常見的幾種水處理技術(shù)
[摘要]：介紹了幾種常用的純凈水的處理方法和應(yīng)用范圍，闡述了各種處理方法的原理和應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]：水處理；活性炭吸附；臭氧氧化；臭氧生物活性炭；膜分離技術(shù)；離子交換
l 引言
水是生命之源，人類的生產(chǎn)、生活一刻也離不開水。而人們的飲用水從來都是具有生存和致病兩重性的。上世紀(jì)70年代人們注意到飲用水水源中的污染物種類繁多，主要含有微量的有機物、農(nóng)、重金屬離子、氨氮及放射性物質(zhì)等有害污染物。隨著科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及人類活動的頻繁，新的污染物質(zhì)如農(nóng)、增塑劑、洗滌劑、消毒劑的不斷出現(xiàn)使使用的化學(xué)品超過60000種，其中70％可能對健康有害。由于純凈水是不允許添加任何防腐劑和抑菌劑，故可從工藝、技術(shù)、系列凈水設(shè)備等方面對受污染的水或自來水進行深度凈化，把水中的重金屬、三鹵甲烷、有機物、放射性物質(zhì)、微生物等有害、有毒、有異味物大部分去掉，消除這些污染物質(zhì)對人體健康的直接和潛在危害，消除消費者對飲用水被污染的恐慌，滿足消費者對“干凈水” 的要求，以其沒有細(xì)菌、病毒，干凈、衛(wèi)生，口感好深受廣大消費者的信賴。
2 純凈水生產(chǎn)工藝
純凈水的生產(chǎn)大多使用自來水和地下水作為原水，其原水中或多或少含有各種各樣懸浮物質(zhì)(細(xì)菌、藻類及原生物、泥沙、粘土、及其它不溶物質(zhì))、膠體物質(zhì)(溶膠，如硅酸及鐵、鋁的某些化合物，腐植膠體等)、無機鹽類和一些有機物及氣體。生產(chǎn)飲用純凈水就是要將上述物質(zhì)盡可能全部去除，使之成為高純度的飲用水。自1988年我國*家純凈水廠在廣東省建成投產(chǎn)至今， 已經(jīng)出現(xiàn)了多種純凈水的生產(chǎn)工藝，一般來說，純凈水的生產(chǎn)工藝采用石英砂濾、活性炭吸附、離子交換、精濾、反滲透、臭氧殺菌等多級凈化，灌裝采用1000級以上空氣凈化裝置、紫外線、臭氧三重殺菌，以及全自動洗桶、消毒、灌裝、封口一體機。
3生產(chǎn)過程中的重要工藝
3.1 活性炭吸附分離
純凈水在灌裝前都必須經(jīng)過過濾，以除去水中的泥渣、懸浮物、藻類、細(xì)菌、霉菌等雜質(zhì)。在水處理工藝中，活性炭處理是必需的。活性炭具有很多微孔和巨大的比表面積，憑借這些微孔對有機物的吸附作用來去除水中的致突變物質(zhì)，它可降低水中TOC和THMs等，同時可去除水中色、嗅、味、有機氯化物、放射性有機物及其他人工合成有機物，活性炭對分子量在500—3000的有機物有十分明顯的去除效果，去除率一般為70％—86.7％[1]。不足之處是由于水中天然有機物(NOM)的競爭吸附，導(dǎo)致對農(nóng)吸附效率下降以及活性炭的使用壽命不長。
3.2 臭氧氧化分離
O3是一種很強的氧化劑和消毒劑，它在水中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氧化能力*的單原子氧(O)和羥基自由基(OH)，瞬間殺滅水中微生物，殺菌能力是氯的600～3000倍[2]；將溶解和膠體狀有機物轉(zhuǎn)化為較易生物降解的有機物；將水中溶解性的鐵、錳氧化成高價沉淀物使之易于去除；可將化物等有毒有害物質(zhì)氧化成無害物質(zhì)；可改善嗅味、降低色度等：有些藻類的代謝物由于水體富營養(yǎng)化的影響，會使水有霉味或魚腥味、或產(chǎn)生藻毒素，若濾池之前投加少量O3，可以防止藻類和浮游植物在濾池中生長繁殖。然而，氧化法將農(nóng)大分子氧化成小分子后則會促進水中細(xì)菌的再繁衍，某些分子量較高的物質(zhì)如蛋白質(zhì)、氨基酸和腐殖質(zhì)經(jīng)O3氧化后產(chǎn)生甲醛、丙酮酸、乙酸，其中甲醛毒性強，致病、遺傳、變異。而且當(dāng)水中存在Br-時，經(jīng)O3氧化為BrO2-、BrO3-、CHBr3、二溴乙晴以及一些尚未確定的溴化有機副產(chǎn)物。BrO3-被癌癥研究機構(gòu)列為有可能對人體致癌的化合物。WHO建議飲用水中zui大BrO3-含量為25ug / L。例如：美國給水中BrO3，一的含量要求不大于10ug/ L。不僅如此，O3對水中已形成的三鹵甲烷幾乎沒有去除作用，O3氧化還可導(dǎo)致水中可生物降解物質(zhì)的增多，使出廠水的生物穩(wěn)定性降低，容易引起細(xì)菌繁殖。這些因素的存在，使得O3很少在水處理工藝中單獨使用。
3.3臭氧生物活性炭：包括預(yù)氧化和后氧化。
預(yù)氧化：①臭氧作為一種強氧化劑，能氧化分解水中的高分子有機物，如：腐植酸等，分解后的小分子有機物容易被活性炭吸附。②臭氧——同時氧化水中溶解性的錳和鐵，生成難溶性的氧化物，提高砂過濾的效果，使錳、鐵的去除率增加。③臭氧氧化后生成的氧氣無毒、無害，而且為后面活性炭上附著的好氧菌和硝化菌提供生長的營養(yǎng)源，防止水體發(fā)臭。
后氧化：主要與生物活性炭聯(lián)用，即O3—BAC法—一種有效的可去除各種有機物和持久性化合物的“深度處理技術(shù)”：由臭氧氧化、砂濾、活性炭吸附和生物降解等結(jié)合在一起的水處理工藝。用該工藝處理水可去除用傳統(tǒng)的絮凝、沉淀、砂濾等方法不可能去除的可溶解成分。如：氨氮、酚、農(nóng)以及其他有毒有害的有機物。通過生物硝化作用，將NH4+—N轉(zhuǎn)化為NO3-；用臭氧處理酚，逐步氧化zui終產(chǎn)物為CO2和H2O；預(yù)氧化產(chǎn)生的小分子有機物易進入活性炭微孔內(nèi)部，大量中間產(chǎn)物(包括THMs及其前驅(qū)物)也被活性炭吸附，微生物生長在炭粒表面的大孔中，通過細(xì)胞酶的作用將某些溶解性有機物降解，可去除DOC
30％—70％，所以有機物的去除是吸附和生物降解的雙重作用。還可使活性炭部分再生，明顯延長了工作周期，保證了zui后出水的生物穩(wěn)定性。O3—BAC法的發(fā)展較為成熟，在歐洲已被廣泛應(yīng)用，并被*為處理污染原水、減少飲用水中有機物濃度的zui有效技術(shù)。該項技術(shù)在我國正在逐步推廣應(yīng)用。目前仍有一些問題尚未解決，如臭氧氧化機理、利用臭氧更有效去除飲用水中有機物、臭氧副產(chǎn)物、無法去除NH4+—N硝化作用的產(chǎn)物NO3-，且活性炭的再生也較麻煩。
3.4膜分離技術(shù)
以壓力差為推動力的膜分離技術(shù)有反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)和微孔過濾(MF)。其分離機理為：在一定的壓力作用下，分子質(zhì)量不同的混和溶質(zhì)的溶液流過膜表面時，溶劑和低分子溶質(zhì)將透過薄膜，作為透過物被收集起來，高分子溶質(zhì)則被薄膜截留而作為濃溶液被回收。
在純凈水生產(chǎn)工藝流程中，不論哪一種工藝，都有一種關(guān)鍵的反滲透技術(shù)。反滲透zui早來源于美國的太空科技，這是一種薄膜分離技術(shù)，依靠反滲透膜在一定的壓力下，使溶液中的溶劑與溶質(zhì)分離。如果在有鹽份的水中(如自來水)施加比自然滲透壓力更大的壓力，使水由濃度高的一方滲透到濃度低的一方，就能把原水中的水分子和其他的物質(zhì)分離。由于反滲透膜上的微孔極小，其孔隙僅為0.0001um，是細(xì)菌、病毒體積的幾千分之一，能去除濾液中的離子和分子量很小的有機物，如細(xì)菌和病毒，尤其是有機污染物的去除率也很高。采用該技術(shù)制備的水即為純凈水，由于是太空技術(shù)民用化的產(chǎn)物，也可叫做太空水。反滲透法的技術(shù)效果與其它水處理技術(shù)的效果相比，有明顯的優(yōu)異性，有關(guān)參數(shù)見表1。從表1可清楚地看出，反滲透法制備的純凈水，不含有任何礦物質(zhì)和微量元素，甚至尿經(jīng)它過濾后都可以直接飲用。
表1 多種水處理技術(shù)效果比較一覽表
(2)納濾(NF)
納濾膜是在反滲透膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其表面由一層非對稱性結(jié)構(gòu)的高分子與微孔支撐體結(jié)合而成，具有納米級的孔徑，故名納濾。與反滲透系統(tǒng)相比，納濾膜在低壓(通常為0.5—1.0Mpa)下具有較高的通量、出水水質(zhì)好、能耗低、濃縮水排放少等優(yōu)點，在上已得到廣泛的應(yīng)用。納濾膜對一價離子的截留率可低至40％，對二價離子的截留率可高至90％以上，且截留分子量約為200~l000Da的中性溶質(zhì)。因此，納濾在水的軟化、低分子有機物的分級、除鹽等方面具有*的優(yōu)勢。水的總硬度為水中Ca2+、Mg2+離子的總含量。對于飲用水的軟化，先經(jīng)過二步NF分離過程(用Film--teeh公司的NF—70膜，操作壓力為0.5—0.7Mpa，脫除85％—95％的硬度以及70％的一價離子)，水質(zhì)硬度降低了10—20倍。然后進行氯處理，就可制成標(biāo)準(zhǔn)純凈水。從而避免了由于采用傳統(tǒng)工藝氯氧化消毒工藝生成的多種對人類健康產(chǎn)生危害的、具有三致作用的揮發(fā)性氯代有機物（THMs)如CHCl3、CCl4等。以及非揮發(fā)性氯代有機物(HAAs)如CH3COOCl，且毒性HAAs>THMs。納濾膜在飲用水領(lǐng)域主要脫除三氯甲烷中間體、低分子有機物(特別是環(huán)境荷爾蒙物質(zhì)[3])、農(nóng)、合成洗滌劑、微生物、異味、色度、硫酸鹽、碳酸鹽、氟化物、砷、細(xì)菌、重金屬污染物(大多來源于工業(yè)廢棄物泄露和工業(yè)廢水排放等)鎘、鉻(六價)、銅、鉛、錳、汞、鎳等有害物質(zhì)、降低TDS濃度，且對無機鹽有一定的脫除率(氯化鈉的脫除率大約在80％左右)，而保留了原水中的部分鹽類和微量元素。
納濾膜在給水處理中遇到的zui大問題是膜污染，是由于在納濾過程中無機物、有機物、微生物等在膜上結(jié)垢引起的。因此，絮凝過濾、砂濾、過濾柱和納濾膜結(jié)合起來處理飲用水，可預(yù)防膜污染。
（3）超濾(UF)
在純凈水生產(chǎn)所需水處理設(shè)備的目的主要是除去水中的雜質(zhì)、懸浮物、部分有害細(xì)菌、霉菌、異味等。超濾是采用0.2um孔徑的真空絲膜組件，結(jié)合絮凝、炭濾和精濾技術(shù)，可以效降低有機物及微生物的含量，以避免在后道工序中造成管道的污染，導(dǎo)致產(chǎn)品衛(wèi)生指標(biāo)超標(biāo)、口感異常的水處理方法，其zui終目的是保證產(chǎn)品質(zhì)量。
（4）微孔過濾(MF)
微孔過濾膜通常是由特種纖維素脂或高分子聚合物以及無機材質(zhì)制成，它的孔徑一般在0.1 m之間。微孔過濾膜的截留機理大體可以分為以下幾種：*是機械截留，指膜可以截留比它孔徑大或與孔徑相等的微粒；第二是物理作用或吸附截留，包括吸附和電性質(zhì)等各種因素的影響；第三是架橋截留，在孔的人口處微粒因架橋作用同樣可以被截留。
微孔膜的孔徑十分均勻，孔隙率很高(一般為80％)，通常比具有同等截留能力的濾紙至少快40倍。由于空隙率高、材料薄，因而阻力小，一般只需較低的壓力就可以驅(qū)動。微孔膜的主要性能指標(biāo)有厚度、過濾速度、空隙率、孔徑及其分布。
3.5離子交換法
含有較高硬度的地下水通過強酸型離子樹脂交換層時，硬度離子Ca2+、Mg2+與鈉型強酸陽離子樹脂進行化學(xué)反應(yīng)[4]，如下：
Ca2++2RNa →R2Ca+2Na+
Mg2++2RNa→R2Mg+2 Na+
當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^鈉型強酸陽離子樹脂交換層時全部Ca2+、Mg2+吸附在樹脂上，使出水硬度降至≤0.3mmol/ L。
4 純凈水生產(chǎn)工藝的優(yōu)異性
目前，城市飲用水水源主要來自地下水和地表水，而現(xiàn)在全國地下水已普遍受到污染。若水源不幸來自礦區(qū)，又受到重金屬污染，則如汞、鎘、鉻、砷、鉛等，是無法在現(xiàn)有水處理工藝?yán)锉怀サ?。而純凈水以其比較完善的水處理工藝和*的品質(zhì)贏得了人們對飲用水的信賴，經(jīng)過多道生產(chǎn)工藝和消毒處理后，水中沒有細(xì)菌和有害物質(zhì)，大大降低了消費者飲用后的患病機率。
5結(jié)語
面臨性水資源短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重、城市和工業(yè)發(fā)展對水質(zhì)水量要求不斷提高的挑戰(zhàn)，我們已進入一個極其緊迫、相當(dāng)復(fù)雜、性的生態(tài)與經(jīng)濟相互依賴的時期。這就要求水處理技術(shù)要不斷提高與完善，推陳出新，以滿足快速發(fā)展的環(huán)境變化需要。而在我們的生活當(dāng)中，了解一些常用的水處理的方法也有利于我們的生活和我們的健康。
6參考文獻
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