F題--水污染物顆粒凈化問題

1、水污染物顆粒凈化問題眾所周知，水是地球上所有生命賴以生存的基礎(chǔ)。沒有水，一切生命創(chuàng)造的精彩都將不復(fù)存在。當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)在高速發(fā)展，我們對(duì)于水需求更大，然而我們卻在面臨前所未有的水危機(jī)，水污染的惡化更使水短缺雪上加霜。我們的水資源正在遭受各種污染的侵襲，水污染嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境、影響人類生存，要想實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，首先要解決水污染問題。由有害化學(xué)物質(zhì)造成水的使用價(jià)值降低或喪失稱之為水污染。水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染。而后者是主要的。水污染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同而主要分為化學(xué)性污染、物理性污染和生物性污染三大類。水中雜質(zhì)按尺寸分，可分為溶解物、膠體顆粒和懸浮物3種。有些雜

2、質(zhì)可以用基于高濃度、外加計(jì)量反應(yīng)試劑為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的物化方法(如沉降、吸附、濕式氧化等) 以及生化技術(shù)等進(jìn)行處理。而對(duì)于天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物 (如多溴聯(lián)苯醚、全氟辛酸(磺酸)、消毒副產(chǎn)物、內(nèi)分泌干擾物、PPCPs(抗生素)等) 很難用前述傳統(tǒng)的物化方法和生化技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行處理，迫切需要提出建立新型的高效選擇性檢測(cè)和消除的原理和方法。1、 附件中給定的數(shù)據(jù)是利用動(dòng)態(tài)光反射儀器測(cè)量出水中某污染物粒徑隨時(shí)間的變化值，請(qǐng)就給定的數(shù)據(jù)擬合出粒徑隨時(shí)間變化的曲線和分布。2、 就給定的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)該測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。3、 試建立模型說(shuō)明如何對(duì)這類的污染物進(jìn)行處理，達(dá)到凈化污水的目的。水體

3、顆粒物的現(xiàn)代概念在自然界的天然水體和水處理流程中的工藝水體內(nèi), 都含有形形色色的顆粒物。作為研究對(duì)象，顆粒物并無(wú)統(tǒng)一的嚴(yán)格定義。一般說(shuō)來(lái), 它是指比溶解的低分子更大的各種多分子或高分子的實(shí)體，不同學(xué)科根據(jù)其研究目的賦予不同的含義內(nèi)容。在現(xiàn)代環(huán)境水質(zhì)科學(xué)范疇內(nèi)，顆粒物的概念相當(dāng)廣泛,并不僅限于原來(lái)以0.45微米(m)濾膜截留以上的懸浮物范圍。它把礦物微粒，無(wú)機(jī)和有機(jī)的膠體、高分子，有生命的細(xì)菌、藻類等都?xì)w類為廣義顆粒物，實(shí)際上包括了粒度大于1納米(nm)的所有微粒實(shí)體，其上限可達(dá)數(shù)十到上百微米。這種考慮是從對(duì)環(huán)境水質(zhì)的影響作用出發(fā)的。顆粒物群體具有十分廣闊的微界面(micro-interface

4、)。它們本身既可成為污染物，而更重要的是與微污染物相互作用成為其載體，在很大程度上決定著微污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)歸宿。廣義顆粒物包括了多種多樣的物質(zhì)，它們都是生活飲用水中與人體健康密切有關(guān)的內(nèi)容。構(gòu)成濁度的微細(xì)膠體聚集體，構(gòu)成色度的天然腐殖質(zhì)和各種有機(jī)有毒物也都在廣義顆粒物范圍之內(nèi)，溶解性有機(jī)低分子和無(wú)機(jī)絡(luò)離子與顆粒物也有密切的相互作用。因此，水體顆粒物包含著飲用水標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)和水質(zhì)處理的核心對(duì)象。水體顆粒物與諢濁度水中多種多樣的顆粒物常常不是單獨(dú)存在，而是相互結(jié)合成為聚集體。它們可以歸納為某種結(jié)構(gòu)模型，便于統(tǒng)一研究和討論。顆粒物的聚集體以無(wú)機(jī)顆粒物為骨架，它們是各種礦物微粒和粘土礦

5、物，在天然水體中以高分子腐殖質(zhì)及鐵、鋁、硅的水合氧化物為架橋物質(zhì)而結(jié)合到一起。它們?cè)谕寥乐谐蔀閳F(tuán)粒。在污染水體中，界面上吸附了各種微污染物和藻類、細(xì)菌等。飲用水的渾濁度指標(biāo)就是反映這類顆粒物聚集體的數(shù)量和形貌，水處理工藝中則進(jìn)一步與投加的無(wú)機(jī)和有機(jī)絮凝劑結(jié)合而成為絮團(tuán)，并且吸附水中各種污染物，成為隨后流程中分離去除的主要對(duì)象。飲用水質(zhì)最原始而直觀的清潔標(biāo)準(zhǔn)是渾濁度，只是一種感官體現(xiàn)。現(xiàn)代水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的渾濁度則具有更復(fù)雜的內(nèi)涵和定標(biāo)方法。目前水處理技術(shù)中對(duì)濁度的要求是以NTU為指標(biāo)。它是以標(biāo)準(zhǔn)操作制備的化學(xué)物質(zhì)溶液的光學(xué)效應(yīng)定標(biāo)。渾濁度反映的實(shí)際是廣義顆粒物聚集體的綜合內(nèi)容，其中包含著界面吸附的各

6、種微污染有毒有害物，因而與人體健康有直接關(guān)系。渾濁度的標(biāo)準(zhǔn)要求日益嚴(yán)格，生活飲用水過(guò)去控制在10度，后來(lái)降低到5度，目前又降低到1度以下，甚至達(dá)到0.3以至0.1度。這種發(fā)展趨勢(shì)說(shuō)明科學(xué)對(duì)水質(zhì)的理解逐步深入，相應(yīng)對(duì)水質(zhì)處理技術(shù)的要求也隨之提高，近年來(lái)發(fā)展的高效絮凝、深床過(guò)濾、納膜過(guò)濾等技術(shù)都是圍繞著渾濁度的嚴(yán)格要求形成的。有機(jī)有毒化學(xué)品與高級(jí)化學(xué)氧化近代世界有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)量逐年成直線上升，達(dá)到每年數(shù)億噸之多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，日常應(yīng)用的就有70000多種，在工業(yè)化國(guó)家進(jìn)入環(huán)境的化學(xué)品量相當(dāng)于每年每平方米300克，其中相當(dāng)部分對(duì)生態(tài)和人類具有毒性，對(duì)人體健康造成很大威脅。各類有機(jī)有毒化學(xué)品是當(dāng)前國(guó)際上最

7、關(guān)注的污染物，國(guó)外目前已注意到除致癌物外甚至包括神經(jīng)毒素、發(fā)育和生殖障害物等化學(xué)品，近來(lái)歐洲的二惡因事件就是突出的例子。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)也日益嚴(yán)格，檢測(cè)和處理都要求高新技術(shù)?；瘜W(xué)品的環(huán)境問題，我國(guó)雖然尚未完全提到主要日程上來(lái)，但已達(dá)到相當(dāng)污染水平。特別是對(duì)生活飲用水，理應(yīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在當(dāng)前制定的環(huán)境優(yōu)先污染物中都是以有機(jī)有毒化學(xué)品為主要項(xiàng)目，例如：美國(guó)制定的環(huán)境優(yōu)先污染物129種中有機(jī)有毒化學(xué)品就占114種，中國(guó)制定的68種中有機(jī)有毒化學(xué)品占58 種。其中主要包括單環(huán)多環(huán)芳烴、鹵代烴、苯及聯(lián)苯、硝基、酚類和各類農(nóng)藥、殺蟲劑等。我國(guó)提出2000年飲用水質(zhì)規(guī)劃中有機(jī)有毒化學(xué)品的檢測(cè)指標(biāo)已提出約30

8、項(xiàng)。有機(jī)有毒化學(xué)品大多屬于難降解的持久性化合物，其凈化處理技術(shù)用生物氧化技術(shù)往往難以奏效。目前的發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用高級(jí)化學(xué)氧化法(Advanced Chemical Oxidation Process)加以降解。這是利用現(xiàn)代的物理、化學(xué)催化氧化技術(shù)，強(qiáng)化有機(jī)物的降解過(guò)程，達(dá)到凈化除毒的效果。其作用機(jī)理實(shí)質(zhì)是充分利用產(chǎn)生大量羥基自由基的氧化過(guò)程。目前，提出的各種組合技術(shù)例如：均相反應(yīng)：O3/UV，H2O2/UV，超聲/UV，電子束，O3/H2O2，H2O2/Fe2+多相反應(yīng)：半導(dǎo)體催化劑(TiO2)，電化學(xué)氧化，天然礦物催化劑輻射催化：電光、日光、射線、微波近年來(lái)，國(guó)外及我國(guó)對(duì)有機(jī)有毒物的催化氧化特

9、別是多相界面催化氧化有大量研究成果，已經(jīng)逐步進(jìn)入實(shí)用階段。對(duì)有機(jī)有毒物在光催化降解過(guò)程的途徑、中間形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)的降解規(guī)律(QSAR)、催化氧化動(dòng)力學(xué)等均有深入研究。 同時(shí)，對(duì)TiO2界面催化劑的改性和固化，礦物還原溶解中對(duì)有機(jī)物的光催化降解等都是研究熱點(diǎn)。我國(guó)天然水體的污染狀況仍很嚴(yán)重，水源保護(hù)和生活飲用水處理的負(fù)擔(dān)加重。微污染的處理已成為不可缺少的環(huán)節(jié)，活性炭吸附的更普遍應(yīng)用，化學(xué)氧化及生物氧化作為給水處理的前端流程，都已提上日程，純凈水、健康水、分質(zhì)供水也應(yīng)運(yùn)而生。正確的科學(xué)認(rèn)識(shí)及合理的技術(shù)對(duì)策已是刻不容緩的課題。接觸絮凝和高效絮凝集成系統(tǒng)混凝或絮凝處理是顆粒物去除中最普遍采用的技術(shù)?，F(xiàn)

10、有的混凝或絮凝工藝包括溶藥、投藥、混和、凝聚、絮凝等環(huán)節(jié)，其構(gòu)筑物是各種類型的反應(yīng)器，利用管道擾動(dòng)、機(jī)械攪拌、水力渦流、格網(wǎng)阻流等作用完成這些環(huán)節(jié)中的物理化學(xué)及水動(dòng)力學(xué)過(guò)程。實(shí)際上，在后續(xù)的各類分離過(guò)程如沉淀、澄清、過(guò)濾、氣浮等的構(gòu)筑物中，同樣也繼續(xù)進(jìn)行著絮凝作用。因此，強(qiáng)化絮凝過(guò)程應(yīng)該綜合考慮整個(gè)工藝流程系統(tǒng)，建立全線良好的絮凝作用條件，才能以高效率達(dá)到高質(zhì)量的出水水質(zhì)。目前的各類反應(yīng)器及相應(yīng)的工藝參數(shù)，多是按照傳統(tǒng)絮凝劑如硫酸鋁等的特征和性能設(shè)計(jì)的，往往不能完全適合無(wú)機(jī)高分子等聚合類絮凝劑的需求，不能充分發(fā)揮新型絮凝劑的特有效能。所以，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，建立更適合于無(wú)機(jī)高分子絮凝劑特征的工藝系

11、統(tǒng)，強(qiáng)化絮凝過(guò)程進(jìn)而提高整個(gè)水處理流程的工藝效能，應(yīng)是新型藥劑普遍應(yīng)用后水處理工藝相應(yīng)的發(fā)展方向?；炷齽┑淖罴淹端幜侩S水質(zhì)和各反應(yīng)器工藝條件而變化，投藥量不足或過(guò)量都會(huì)使絮凝過(guò)程本身和整個(gè)流程的效果不良，并且造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)使制水成本提高。由于水處理廠運(yùn)行費(fèi)用中的藥劑費(fèi)僅次于電費(fèi)，因而選擇適合現(xiàn)有工藝的最佳投藥量并且建立可以隨水質(zhì)水量變化而自動(dòng)調(diào)整的投藥系統(tǒng)，可以收到高效和經(jīng)濟(jì)兩方面的功效。目前，自動(dòng)控制投藥系統(tǒng)的軟件資料源可以來(lái)自在線監(jiān)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)積累、模式計(jì)算等方面。其中以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)比較直接而相對(duì)成熟，傳感控制部件則以流動(dòng)電流儀和絮凝體監(jiān)測(cè)儀比較多用?；谏鲜鏊伎迹瑥某浞职l(fā)揮無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的優(yōu)異特征出發(fā)，作者在1995年提出一個(gè)新的系統(tǒng)模型即高效絮凝集成系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱F-R-D系統(tǒng)。它包括高效能的絮凝劑(Flocculants)即各種無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，高效率的反應(yīng)器(Reactors)即與聚合絮凝劑匹配的各種優(yōu)異反應(yīng)器，高經(jīng)濟(jì)的投藥系統(tǒng)(Dosing)即與聚合絮凝劑匹配的軟件硬件自控系統(tǒng)。其中每一部分都可以是各種類型的實(shí)體，根據(jù)不同的水質(zhì)和處理工藝需求選擇，相互組合為有機(jī)的體系，成為某種高效絮凝集成水處理工藝系統(tǒng)。這一系統(tǒng)所依據(jù)的理論基礎(chǔ)應(yīng)是無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的作用機(jī)理和各種不同邊界條件下的動(dòng)態(tài)絮凝原理。在北京市第九水廠進(jìn)行了F-R-D系統(tǒng)的中試規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。全