水量为
15、 105 m3/d，采用 0.2 um 孔径的中空纤维微滤膜随着膜技术的成熟以及膜价格的逐年降低，膜技术在饮用水处理中得到了广泛的应用，被称之为“二十一世纪的水处理技术” 。1.3.1 预处理与低压膜联合工艺的应用膜技术是物理分离，在处理地表水的过程中，NOM 是最为常见的有机污染物质，单独应用微滤膜和超滤膜对溶解性有机物的去除率不高，并且会造成严重的膜污染，对于高浊度水也难以适应，研究者更多的是将微滤和超滤膜与其他预处理措施联合应用，以达到相应的处理要求，提高对 NOM 的去除效果，改善饮用水的水质。为此往往将一些物化处理工艺与膜技术组合，以保证膜处理效果的稳定性，降低膜维护次数，延长膜的使
16、用寿命。预处理、膜组件的选择和流程的安排，这三个相互影响因素的优化组合决定着膜处理装置运行的成败。目前，常用的预处理措施有:混凝/ 絮凝、吸附和氧化等，在本文具体论述这几种预处理方式与膜技术联合应用方面的研究进展。3.1.1 混凝预处理混凝可以有效的去除水中的颗粒物、胶体和溶解性有机物，与低压膜技术联用后，能够提高其出水水质。何文杰等人采用混凝和浸没式 OF 膜处理滦河水，在增加混凝预处理工艺后，CODMn 的去除率提高了 13.6%，并且对于浊度和细菌等都有非常好的去除效果。pikkarainen 等人采用四种混凝剂聚合氯化铝、硫酸铝、硫酸铁和三氯化铁与 MF 膜联用处理 SUVA(特征紫外吸光度，SUVA=UV2s4/DOCx100) 4.8 的地表水，原水中 UV254 的去除率均达到 99 %，对 DOC 的去除率在 78-88%之间，其中三氯化铁作为混凝剂时，DOC 的去除率最高，并且在运行过程中所形成的滤饼层阻力最小。低压膜在应用于饮用水处理中的关键问题是膜污染。膜污染导致通量下降和跨膜压差上升，增加维护和清洗次数，造
