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纳滤膜分离水处理技术可提高饮用水安全

2013-06-10 07:55
默菲
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  OFweek环保网讯:饮用水水源水质,随着社会和经济的发展,呈现出明显的时代特征。为了保证饮用水水质安全,相应的,饮用水处理技术也必须随着人类文明的进步和社会经济的发展,不断地创新和进步。

  在经济发展和工业化水平相对较低的20世纪初及之前,饮用水水源中的污染物主要是悬浮物、胶体以及病原微生物、病毒等,特别是在该时期由于人口相对较少,人类的需水量不大,大部分饮用水水源采用地下水,所以该时期威胁饮用水安全的主要污染物是病原微生物和病毒,即生物安全性。

  到了近代,由于社会、经济、工业,特别科学技术的发展,大量人工合成化学品的问世及使用,导致饮用水水源的水质恶化(现代先进的水质检测技术可以分析出绝大部分污染物)。而与水源水质相适应的饮用水处理技术的发展相对滞后,导致人们对饮用水安全的担忧。1974年以来,美国在饮用水中发现2100种化学物质,其中190种是可疑的,99种致癌或可疑致癌物,82种致突变物,28种急性或慢性致毒物。美国环保局(简称美国EPA,USEPA)对全国范围的饮用水进行检测,发现氯化消毒的饮用水中普遍含有卤代烃类,在被检测的289种化合物中,有111种卤代有机物。我国自改革开放以来,经济发展迅速,而城市污水和工业废水的治理跟不上经济的发展,未经处理的污水直接排入水体,加上农药和化肥的滥用,导致饮用水源水质不断恶化。对全国35个江段有机污染物的调查结果发现,水体中痕量有机物种类繁多,致癌、致畸、致突变的“三致”物超标倍数高。在7个流域的14个典型江段中共检出197种有机化合物,其中致癌化合物25种,属于USEPA的优先污染物53种。我国南方某水源中多种有机氯农药共存,仲丁威、阿特拉津常年存在。近代水源水质的这些显著的特征,是对饮用水安全,以及饮用水处理技术的严峻挑战。

  当前人类已经进入21世纪,科学技术的发展已经达到了前所未有的高度和水平,人们的生活水平也空前提高。科学的发达和产业化浪潮,虽然给人类带来物质文明,但也导致人们对化学品的过度依赖。例如,为了使牛、羊多长肉、多产奶,人们给这些牲畜体内注射了大量雌激素;为了让池塘里的鱼虾迅速生长,养殖户添加了“催生”的激素饲料;为了促使蔬菜、瓜果的个头大,提前进入市场,菜农和果农们不惜喷洒或注射一定浓度的乙烯利、脱落酸等“催生剂”。这些人工合成化学品在工业、农业生产和人们日常生活中的广泛应用,虽然获取了暂时的利益,但是也使人类赖以生存的环境蒙受了巨大危害。目前从地表水水源、污水处理厂的出水、甚至饮用水中都检测出了有别于一般化学品的新兴污染物,这些污染物包括环境激素(也称内分泌干扰物,EDCs);药品和个人护理品(PPCPs)类化合物,尤其备受关注的是具有药物活性的化合物(PhACs);等等。这些新兴污染物较一般的化学污染物的危害更大,其含量在非常小的情况下(几十万分之一或更小的含量),就可以引起生物免疫功能紊乱而导致许多人们意想不到的疾病甚至癌症;可以引起生物生殖系统紊乱和生殖系统疾病(诸如引起生物雌雄同体现象或最终导致不孕不育而走到灭绝的境地);也可以引起生物神经系统紊乱而使生物自杀现象日趋严重或患有精神病人数屡屡增加。如何有效地去除饮用水源中这些新兴污染物,使饮用水水质满足新的饮用水卫生标准(GB5749-2006)要求,是当前饮用水处理中面临的严峻课题。

  联合国把饮用水的安全保障和基本卫生设施的扩大,作为千年计划目标(MDGs)之一。这说明,保证饮用水安全是联合国实现MDGs其他目标——诸如削减贫穷和饥饿、保障卫生保健、普及教育、性别平等和可持续发展等目标,所必须具备的重要条件。因为目前世界上还有11亿人口不能使用安全的饮用水,特别是在撒哈拉沙漠以南的非洲地区,这方面的设备投入进展缓慢,但是人口却激增,实现饮用水安全保障目标非常困难。

  目前我国饮用水处理工艺大多仍然采用常规处理工艺——混凝、沉淀、过滤和消毒,该工艺处理的主要目标污染物是悬浮物和细菌等,但对病原微生物(如隐孢子虫和贾第鞭毛虫,常称为两虫)不能可靠去除。而微滤(MF)∕超滤(UF)可以可靠分离贾第鞭毛虫和隐孢子虫等耐氯性生物和浮游生物,是混凝沉淀砂滤工艺的理想替代工艺,目前利用者在迅速增加。砂滤工艺在分离隐孢子虫时3log是分离极限,但是MF/UF分离可以达到5-6log的高去除率,已经可作为通用水处理技术进行推广。但不论是砂滤还是MF/UF分离都属于固液分离工艺,并不能期待利用它们可以有效地去除水中的有机物(包括新兴污染物)。

  不过与铝系混凝剂相比,铁系混凝剂具有更高的有机物去除率,因此,在强化常规饮用水处理工艺处理有机物时,考虑用铁系混凝剂替代铝系混凝剂是一个很好的选择。

  为了有效地去除饮用水水源中的各种有机污染物(包括新兴污染物),特别是那些对人类健康具有现实或潜在危害的有机物,以及可以产生有毒有害消毒副产物的有机物,研究人员已经开展了大量的研究,并开发出很多处理技术,其中高级氧化技术,以及臭氧/生物活性碳工艺就是这些饮用水深度处理技术的代表。目前由于臭氧/生物活性炭工艺在去除水源中消毒副产物前质、降解水中各种稳定化学污染物、破坏产生异嗅异味物质的分子结构以及有效灭活水中各类病原微生物等方面具有较好的效果,再加上其工艺相对比较简单、经济,所以在饮用水深度处理中得到比较广泛的应用。不过需要指出的是,臭氧—生物活性炭工艺也存在明显的不足。单独的臭氧氧化对一些稳定性的农药类物质、有机卤代物的分解效率很低,这时,往往需要使用高级氧化技术(如臭氧/过氧化氢技术)等。另外,当原水中存在一定浓度溴离子时,臭氧处理会产生具有强致癌性的溴酸盐。溴酸盐生成控制及降解技术的研究,目前是饮用水处理领域的热点。除此之外,由于臭氧/生物活性炭工艺中,炭池中微生物及水生动物的生存环境好,导致炭池中的微生物、微型水生动物,特别是病原微生物(如病毒、病原菌、“两虫”、携带寄生虫的后生动物等)数量的过度孳生,并代谢产生有毒物质。由于微型水生动物是某些病原微生物的寄主,其大量增殖,会进一步导致病原微生物的增加,从而增加了病原微生物从炭池泄漏的可能性。另外,由于目前臭氧/生物活性炭通常是置于砂滤池之后,故炭池中的生物活性炭颗粒容易泄漏到出厂水中,而该炭粒包裹的微生物,对消毒剂的灭活起保护作用,将大幅度降低处理水的消毒效果。因此,臭氧/生物活性炭的处理水存在生物安全风险。

  纳滤(NF)膜是20世纪80年代末期发展起来的一种新型分离膜,其特点主要有两个:一是它的截留分子量(MWCO)介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200-1000Da(孔径0.5-1.0nm),兼有反渗透(RO)和UF的特点;二是因其表面分离层由聚电解质构成(带电荷),而使得它对无机电解质具有一定的截留率。即纳滤膜是一种具有纳米级带电微孔结构的分离膜,其在应用过程中具有两个显著特性:一是筛分效应,可以截留小分子量的中性溶质——有机物和病毒;二是对于不同价态的阴离子具有筛分和电荷双重效应(电荷效应又称为Donnan效应,即离子与膜所带电荷的静电相互作用),这就是纳滤膜在很低压力下(相对反渗透的高压)仍对离子型无机物具有一定截留率的重要原因。由于纳滤分离兼有RO和UF的特点,可以同时去除水中有机物和无机离子,所以将纳滤膜用于饮用水深度处理,可以将水中的有机物(包括溶解性有机物和新兴有机污染物)和有害无机物等一次性同时去除,但保留对人体有益的矿物质;而且运行管理和MF/UF膜分离一样可以简单地实现自动控制,既可用于人力资源缺乏的小型水厂,又可作为臭氧/生物活性炭的替代工艺在大型水厂应用;并且纳滤分离是一种“清洁”的分离技术(没有副产物)。所以,以纳滤膜为基础的饮用水处理工艺,可能是臭氧/生物活性炭的理想替代工艺。事实上,目前在以国际河流为水源的欧洲国家,为了应对由蒸发残留物等问题引发的诸多水处理问题,已经开始实施由臭氧/生物活性炭工艺向以纳滤分离为基础的饮用水处理工艺转换。

  纳滤膜在大型饮用水深度处理中应用存在的主要问题,首先是现有纳滤膜的操作压力大(0.5-1.0MPa),电耗高;其次纳滤膜的通量低(10-30L/m2.h),膜设备的投资大;纳滤膜的有机和无机污染严重,运行费用高,操作管理复杂;并且纳滤膜的预处理要求高,预处理工艺组成复杂。

  降低纳滤膜的操作压力主要有三种途径:一是制备多层复合膜,并使用亲水性的支撑层;二是采用超薄的、高亲水性的膜皮层(分离层);三是通过引入功能性的化学基团,达到既能降低膜压力,又能保证膜通量及污染物截留率的目的。

  降低纳滤膜的成本,包括降低膜设备投资和运行费用。纳滤膜设备的价格主要与制备膜的原料及膜通量有关,通过开发廉价的新型膜材料,并制备高通量的纳滤膜组件,可以降低纳滤膜设备的投资;运行费用主要决定于膜的操作压力(电费)和膜的寿命(换膜周期)。

  纳滤膜污染一方面会使膜通量降低(恒压运行),导致设计的膜设备数量增加;另一方面膜污染会使纳滤膜操作压力增大(恒流量运行),运行费用(电费)提高。控制纳滤膜污染的方法,一是将膜与其他处理工艺组合,去除可以对膜产生污染,特别是不可逆污染的污染物;二是优化膜系统的运行参数;三是研究各种有效的清洗方法(包括物理清洗和化学清洗),恢复污染膜通量;四是开发新型抗污染膜材料。

  目前就降低纳滤膜的操作压力、提高膜通量、控制膜污染以及简化预处理工艺等方面的研究很多,但是建立在纳滤膜与污染物相互作用机理基础上的新型膜材料及相应的制备技术的突破是解决这些问题的关键。

  经济发展和产业化浪潮给人类带来物质文明的同时,也使人类蒙受了很大危害。其中水源严重污染,进而导致饮用水的安全性危机就是典型的危害。针对目前十分严峻的饮用水水源污染的现状,开发可靠、经济、简便的,与水源水质相适应的饮用水深度处理技术,保证饮用水安全是目前亟待解决的重要课题。纳滤膜兼有RO和UF的特点,可以将水中的有机物和有害无机物等一次性同时去除,保留对人体有益的矿物质;便于实现自动控制;并且纳滤分离是一种“清洁”的分离技术(没有副产物),是臭氧/生物活性炭的理想替代工艺。不过,建立在纳滤膜与污染物的相互作用机制基础上的新型膜材料及相应的制备技术的突破是纳滤膜在饮用水深度处理领域中推广应用的关键。

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