国内外给水处理发展动态.ppt

国内外给水处理技术发展动态 背景和问题 水环境污染饮用水质标准不断提高科学技术进步的推动作用 水环境污染 饮用水作为生命存活的基本需求物质 其质量直接影响着身体的健康 目前我国城市水域受污染率已高达90 以上 根据卫生部和水利部门的调查 我国现有3亿多人饮水不安全 其中1 9亿人饮用水有害物质含量超标 我国2003年废水总量已达460亿m3 其中工业废水212 4亿m3 生活废水247 6亿m3 生活废水的处理率仅为25 8 这造成了地表水体甚至一部分地下水的严重污染 水环境污染 我国水资源污染呈发展趋势 而城市河流污染形势更为严峻 淡水环境2003年度七大水系407个重点监测断面中 38 1 的断面满足 III类水质要求 32 2 的断面属 类水质 29 7 的断面属劣 类水质 其中七大水系干流的118个国控断面中 III类水质断面占53 4 类水质断面占37 3 劣 类水质断面占9 3 水环境污染 2003年度七大水系污染程度由重到轻依次为 海河 辽河 黄河 淮河 松花江 长江 珠江 湖泊的情况也不容乐观 在20世纪70年代调查的34个湖泊中 呈现富营养化的湖泊占所评价面积的5 而1986 1989年调查结果显示 富营养化湖泊面积增加至35 76 到90年代我国东部的湖泊几乎都处于富营养化状态 至2003年 28个重点湖库中 类 III类 类 类和劣 类水质的湖库分别占3 6 21 4 25 0 14 3 和35 7 可见湖泊水污染现象在近30年来呈迅速增长趋势 水环境污染 水环境污染造成的损失有许多方面 各种损失都是可以计算出来的 但唯独对人体生命健康方面造成的危害是无法计算的 并且危害不仅是经济方面的 更重要的是社会方面的 它牵涉到社会安定 社会发展等方面 所以水环境方面 饮用水问题应是最大的课题 饮用水中对人体健康有危害的主要有致病微生物 无机物及有机物 饮用水的微生物学安全性无疑是首要的 其消毒及消毒副产物控制 都是重要课题 饮用水中的无机物 有的对人体有毒性 有的为不可缺少的 有的对人体健康的影响则比较复杂 也都是值得研究的课题 饮用水中的有机物 种类繁多 有常量的 有微量的 有天然的 但更多的是污染造成的 由于我国水环境污染主要是有机物的污染 所以饮用水中的有机物问题也特别突出 应做为重大科学问题进行研究 饮用水中有机物的分类 水源水中的有机物可以分为以下两类 天然有机物 NOM 和人工合成有机化合物 SOCs TOCDOCAOC BDOC VOC 可生物同化有机碳 可生物同化有机碳 AOC 是有机物中最易被微生物合成菌体的 支持异养细菌生长繁殖最好的营养基质 国外普遍采用AOC作为反映饮用水生物稳定性的替代参数 饮用水的生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物支持异养细菌生长的潜力 水中AOC可反映水中细菌生长的限制性营养水平 在没有加氯的情况下 AOC 10 20 g乙酸碳 L的饮用水为生物稳定的水 在加氯的情况下 AOC 50 100 g乙酸碳 L的水为生物稳定的饮用水 生物不稳定的饮用水会使细菌在给水管网中重新生长 使用户水色度和浊度上升 细菌数增加 导致水质的二次污染 由于分析技术的发展 在水源水中发现了微量有机污染物 引起人们的极大重视 我国从八十年代也开始重视 迄今 由水中检出微量有机物已有二千余种 九十年代资料 其中有许多是有毒有害的 1997年美环保局 EPA 提出饮水规程和健康建议 列出了200种有机物的毒性 有人认为 目前已检出的有机物种类 只占水中有机物种类的一小部分 此外 每年世界上新增加的有机物种类达数万种 必然有一些会进入水中 所以水中有机物种类会不断增加 对水中有机物 特别是种类繁多的微量有机物的生物毒理学评价 是一项艰巨 复杂的任务 目前只做出了对若干单质有机物的生物毒理学评价 有的专家指出 水中多种有机物的生物毒性存在协同效应 即两种或多种有机物比单质的生物毒性高得多 但这方面的研究尚仅处于起步阶段 水中有机污染物对人体构成潜在危害 NOM主要由腐殖质 藻类 腐殖质本身并无多大危害 但是它们是氯消毒副产物 如三氯甲烷的前体物 THMPFs 这些消毒副产物具有 三致 作用 藻类通过消耗水中大量的溶解氧使水质恶化 蓝藻门的不定腔球藻 铜锈微囊藻等分泌藻毒素 藻类有机物滞留在管网中 为细菌提供营养 造成细菌再繁殖 形成生物粘膜 引起管道腐蚀 使饮用水水质下降 藻类分泌物 天然有机物的分解产物 以及工业废水 生活污水污染物 都会使水产生臭味 影响饮用水的品质 水中有机污染物对人体构成潜在危害 SOCs许多是有毒有机污染物 它们内含一些具有危害性的官能团 会抑制或破坏生命组织的功能 现代医学的发展证明 即使在低浓度下 这类有机物也可能对人体健康和环境造成严重 甚至是不可逆的影响 这类有机物在天然水体中往往难于降解 并具有生物累积性的 三致 作用或慢性中毒 而且分布面极广 有的有毒有机污染物通过迁移 转化 富集 其浓度水平可提高数倍甚至上百倍 对生态环境和人体健康是一种潜在威胁 水中有机污染物对人体构成潜在危害 SOCs中一些是持久性有机污染物 POPs 典型的POPs有多环芳烃 有机氯农药 邻苯二甲酸脂等 POPs对于自然条件下的生物代谢 光降解 化学分解等具有很强的抵抗能力 POPs在水体中的半衰期大多在几十天至20年 个别长达100年 已有的研究表明 POPs除具有急性和慢性毒性外 还具有显著的致癌 致畸 致突变等远以及神经毒性和内分泌干扰特性等 由于环境污染 人类 特别是男性 的生殖能力在上个世纪已下降了一倍 因此 激素的内分泌干扰作用更受关注 水质要求不断提高 现行国标35项建设部2000供水规划89项卫生部2001卫生规范96项建设部2005 城市供水水质标准 101项新的国标正在制定之中 现有水厂工艺的不足 混凝 沉淀 过滤 消毒的常规处理工艺流程对水中有机物的去除能力较低 尤其是对水中可溶性分子有机物的去除效果更差 相当一部分水厂设备陈旧 老化 为适应水源水质的污染加剧和不断提高的饮用水标准 对我国城镇现有水厂水处理工艺进行改造已是亟待解决的问题 科学技术进步的推动作用 分析检测技术 仪器分析技术 在线连续检测技术 微电子技术和计算机技术 自动检测 自动控制 自动化管理 膜技术 绝对分离技术 聚合物科学 混凝剂 絮凝剂 特种材料 生物技术 生物毒理实验技术 生物处理技术水质生物稳定性 催化氧化技术 化学催化 物理催化 物理化学催化 无机高分子混凝剂和复合混凝剂 无机高分子混凝剂的发展无机高分子混凝剂的品种和应用无机高分子混凝剂的作用原理 无机高分子混凝剂的发展 日本 西欧 前苏联60年代开始研究 聚合类混凝剂的生产占混凝剂总量的30 60 美国近年来也开始重视研究和生产 我国于60年代末期带70年代初期开始研究聚合氯化铝 80年代开始研究聚合硫酸铁 具有中国的特点 数百个厂家 质量参差不齐 目前 国内研究聚合铝 铁 硅及各种复合混凝剂成为热点 有数十种专利 无机高分子混凝剂的品种和应用 阳离子型 聚合氯化铝 PAC PACl 聚合氯化硫酸铝 PACS 聚合氯化铁 PFC 聚合磷酸铝 PAP 聚合硫酸铝 PAS 聚合硫酸铁 PFS 聚合磷酸铁 PFP 阴离子型 活化硅酸 AS 聚合硅酸 PS 无机复合型 聚合氯化铝铁 PAFC 聚合硅酸铝 PASI 聚合硅酸铝铁 PAFS 聚合硅酸铁 PFSI 聚合磷酸铝铁 PAFP 无机有机复合型 聚合铝 聚丙烯酰胺 聚合铁 聚丙烯酰胺 聚合铝 甲壳素 聚合铁 甲壳素 无机高分子混凝剂的品种和应用 铝 硅 铁 硅复合混凝剂可大大增强絮体的团聚能力 除浊效果好 但电性中和能力降低 不利于色度的去除 硅酸与铝或铁复合的另一目的是加强硅酸的稳定性 活化硅酸只能现配现用 不能商品化 硅酸内加入少量的铝盐或铁盐可延长保存期至半年以上 这实质上是发展了的阴离子型无机高分子絮凝剂 同样 在聚合铝或聚合铁中加入少量硅酸也可提高复合混凝剂的稳定性但仍然属于阳离子型 无机高分子混凝剂的作用原理 吸附及吸附 电性中和机理为主聚合氯化铝的质量取决于产品中13聚铝的含量 盐基度在60 70 之间较好混凝剂的选择与原水水质相关 饮用水中的致病性微生物和水的消毒 细菌主要有沙门氏菌 伤寒 副伤寒等 老霍氏菌 细菌性痢疾 霍乱弧菌 耶尔氏菌 胃肠炎 大肠杆菌类为指示微生物 大肠菌类标准对预防症状明显的细菌性传染疾病的发生有一定价值 但对低含量的病毒原体引起的传染病不能起预防作用 病毒球状 20 80nm由饮水传染的多半是肠道病毒 甲肝病毒 乙肝病毒脊椎灰质炎病毒 致病原生动物阿米巴 痢疾 兼性寄生阿米巴 脑膜炎 肠梨形虫 贾第虫 隐孢子虫 腹泻 致病原生动物的卵和孢囊 4 15mm 具有耐氯性 臭氧可将其灭活 浊度的卫生学意义 浊度可以反映出水中的颗粒物含量 特别对于小于1mm的胶体颗粒含量比较灵敏 细菌和病毒的尺寸一般小于1mm 是浊度的组成部分 浊度低也反映了细菌和病毒的数量少 所以浊度已不再仅仅是感官指标而被美国列为水的卫生学指标 氯消毒 氯消毒在水介传染病控制中起过重要的作用 氯消毒能产生大量副产物 主要是卤化烃类 其中浓度最高的是三氯甲烷 THMs 和卤乙酸 HAAs 氯化副产品大多具有 三致 作用 安全氯化法可通过以下方式实现 改进氯化工艺 加氯点后移 尽量不采用预氯化 采用氯胺消毒法 但效果较差 提高有机物的去除率 适当的混凝工艺能够去除大部分腐殖质 臭氧氧化 高锰酸钾氧化 活性炭吸附能够有效地去除水中的有机物 THMFP 在有效地去除水中的有机物的基础上 氯消毒被认为是安全的 二氧化氯消毒 二氧化氯消毒原理二氧化氯制备二氧化氯消毒的优缺点 二氧化氯消毒原理 二氧化氯灭活微生物的机制包括 二氧化氯能氧化损坏细胞膜 使其渗透性增加 导致细胞内物质如蛋白质 RNA DNA的漏出 影响钾的吸收与保留 二氧化氯进入细胞质后 能破坏干扰多种酶系统 并可损坏基因组 使细胞丧失生理功能 二氧化氯制备 亚氯酸钠加氯制取法亚氯酸钠加酸制取法氯酸钠盐酸复合式二氧化氯制取法电解法二氧化氯发生器 二氧化氯制备 亚氯酸钠加氯制取法 以亚氯酸钠 NaCl02 和液氯 C12 为原料 其反应为 2NaClO2 C12 2ClO2 2NaClC1O2 对人体健康有害 生活饮用水卫生规范 卫生部 2001年 规定饮用水中亚氯酸根的最大允许浓度为0 2mg L 需要加入比理论值更多的过量氯 使亚氯酸盐反应完全 其结果是在产物中含有部分游离氯 在对受有机污染的水进行消毒时 这些游离氯仍会与水中有机物反应 生成卤代消毒副产物 此法中二氧化氯的制取是在瓷环反应器内进行 从加氯机出来的氯溶液与用计量泵投加的亚氯酸盐稀溶液共同进入反应器中 经过约1分钟的反应 就得到二氧化氯水溶液 再把它加入到待消毒的水中 二氧化氯制备 亚氯酸钠加酸制取法 利用亚氯酸钠在酸性条件下生成二氧化氯的特性 加入盐酸或硫酸来制备 其反应式为 5NaClO2 4HCl 4ClO2 5NaCl 2H2O10NaClO2 4H2SO4 8C1O2 4Na2SO4 2NaCI 4H2O此法二氧化氯的制取是在反应器内进行 分别用泵把亚氯酸盐稀溶液 约7 和酸的稀溶液 HCI约8 5 打人反应器中 经过约20分钟的反应 就得到二氧化氯水溶液 酸用量一般超过化学计量关系的3 4倍 比法的优点是所生成的二氧化氯不含游离性氯 但是 因转化率只有80 费用高于前氯酸盐加氯的制取法 二氧化氯制备 氯酸钠加盐酸制取法 该法以氯酸钠和盐酸为原料 反应生成二氧化氯和氯气的混合气体 二氧化氯与氯气的比为2 l 其反应式为 NaClO3 2HCl ClO2 0 5Cl2 NaCl H2O反应的最佳温度在70 左右 产生的混合气体通过水射器投加到被处理的水中 复合氧化氯制备设备由以下几部分组成 供料系统 反应系统 温控系统 吸收系统 安全系统等 与以亚氯酸钠以原料生产纯二氧化氯相比 以氯酸钠为原料生产复合式二氧化氯的优点是 生产成本低 约为1 3 1 4 安全性好 氯酸钠比亚氯酸钠性能稳定 消毒效果好 残留亚氯酸根浓度低等 二氧化氯制备 电解法 电解法二氧化氯发生器适用于小型消毒场所 如游泳池消毒 二次供水的补充消毒等 电解法二氧化氯发生器由次氯酸钠发生器改进发展而成 该设备以钛板为电极板 表面覆有氧化钌涂层 部分新产品还加有氧化铱 通过电解食盐水的方法 现场制取含有二氧化氯和次氯酸钠氯的水溶液 在总有效氯 具有氧化能力的氯 中 二氧化氯的含量一般在10 20 其余为次氯酸钠 根据二氧化氯发生器的行业标准 在所生成的二氧化氯水溶液的总有效氯中 二氧化氯的含量大于10 的为合格产品 因此 该种发生器实际上是二氧化氯和次氯酸钠的混合发生器 产物中二氧化氯占小部分 次氯酸钠占大部分 二氧化氯消毒的优缺点 优点 对细菌和病毒的消毒效果好 在pH值为6 9的范围内不受pH值的影响 不与氨反应 稳定性低于氯胺 高于游离氯 能在管网中保存较长时间 二氧化氯又是强氧化剂 对水中多种有机物都有氧化分解作用 并且不生成三卤甲烷等卤代消毒副产物 此点只适用于亚氯酸钠加酸制取法 对其他二氧化氯制取法 因所生成的二氧化氯溶液中仍含有氯 仍会生成三卤甲烷等卤代消毒副产物 只是生成量较低 缺点 消毒费用高 达大限制了该法的使用 此外 二氧化氯分解的中间产物亚氯酸盐对人体健康有一定危害 二氧化氯消毒的危害 包括消毒剂本身和消毒副产物 还在深入研究中 臭氧消毒 臭氧消毒能力高于氯 不产生氯代有机物 处理后水的口感好 但臭氧因自身分解速度过快 对管网无剩余保护 采用臭氧消毒的水厂还需在出厂水中投加二氧化氯作为剩余保护剂 其它缺点是 臭氧不稳定 使用时均需要现场制备 设备复杂 使用不便 费用过高 数倍于氯消毒 如果原水中含有溴离子 二氧化氯将于溴离子反应生成对人体有害的溴酸盐 此外 臭氧消毒副产物的危害仍处于深入的研究中 臭氧消毒目前主要是用于食品饮料行业和饮用纯净水 矿泉水等的消毒 充分发挥其自分解后无残余消毒剂 处理后口感好的特点 在国内外自来水净水厂处理工艺中 臭氧主要是作为氧化剂 用于水的预氧化处理或者是臭氧 生物 活性炭深度处理工艺 单纯用于净水厂消毒的很少 紫外线消毒 紫外线消毒是一种物理消毒方法 它利用紫外线的杀菌作用对水进行消毒处理 紫外线消毒是用紫外灯照射流过的水 以照射能量的大小来控制消毒效果 由于紫外线在水中的穿透深度有限 要求被照射的水的深度或灯管之间的间距不得过大 与上面的化学消毒方法相比 紫外线消毒的优点是 杀菌速度快 管理简单 不需向水中投加化学药剂 产生的消毒副产物少 不存在剩余消毒剂所产生的味道 不足之处是 费用较高 紫外灯管寿命有限 无剩余保护 消毒效果不易控制等目前 紫外线消毒仅用于食品饮料行业和部分规模极小的小型供水系统 强化混凝技术 强化混凝的目的去除水中的微污染物去除THMFP 如腐殖质 腐殖酸 富里酸 强化混凝的方法 选择适当的混凝剂粉末活性炭 混凝高锰酸钾氧化吸附 混凝臭氧氧化 混凝控制混凝的物理化学条件 水的预处理与深度处理 预处理与深度处理的目的 预防水厂内藻类的繁殖与滋生 去除水中有机污染物及有毒物 预防三氯甲烷 THMs 和卤乙酸 HAAs 的形成 确保安全氯消毒强化混凝过程 预处理 现行的预处理工艺主要有粉末活性炭吸附 臭氧氧化及灭藻 高锰酸钾氧化及灭藻 化学氧化改变原水中有机物的分子结构 使大分子有机物断链为小分子物质 去除部分溶解性有机物 并有效去除原水中的三氯甲烷前体物 以减少再经氯化消毒时可能的三氯甲烷生成量的研究 80年代以来 生物预处理工艺因其在处理有机污染物 氨氮 色 嗅 味等方面的特点及其经济上的优势 越来越受到重视并得到较快的发展 这一领域的研究和应用 总体上都处于以去除氨氮 BOD5 CODCr等有机物综合指标为代表的污染质的阶段 深度处理 臭氧作为强氧化剂 在有效去除水中溶解性有机物 去除三氯甲烷前体物 去除色 嗅 味 消毒 杀藻等方面 臭氧具有明显的优势 因而不仅用于预氧化和消毒 而且广泛地用于深度处理 当臭氧加注量充分时 氧化能够进行得较为彻底 生成CO2和H2O 但当臭氧量不足时 会出现副产物如过氧化物 环氧衍生物 甲醛 具有致癌特性 丙酮酸 丙酮醛和乙酸等 有些则是对人体有害的诱变剂和致癌物质 副产物产生量一般与原水有机物浓度成正比 国外有试验表明 臭氧投加量为2 6mg L时 一般水厂条件生成的酸总量为62 g mgTOC 生成醛类10 40 g L 臭氧氧化生成的无机物中 溴酸根被国际癌症研究会列入可能致癌物名单 并被WHO规定为无机副产物的代表 指标为25 g L 深度处理 对有机微污染水源不宜单纯采用臭氧作为深度净化手段活性炭对多种分子量大而极性小的有机有害物质 金属 非金属 色 嗅 味 酚类 表面活性剂 不易溶解的碳氢化合物以及各种农药去除效果明显 但对极性溶剂和分子量小的有机氯化物吸附较差 而且需要频繁再生 费用较高 颗粒活性炭又是微生物生长的载体 但必须以水中充足的溶解氧作为好氧微生物着床 生长 繁殖的必要条件 深度处理 臭氧和活性炭吸附联合使用 除可保持各自的优势外 臭氧对大分子的开链作用与充氧作用 为活性炭提供了更易吸附的小分子物质和产生生物活性炭作用的溶解氧 而臭氧化可能产生的有害物质 则可被活性炭吸附并降解 这使臭氧 生物活性炭吸附工艺相得益彰 70年代中期 德国对臭氧 生物活性炭吸附工艺的研究发现 与单纯的活性炭吸附比较 活性炭的再生周期延长4 6倍 其后 欧洲的许多现代化水厂逐步推广使用了臭氧 生物活性炭吸附对微污染水源的深度净化工艺 深度处理 膜分离技术 主要类型 反渗透 纳滤 超滤 微滤21世纪水处理的发展方向 深度除浊技术 技术措施新型混凝剂 助凝剂和助滤剂的使用 混凝剂的水解动力学的发展导致快速混合技术 微涡流理论的研究发展出 栅条 网格 折板 折管 和 波纹板 等絮凝池 为水力絮凝提供了多种选择 水池设计中大规模采用浅层水平沉淀池 狭长 浅池和高水平流速以及与清水池叠建成为了风靡一时的布置 高浊度水采用大型辐射式混凝预沉池技术及低浊度水采用浮沉池技术得到发展 采用气水反冲洗和深层均质滤料的V型滤池成为时尚 同时带动了普通滤池采用气水反冲洗 降低负荷 过去强调高负荷 负荷越高说先进 80年代以来 水质矛盾突出 开始由 量 到 质 转变 为提高水质 负荷太高不行 需要降低负荷 如滤速由8 10m h降低到6 8m h 自动控制技术的应用 各种在线检测水质仪表的发展促进了水厂自动化的发展 提高了管理水平 保证了水厂水质和供水安全 数学模型法 流动电流法或絮凝检测法控制混凝剂的最佳投药量自动控制技术