飲用水深度凈化工藝現(xiàn)場對比試驗

1、飲用水深度凈化工藝現(xiàn)場對比試驗 吳舜澤王寶貞王琳楊玉楠杜彥武 提要:考察了實際生產(chǎn)規(guī)模的臭氧粒狀活性炭工藝以及小型超濾、納濾、反滲透膜法兩種典型飲用水深度凈化工藝的處理效果。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)臭氧活性炭工藝具有優(yōu)良、穩(wěn)定的去除有機(jī)污染物功能，而孔徑較小的活性炭纖維除污染效果并不好，臭氧氧化出水、超濾出水再用壓縮活性炭進(jìn)行吸附處理對有機(jī)物的去除效率要比直接處理原水高。超濾膜除有機(jī)物效率不高，而反滲透和納濾膜在較好地去除水中有機(jī)物的同時，也去除了水絕大部分無機(jī)物，出水有機(jī)物和無機(jī)物濃度都比較低。 隨著水污染日益嚴(yán)重，大量的污染物尤其是有機(jī)污染物通過不同的方式進(jìn)入水體，飲用水水源受到日趨廣泛的污染。傳統(tǒng)的

2、混凝、過濾、消毒等自來水工藝是以去除水中的懸浮物、濁度、色度為主，對溶解性有機(jī)物去除能力相對不足，而且加氯消毒本身還形成了" 三致物質(zhì)"(致癌、致畸、致突變)，直接影響飲用者的身體健康。因此，最大可能地去除水中的微量有機(jī)污染物、消毒副產(chǎn)物等就是飲用水深度凈化的目的。人們開發(fā)了許多技術(shù)如生物預(yù)處理、高級氧化、活性炭吸附、膜法水處理工藝等對飲用水進(jìn)行深度處理。本文即以實際生產(chǎn)規(guī)模的臭氧活性炭聯(lián)用工藝飲用水深度凈化水廠為基礎(chǔ)，現(xiàn)場進(jìn)行了臭氧活性炭、膜法水處理工藝的對比試驗，它們是目前去除水中有機(jī)物的兩種典型飲用水深度凈化工藝。其中臭氧活性炭工藝采用砂濾、臭氧粒狀活性炭吸附、木魚石

3、礦化過濾工藝，于1999年建成并投入使用，處理水量為200m3/d，基建投資125萬元。臭氧接觸罐為0.5m(直徑)×3.2m(高)，臭氧接觸時間為10min，臭氧濃度為2mg/L左右并保持臭氧接觸塔出水剩余臭氧濃度為0.2mg/L左右；活性炭罐尺寸是1.2m×3.7m，接觸時間為18min。在現(xiàn)場同時利用小型壓縮活性炭、活性炭纖維、超濾膜、納濾膜、反滲透膜等對原臭氧粒狀活性炭工藝的各個出水如原水、臭氧氧化出水、活性炭出水等進(jìn)行對比試驗。其中超濾采用的是0.01m的聚砜超濾膜，反滲透膜和納濾膜都是2寸膜組件，納濾膜為Hyd ranautics公司的ESNA納濾膜(產(chǎn)水量為3

4、20L/d，標(biāo)準(zhǔn)脫鹽率為80%)，反滲透采用的是Filmte ch公司生產(chǎn)的TW30型反滲透膜(產(chǎn)水量為144L/d)。試驗測試項目為Mn、電導(dǎo)率、色度、濁度以及等。 1臭氧活性炭工藝水處理效果及分析 圖1臭氧活性炭對水中有機(jī)物的去除 沿生產(chǎn)性臭氧活性炭工藝流程方向，水中有機(jī)污染物的濃度變化情況如圖1中幾組典型試驗數(shù)據(jù)所示。臭氧對Mn和的去除效率分別為11%17%和6%20%，低劑量臭氧的加入并不能使水中的有機(jī)物完全氧化降解為二氧化碳和水，反而使水中有機(jī)物更容易被高錳酸鉀氧化，所以臭氧出水Mn變化不是太大。試驗中臭氧對濁度和色度的去除效果不好，尤其是臭氧出水的色度有時從砂濾出水的5度左右升高到

5、18度和45度，增加幅度很大，測量結(jié)果表明這種色度的提高與鐵、錳等含量沒有關(guān)系，對臭氧出水色度增加的現(xiàn)象、原因我們還在進(jìn)行跟蹤調(diào)查。臭氧氧化雖然對有機(jī)物總量指標(biāo)去除不多，但是適量臭氧的加入使有機(jī)物可吸附性、可生化性增強(qiáng)，因此臭氧之后活性炭的運行效果一直比較穩(wěn)定可靠，它對CODMn和的去除效率一般在45%72%、60% 82 %之間，對濁度、色度的去除效果也比較好，分別為55%61%、75%91%。臭氧和活性炭聯(lián)用后對Mn、總的去除效果分別是50%72%、83%86%，對的去除效果比較穩(wěn)定而且一般要高于對Mn的去除，反映出該工藝對水中吸收紫外線的不飽和有機(jī)物、含氮有機(jī)物去除效果較好，有一定的傾向

6、性。臭氧活性炭工藝是費用較低、操作簡單、處理效果穩(wěn)定可靠的飲用水深度凈化工藝。 為了解臭氧活性炭工藝凈水機(jī)理以及活性炭吸附效率的影響因素，我們對比考察壓縮活性炭、活性炭纖維(ACF)對水中有機(jī)物的去除情況?；钚蕴坷w維只有單一的微孔，而沒有過渡孔和大孔之分，孔徑僅5m14m，是粒狀活性炭的一半左右甚至更小，比表面積較大(有的高達(dá)2 000m2g)。但是它對水中有機(jī)污染物去除效果并不好，處理自來水時，ACF對CODMn的去除效率在8%18%之間，去除UV254的效率也僅在 20%左右，去除色度的效率在27%45%之間，而且ACF處理效果不是很穩(wěn)定，多次發(fā)現(xiàn)出水有機(jī)物濃度較高的現(xiàn)象。比較而言，壓縮活

7、性炭的處理效果較好，它是由細(xì)炭粉壓縮而成，對自來水CODMn的去除效率在30%57%之間，去除UV254、濁度、色度的效率分別是50%100%、82%86%、27%82%。試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)用壓縮活性炭處理自來水、超濾出水、臭氧出水時，除污染效果有一定區(qū)別。進(jìn)水為自來水時，處理效果最差，當(dāng)自來水先經(jīng)過超濾膜處理后，壓縮活性炭對CODMn、UV254的去除效率為70%76.7%、65%100%。在壓縮活性炭-超濾工藝中壓縮活性炭對進(jìn)水TO C的去除效率為68%；而在超濾-壓縮活性炭工藝中，壓縮活性炭對進(jìn)水TOC的去除效率為90% ，相應(yīng)的出水TOC濃度僅為0.2mg/L。當(dāng)用壓縮活性炭處理臭氧氧化出水時

8、，處理效率又有了一定的提高，它對進(jìn)水的CODMn、UV254的去除效率分別為60% 99%、100%。此時壓縮活性炭出水水樣的UV254一般為負(fù)值(相對于蒸餾水空白)。尤其應(yīng)該注意的是，臭氧出水的色度很大，而壓縮活性炭可以將臭氧出水的色度從18度、45度降到2.5度和1度，下降幅度很大，臭氧氧化壓縮活性炭工藝的出水與反滲透膜、納濾膜出水有機(jī)物含量相差不多。以試驗數(shù)據(jù)的平均值作出的壓縮活性炭對三種進(jìn)水處理效率對比如圖2所示。 圖2不同進(jìn)水時壓縮活性炭處理效果對比 很多研究結(jié)果都表明活性炭只能吸附中間分子量(如1 0005 000)的有機(jī)物。若進(jìn)水有機(jī)物分子量太大，那么由于活性炭孔徑的空間排斥位阻

9、作用，有機(jī)物難以進(jìn)入活性炭的微孔吸附區(qū)。對于一定孔徑分布的活性炭來說，進(jìn)水中的有機(jī)物的線形尺度大小對活性炭吸附效果有很大的影響?；钚蕴坷w維盡管具有很大的表面積，但是相應(yīng)的微孔孔徑太小，水中的大部分有機(jī)物難以進(jìn)入ACF的有效吸附面積中。有人認(rèn)為，活性炭纖維可以吸附的有機(jī)物分子量僅在300左右，用GAC吸附水中小分子殺蟲劑(分子量215) 時，水中的其他有機(jī)物可以進(jìn)入活性炭孔徑中進(jìn)行吸附并堵塞吸附通道，但是ACF吸附處理時，水中的大部分有機(jī)物對ACF吸附殺蟲劑的影響很小，因為水中的有機(jī)物往往難以進(jìn)入活性炭的微孔中而與殺蟲劑形成直接的競爭吸附關(guān)系，活性炭纖維的使用周期也比較長，這也從一個側(cè)面反映出活

10、性炭纖維對水中大部分有機(jī)物吸附作用很差。試驗中曾測定對CODMn已經(jīng)沒有去除效率的粒狀活性炭，發(fā)現(xiàn)此時活性炭的碘值有850，與新炭的碘值890相差不大，考慮到活性炭的碘值反映的是活性炭微孔吸附面積的大小，說明活性炭失效的原因是其中的絕大部分微孔吸附面積沒有得到有效的利用而不是比表面積不足。目前所使用的活性炭大多為氣相炭，過渡孔所占的比例很小，有機(jī)物的吸附往往阻塞了有機(jī)物通向微孔有效吸附區(qū)的通道，導(dǎo)致去除有機(jī)物的效果不好、不穩(wěn)定，所以活性炭纖維較小的孔徑和較大的比表面積并不能獲得較好的有機(jī)物去除效果。壓縮活性炭與超濾或臭氧氧化相串聯(lián)時，自來水中大分子有機(jī)物或者被超濾膜所截留，或者被臭氧氧化為分子

11、量稍小的有機(jī)物，相應(yīng)的出水有機(jī)物與活性炭的孔徑分布比較吻合，所以處理效果較好?？紤]到所用的壓縮活性炭在測試前停止運行很長一段時間，可以認(rèn)為其中的微生物作用是可以忽略的。從這個角度出發(fā)，可以認(rèn)為，臭氧氧化之所以可以提高活性炭處理效率，臭氧活性炭聯(lián)用工藝之所以有穩(wěn)定、高效的有機(jī)物去除效率，有很大一部分原因在于臭氧氧化導(dǎo)致活性炭進(jìn)水有機(jī)物分子量的減小、可吸附性的提高并使有機(jī)物尺寸等特性與活性炭孔徑分布協(xié)調(diào)一致。 2膜法飲用水深度處理工藝對比 超濾工藝對水中有機(jī)物(以CODMn、UV254表示)和一般污染物(以濁度和色度表示)的去除效果如圖3所示。 圖3超濾膜的除污染效果 一般來說，超濾膜的濁度去除效

12、果較好，但它對水中有機(jī)物的去除效率不高，而且變化很大，試驗中就曾發(fā)現(xiàn)有時超濾膜沒有什么有機(jī)物去除效果。它的孔徑較大，截留分子量較大，對CODMn、UV254的去除效率分別在049%、20%36%之間，出水的CODMn值比較高。在飲用水深度凈化上，將超濾膜作為飲用水除濁、去除懸浮物、避免管道的二次污染現(xiàn)象是比較可靠的，超濾出水一般也沒有檢測出細(xì)菌，但是飲用水深度凈化的目的是去除傳統(tǒng)混凝、沉淀、過濾、消毒等工藝所不能去除的有機(jī)污染物，所以應(yīng)該以去除有機(jī)物的效果來衡量飲用水深度凈化工藝的好壞，因此我們認(rèn)為單獨的超濾工藝尤其是截留分子量比較大的超濾膜是不能作為飲用水深度凈化工藝的主體工藝，它必須與高級

13、氧化、吸附等去除有機(jī)物效果比較好的工藝聯(lián)合使用，才有可能達(dá)到較好的飲用水深度凈化效果。 圖4納濾對CODMn、UV254的去除 圖5反滲透對CODMn、UV254的去除 納濾膜和反滲透膜對水中污染物的去除如圖4、圖5所示。試驗中納濾膜和反滲透膜淡水出水CODMn都在0.5mg/L以下，去除效率在50%以上，出水濁度一般在1度以下，淡水TOC 值一般在0.5mg/L以下，納濾膜和反滲透膜淡水出水UV254很多都為負(fù)值(比相應(yīng)的蒸餾水空白水樣的紫外線吸收值小，在圖中一律以0表示)。納濾膜和反滲透膜的孔徑較小，納濾膜的截留分子量在200500之間，反滲透膜的截留分子量在100或100以下，一般小于膜

14、截留分子量的有機(jī)物可以以較大的截留率被去除，所以出水水質(zhì)比較穩(wěn)定。試驗中曾將納濾膜的濃水水樣再次進(jìn)行納濾處理， 此時納濾膜的CODMn從進(jìn)水(前面一級的納濾濃水)的0.96mg/L降到0mg/L，色度從2度降到1度，UV254從進(jìn)水的0.01降到-0 .008，都有一個較大的下降，而且相應(yīng)的去除效率與其他進(jìn)水情況相比沒有什么區(qū)別，反映出納濾膜和反滲透膜對各種進(jìn)水水質(zhì)都有比較好的處理效果。 表1納濾和反滲透出水水質(zhì)對比項目進(jìn)水納濾反滲透UV2540.0290.0040.014UV2540.02100.014色度/度4.522.5色度/度201從試驗結(jié)果來看，納濾膜和反滲透膜都有較好的去除有機(jī)物效

15、果，相對而言納濾膜的除污染效果比反滲透膜略高。表1就是納濾膜和反滲透膜處理臭氧活性炭工藝出水的情況，對于同樣的進(jìn)水，兩個工藝出水的濁度基本一致，但是在試驗的原水有機(jī)物性質(zhì)下，納濾膜淡水的色度和UV254等指標(biāo)要好于相應(yīng)的反滲透膜淡水。在圖4、圖5納濾膜和反滲透膜對水中有機(jī)物的去除數(shù)據(jù)中可以看到，納濾膜淡水出水的UV254往往都為0，實際上有4個測試結(jié)果是負(fù)值，只有一個出水UV254為0.004，反映出納濾膜淡水出水中有機(jī)物濃度很小，比反滲透膜淡水出水水質(zhì)略好。納濾膜盡管比反滲透膜的截留分子量和孔徑都大，但是納濾膜一般在制造工藝中有意識地引進(jìn)了一些負(fù)電荷基團(tuán)，它在反滲透膜單純的孔徑截留基礎(chǔ)上附加

16、了電性作用，有時這種電性作用所起的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜孔徑的作用，臭氧氧化出水有機(jī)物往往電性作用比較強(qiáng)，此時納濾膜與有機(jī)物之間的電性作用對有機(jī)物的去除效率影響很大，帶負(fù)電荷的納濾膜對有機(jī)物去除效率要高于反滲透膜也是可能的，在我們的多次試驗中也經(jīng)常觀察到這種現(xiàn)象。 納濾膜和反滲透膜在去除水中有機(jī)物等污染物的同時，對水中的無機(jī)離子截流率也很大。試驗進(jìn)水電導(dǎo)率為200S/cm300S/cm，一般納濾膜和反滲透膜的淡水出水電導(dǎo)率分別為10S/cm20S/cm和010S/cm，都可以將自來水總硬度從138mg/L降到4m g/L5mg/L左右，相對而言納濾膜的脫鹽率要高些，兩者對硬度的去除效率類似。對飲用水處

17、理來說，反滲透膜和納濾膜淡水出水中無機(jī)離子的含量太小，不太適合于長期飲用，維持過高的脫鹽率是不必要的，同時也給納濾膜和反滲透膜系統(tǒng)帶來了結(jié)垢、操作壓力過高、運轉(zhuǎn)費用大、預(yù)處理和濃水處理難度加大等一系列問題。所以說，納濾膜和反滲透膜適合于進(jìn)水無機(jī)離子多、硬度過高的原水，同時發(fā)展和應(yīng)用低脫鹽率、高有機(jī)物截流率的新型納濾膜是十分有意義的。具體應(yīng)用納濾膜或反滲透膜于飲用水處理時，還可在納濾膜或反滲透膜去除水中的各種污染物后通過麥飯石礦化過濾等方式提高出水的無機(jī)離子和礦物質(zhì)含量。 3結(jié)語 通過飲用水深度凈化現(xiàn)場對比試驗，我們可以得出如下結(jié)論： (1)臭氧活性炭聯(lián)用工藝對有機(jī)污染物去除效率較高，效果穩(wěn)定可靠，臭氧氧化壓縮活性炭聯(lián)用工 藝出水水質(zhì)與反滲透膜等基本類