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城市饮用水处理领域的科技发展问题探讨
中国水工业网|时间:2009-03-12 10:24
  作者:马军 郑兴灿
  摘要:随着我国社会与经济的稳步发展,对水量与水质的需求不断增加。1990~1995年我国供水量年增长率为9%,1998年城市市政公共供水系统共有水厂2075个,综合生产能力为11513万m3/d,用水人口1.8493亿,年供水总量263.1亿m3。按照建设部《建设事业"九五"计划和2010年规划纲要》,我国"九五"期间需新增供水能力4000万m3/d,到2000年我国城市供水普及率要达到97%,2010年要达到98%。
  1. 社会经济发展对城市饮用水处理科技发展的需求
  随着我国社会与经济的稳步发展,对水量与水质的需求不断增加。1990~1995年我国供水量年增长率为9%,1998年城市市政公共供水系统共有水厂2075个,综合生产能力为11513万m3/d,用水人口1.8493亿,年供水总量263.1亿m3。按照建设部《建设事业"九五"计划和2010年规划纲要》,我国"九五"期间需新增供水能力4000万m3/d,到2000年我国城市供水普及率要达到97%,到2010年要达到98%。
  在供水水质水量需求不断增长的同时,水资源短缺问题也越来越严重。我国人均水资源占有量为世界人均占有量的1/4,被列为12个贫水国家之一,而且在时空上分布很不均匀。北方严重缺水,南方洪涝严重,降雨量季节差异很大。据统计,我国1996年全国666个城市中有330个城市不同程度缺水,其中严重缺水的达108个;在32个百万人口以上的特大城市中,有30个城市长期受缺水困扰。最近几年,由于工业用水量的下降,我国的城市供水行业售水量开始出现副增长的趋势,从水量和生产能力角度考虑,大部分城市的供水能力不足问题已经得到缓解,目前和今后相当长的一段时期内我国供水行业所面临的突出问题是水质问题,一方面水源普遍受到污染,另一方面水质需求标准不断提高。
  我国污水处理率低,污染物排放量继续呈增加趋势。据我国七大水系和内陆河流的110个重要河段统计,符合"地面水环境质量标准"I、II类的占32%,III类的占29%,属于IV、V类的占39%。水中曾一次性检测出有机污染物高达上百种,其中部分是具有致癌、致畸、致突变作用的有机污染物。饮用水水源的污染,致使饮用水水质恶化,对城市居民身体健康构成严重威胁;由于化学污染物会导致人类基因突变,因而严重地影响我国人口的整体素质,也是制约经济进一步发展和影响社会稳定的一个重要因素。
  水源水质污染的另一个重要方面是氮、磷营养物大量排入水体所导致的水体富营养化,水体中藻类的过量繁殖已经严重影响自来水厂的净化效果,
  由于我国绿化程度不高,水土流失严重,导致水中天然有机物浓度较高,也增加了给水处理难度,有机成分对胶体产生严重保护作用,影响混凝效果,导致耗药量显著增加,水中铝的剩余浓度升高。
  有机物在氯化消毒过程中与氯作用,不但增加氯耗影响消毒效果,而且生成多种对人体有害的氯化消毒副产物,其中大部分对人体健康构成潜在危胁。特别是传统的预氯化工艺,高浓度的氯与源水中较高浓度的有机污染物直接作用,生成的氯化消毒副产物浓度会更高。
  随着我国经济的迅速发展,对城市饮用水水质要求将不断提高,到2000年大中型城市一类水司试行的水质指标将由现行水质标准的35项增加到88项,将对水中多种微量有机污染物进行严格控制。研究安全优质饮用水处理技术将是一项非常重要的研究课题。
  目前我国在给水净化处理方面存在的问题有以下几个方面:1).水质污染问题普遍,90%以上的水厂面临着水源污染问题,但由于资金短缺,难以大规模地采用国外昂贵的除污染技术;2).我国水源污染引起的水质问题复杂,不但水中含有多种有害的污染物质,而且还具有藻类、嗅味、氯化消毒副产物等多种问题;3)。虽然对于单一的除微污染技术已进行了较为系统的研究工作,但缺少除微污染集成技术与成套设备,难以形成高新技术产业,投入到生产中。在水源污染严重,急需技术与设备投入的同时,严重地缺乏能经济有效地提高饮用水水质的成套技术与设备,形成强烈反差。
  2. 我国城市饮用水处理的科技问题分析
  我国城市自来水水质明显低于国外发达国家。这一方面是由于我国多数水源的原水水质相对较低、污染严重、水中浊度和色度及有机物浓度偏高;另一方面是由于我国绝大多数水厂仍然主要采用的是常规给水处理工艺,对某些特殊有机污染物的去除效果有限,难以充分适应不断变化的水质。由于污水处理设施建设的长期欠缺,加上工程投资大、运行管理费用高,因而我国的污水处理率在短时期内难以得到明显提高,在今后相当长时期内,对于微污染水(含有微量污染物的水)的净化处理将是一个重要的研究课题。
  目前制约饮用水处理领域的科技问题可以归纳为以下几个方面:
  1) 水中微量有机污染物去除的工艺理论与技术;
  2) 水中藻类及其代谢产物(嗅味、藻毒素等)的强化处理技术;
  3) 水处理过程副产物的去除与控制技术;
  4) 常规水处理的强化技术;
  5) 高效消毒技术。
  饮用水中微量有机污染物对人体危害大,但难于去除。特别是高稳定性的溶解性有机污染物,如卤代有机物、硝基化合物、多环芳烃等,对人体危害较大。传统给水处理工艺对这些有机微污染物的去除效果有限,迫切需要研究开发经济高效的微污染物去除技术。
  水中藻类一般带负电,具有较高的稳定性,难于混凝,严重地影响给水处理效果;藻类比重小,沉淀效果差;藻类在代谢过程中产生多种嗅味,对水的感官性状产生直接影响;某些藻类尺寸很小,可穿透滤池进入到给水管网中,影响管网内水质;藻类是典型的氯化消毒副产物前驱物质,在后续消毒过程中与氯作用生成多种有害副产物,增加水的致突变活性;某些藻类(如蓝藻)能产生藻毒素,对人体和动物构成威胁,其中有些藻毒素是肝毒素和神经毒素。此外,藻类会粘附在滤料表面,使滤池过滤周期显著缩短,造成滤池频繁反冲洗;
  有机成分对胶体产生严重保护作用,影响混凝效果,导致耗药量显著增加,水中铝的剩余浓度升高。
  水处理过程中引入的一些副产物(如聚丙烯酰胺中的单体等),也会对饮用水水质产生不良影响。在氯化消毒过程中产生的多种卤代有机副产物对人体危害较大,是饮用水中重点控制的副产物。特别是传统的预氯化工艺,高浓度的氯与原水中较高浓度的有机污染物直接作用,生成的氯化消毒副产物浓度会更高。
  消毒一直是给水处理中最为重要的环节。消毒效果不佳将造成流行病爆发,特别是甲第虫、隐孢子虫等致病原生动物的灭活,是目前消毒技术研究的关键问题。
  我国生活饮用水水质标准过低,明显低于发达国家。没能够动态地、及时地、科学地对饮用水水质标准进行系统研究,并及时地对标准作出补充。企业对于工艺技术更新的积极性不高,科技投入低,处理工艺相对落后,难以保障良好的饮用水水质。
  一般除污染工艺设备投资较大,由于受资金限制,难以大规模地采用昂贵的除污染工艺,这也是目前我国饮用水质量偏低的主要原因,急迫需要研究与发展适合我国国情、易于在我国推广应用的安全与优质饮用水处理技术。
  3. 国内外城市饮用水处理技术发展现状与趋势分析
  我国饮用水源污染严重,但绝大多数城市水厂采用的是传统的常规给水处理工艺,其主要功能是除浊、除色和杀菌,对水中溶解性有机污染物的去除作用有限。国内外近些年来发展了一些受污染水的净化处理技术,主要可分为吸附法、氧化法、生物法、膜法等几大类方法。
  活性炭吸附是一种较早地被应用于生产的除微污染技术,其原理是利用活性炭巨大的比表面积吸附水中的有机污染物。活性炭可分为粒状炭与粉状炭两种形式。粒状活性炭的使用通过活性炭滤床实现,将其置于砂滤后或者取代现有砂滤床。受污染的水经过活性炭滤床后,有机污染物被截留在活性炭滤床中。但由于我国水源污染较重,活性炭使用不久便饱和、失效,水体污染严重时活性炭只能运行几周时间。活性炭的吸附性能可以通过再生得到恢复,但更换活性炭频繁、再生费用很高。粉末活性炭在应用中基建与设备投资较低,使用灵活方便。但活性炭难以回收,使用过程中运行费用较大,仅在污染严重时期使用。近些年来,人们将粉末活性炭预涂到某些载体上,提高了粉末活性炭利用率,也提高了有机污染物的去除效率。
  粉状活性炭在运行过程中可逐渐地形成生物活性炭,微生物不断对吸附在活性炭表面的有机污染物进行生物降解,从而可以有效地延长活性炭的使用周期。预氧化可以提高有机污染物的可生化性,延长活性炭使用周期。
  氧化工艺一般除污染效果好、适应面广,应用得相对较多。氧化除污染方法是利用强氧化剂分解水中的有机污染物。目前能够用于给水处理的氧化剂主要有氯、二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢和臭氧,它们在标准状态下的氧化还原电位分别为1.36V、1.50V、1.69V、1.77V和2.07V。
  显然,臭氧在可用于给水处理的几种氧化剂中具有最高的氧化还原电位(氧化电位Eo = + 2.07 V),因而具有最强的氧化性,对水质的适应能力强,目前已被发达国家较多地应用于给水处理中。臭氧能使水中多种有机污染物氧化破坏,但仅能使水中含有不饱和键或者部分芳香类的有机污染物氧化分解,相当多的稳定性有机污染物(如农药、卤代有机物和硝基化合物等)难以被氧化分解。虽然臭氧氧化技术在我国也进行了多年的研究工作,但由于投资很大、运行管理费用很高,在我国一直难以推广应用。
  "八五"期间,开展了高锰酸钾除微污染技术研究,投资相对较小,已在多个水厂和净水设施中应用。过氧化氢除污染能力很低,但与二价铁联用在酸性条件下有较强的氧化能力,由于在给水处理中难以进行pH调整,因而过氧化氢的应用受到限制。二氧化氯具有很强的消毒能力,但与有机物氧化时被还原成亚氯酸根,后者对红血球有破坏作用。氯对有机物具有一定的氧化作用,长期以来被用做给水处理的预氧化剂,但由于氯与原水中多种有机污染物作用,生成一些列对人体危害较大的卤代有机物,因而预氯化逐渐地受到各国的限制。建设部在"九五"期间研究了化学预氧化除污染技术,对比了各种化学预氧化技术的相对除污染效能,发现某些化学预氧化复合技术对于去除水中微量有机污染物有良好的效果。
  我国部分高校对光化学氧化除污染技术进行了研究,利用光催化氧化降解水中微量有机污染物,一般可应用于小型净水设施,但在大规模水厂中应用设备投资较大。
  生物预处理技术是在常规给水处理工艺流程之前或在处理过程中,利用微生物对水中有机污染物进行代谢分解,使之无机化。 "八五"和"九五"期间,我国对各种生物预处理技术进行了系统研究工作,表明对于可生化性较高的水,生物预处理能够显著地去除水中氨氮,对有机污染物有一定去除效果。在我国的华南地区已进行了生产性试验,当水中有机污染物可生化性较强时,可明显地提高水质;但对于受工业废水污染、可生化性较低的原水,生物预处理除污染效率较低。生物预处理对于北方地区,特别对于低温水的处理效果有限,由于微生物活性较低,需要停留时间较长,因而设备投资很大。
  膜技术是近些年来发展起来的给水处理工艺。膜在除污染中的作用是通过其很小的孔径将水中有机物分子截留到膜的一侧,从水相中去除。具有除污染作用的膜主要有纳滤膜和反渗透膜。膜处理技术设备投资很大,膜更换费用较高,一般只用于很小规模的净水设施,难以应用于大规模水厂。此外,膜过滤在去除水中有害成分(微污染物)的同时,还将水中无机离子去除(如反渗透),长期饮用高纯水并不利于身体健康。
  总之,目前国内外在受污染水处理技术领域开展了大量研究工作,但能够在生产中推广应用从而经济有效地提高饮用水水质的新技术与设备还仍然有限。特别缺乏具有高效低耗等特征易于在我国推广应用的除微污染技术与设备。我国在"八五"和"九五"期间主要是针对单项除微污染技术进行研究,但对于除微污染集成技术与成套设备的研究尚较薄弱。由于我国饮用水源普遍受到污染,对受污染水源水的净化处理集成技术与成套设备在我国具有巨大的潜在市场,是我国水工业产业的一个重要方面,有重要的研究与开发价值。
  4. 城市饮用水处理领域的科技发展思路与目标分析
  我国供水行业计划从2000年开始试行新的行业标准(城市供水2000年技术进步发展规划),例如在一类水司饮用水标准将要增加到88项(目前为35项),其中不少指标是有机污染物指标。因而在"十五"期间应重点研究与发展能够满足新的行业标准、具有高效低耗特征、易于在我国推广应用的安全饮用水处理工艺技术。
  我国目前对饮用水源的保护已经引起高度重视,采取了重点治理污染源的策略。根据规划,到2000年我国城市污水处理率将增加到20%~30%,工业废水处理率将提高到84%。到2010年城市污水处理率将提高到40%~50%。为此,15年内需要投资2000~3000亿元。由于我国是发展中国家,做这样的投资确是一项重大举措,其发展速度与国外发达国家相比也是非常快的。但即使如此,也难以使我国的水污染状况得到显著改善。此外,由于乡镇企业的发展和大量农药的使用,非点源污染也会明显影响饮用水源水质。因而对于受污染水的净化处理技术要求也会越来越高。所以在远期计划中,仍然要将受污染水的净化处理技术研究与发展放到重要位置。随着经济的发展和资金的积累,在给水处理上的投资将逐渐增加,因而远期计划发展高效优质的先进除污染技术,重点是能够全面提高水质的集成化成套安全优质饮用水净化处理工艺技术。
  因此,有必要针对我国饮用水水源污染范围广、原水水质复杂的特点,研究能够适应不同污染程度,满足不同程度使用要求的饮用水除污染成套技术与设备。以实际工程为依托,开展大型生产性试验研究工作。从给水处理的各个关键环节入手,强化对水中多种有机污染物的去除。在混凝阶段,通过研制多功能复合药剂,强化与拓宽混凝工艺的除污染效能。从除污染、除嗅味、除藻、除重金属、强化混凝和控制氯化消毒副产物等多方面入手,全面地提高饮用水水质。对于药剂调整,不需要增加大型设施和基建投资,比较符合我国国情,特别适合于现有水厂的改造。研究复合药剂预氧化处理与活性炭吸附组合除污染工艺,利用氧化和吸附工艺的互补性和协同作用,进一步提高对有机污染物的去除效率。当水中有机物可生化性较高时,可采用生物预处理强化去除水中氨氮、藻类和有机污染物。
  在具体实施方面,可以在"八五"、"九五"国家重点科技攻关的基础上,将小试、中试和大型生产性试验相结合,将基础理论研究和生产性试验相结合。重点放在除微污染技术集成与成套设备的研制上。通过系统深入的研究工作,形成能够对于不同污染程度的原水进行处理的成套新工艺。选择典型受污染水源,建立除微污染依托工程,获得整套设计参数和成套工艺技术与设备。
  研制出能够经济有效地改善我国饮用水水质、易于在我国推广应用的除微污染和安全饮用水成套工艺技术与设备,保障和提高我国的饮用水水质。
  5. 城市饮用水处理领域的重点科技研究方向建议
  城市饮用水处理领域今后的发展重点应放在经济低耗、具有多功能净水作用、可显著提高饮用水水质的除微污染成套工艺技术上,同时重点发展高效优质除污染技术,强调技术与设备的系列化、成套化、标准化。
  在国家"九五"重点科技攻关计划中,微污染水源水的净化处理专题主要围绕着各种不同微生物载体的生物预处理技术开展了攻关研究工作,发现生物预处理主要在受污染水中有机物可生化性较高和温度较高的情况下有除污染效果。对于一般的难生物降解有机污染物,处理效率很低。这主要是由于受污染水源水中有机污染物属于微污染物,浓度处于微克/升数量级以下,对人体危害较大的主要是难生物降解的稳定性有机污染物。因此,对于受污染水源水的净化处理,国家"十五"重点科技攻关计划的重点应放在化学氧化法及其与活性炭吸附组合除污染技术上,进行除微污染技术集成,研究成套除微污染技术与设备,经济高效地改善饮用水水质。
  5.1 高效多功能复合药剂的制备与除微污染成套技术设备研究
  在国家"九五"重点科技攻关研究中,开展了复合药剂的初步研制,针对不同地区的原水水质调整复合药剂的优化配比,使之具有除微污染、除嗅味、控制氯化消毒副产物等多种功能,在我国受严重污染的地区应用取得了较明显效果。可以将此技术研究进一步深入,结合具有不同原水水质的受污染水源,优化复合药剂的配比,研究以高价态金属氧化剂为核心的复合药剂,开发以复合药剂为核心的高效组合除微污染工艺,在不同地区建立除微污染依托工程,研究复合药剂的制备、投加、控制等成套技术与设备。主要内容可分为以下几个方面:
  · 复合药剂的制备、投加、计量与控制系统与设备
  · 复合药剂除污染、除嗅味、除藻、强化混凝效能与优化工作条件研究
  · 复合药剂与活性炭联用工艺研究
  · 稳定性复合药剂的制造工艺
  5.2 生物预处理改善微污染水净化效果研究
  在国家"九五"重点科技攻关计划中,已经对各种不同的微生物载体分别进行了优化研究,筛选出某些微生物载体,对于可生化性较高的受污染水,在温度较高的华南地区,生物预处理可有效地去除水中有机污染物,降低水中氨氮浓度。但对于一般的可生化性较低的受污染水,生物预处理效果不佳。建议"十五"期间将生物预处理作为改善受污染水处理效果的预处理方法,进一步深入研究生物预处理对可生化性较高的水的预处理作用,如微生物优势菌种的培养、新型微生物载体与曝气方法的研究。主要研究可分为以下几个方面:生物预处理优势菌种的筛选与培养;微生物载体与曝气条件的进一步优化;生物预处理对后续除污染效果的强化作用;生物预处理技术的开发与工程应用。
  5.3 建筑小区(居民小区)优质水供给系统与设备
  小康住宅建设是我国下世纪初城市建设的一个重点内容。优质饮用水是小康住宅建设的一个重要组成部分。目前一些城市已开始对自来水进行深度净化处理,将优质饮用水与城市自来水进行分质供应。这种方法可以在短期内满足用户对优质饮用水的使用要求。但目前尚缺乏高效的优质饮用水处理系统。自来水中的有机物主要为卤代有机物,具有很高的稳定性,难于从水中去除。建议 "十五"期间对建筑小区(居民小区)优质水供给系统与设备开展研究,主要研究内容可分为以下几个方面:膜技术除污染工艺研究;氧化-吸附组合除污染技术与设备研究;催化氧化除污染技术与设备研究等;
  5.4 预氧化与吸附组合除污染工艺
  研究与发展经济高效的组合除微污染工艺,重点研究组合工艺的联合除污染优化条件与除污染效能。预氧化对于后续的吸附工艺有重要影响,某些氧化剂的预氧化作用能够促进有机物在后续吸附工艺中的吸附性能或者对于促进有机物的分解(如生物活性炭),是一种高效的净水工艺,可作为今后安全饮用水高技术发展的重点内容,包括臭氧预氧化与活性炭组合除污染工艺、高价态复合药剂预氧化与活性炭吸附联合除污染工艺等。
  5.5 强化常规给水处理工艺及其优化调度
  混凝工艺是强化传统给水处理工艺的核心部分,研制高效混凝剂与混凝设备,能够有效地提高传统给水处理工艺的除污染能力。研制高效的混凝剂,提高混凝效果、降低铝的剩余浓度。常规给水处理的强化是目前亟待解决的问题,应作为技术攻关的内容,包括高效混凝剂的制备与混凝设备研究、高效过滤工艺与设备研制等。
  提高水厂自动化程度与研究供水系统优化调度对于保证安全供水,提高供水系统水质、节约能量有重要意义。包括:水厂自动化研究;供水系统的优化调度;水处理工艺过程自动监控的理论、特性及优化运行模式等。
  5.6 高级氧化处理工艺理论与技术
  高级氧化是利用在一定条件下产生的具有很强氧化能力的自由基,强化分解水中的有机污染物,可用于水源污染较重和水质要求较高的情况。高级氧化技术成本较高,但可以获得较高的水质,可作为远期发展的重点内容。可利用光激发产生自由基或合成特殊的催化剂(如固体催化剂等)引发自由基。研究内容可包括:光化学催化氧化处理工艺理论与技术;催化氧化除污染工艺理论与技术;紫外、同位素净水工艺理论与技术等。
  5.7 膜处理技术
  膜处理技术是提高饮用水水质一种新途径,被认为是二十一世纪的水处理技术。研制新型膜处理工艺与设备,在引进消化国外膜技术的同时发展适合我国国情的新型膜处理技术。在全面提高饮用水水质的同时,可降低水处理过程副产物生成量。膜处理技术应作为科技发展的重点内容。
  5.8 新型高效消毒与有害副产物控制技术
  消毒一直是给水处理的核心问题。由于氯化消毒会产生卤代有机副产物,采用安全氯化消毒工艺或寻求替代氯化消毒的新技术,或者采用具有高的消毒效果与低的副产物的组合消毒技术是今后消毒技术的发展方向。水处理过程产生的一些其他副产物也引起了广泛关注。今后的研究内容可包括:安全氯化消毒技术;非氯消毒技术;水处理过程致突变活性的影响因素;水处理过程有害副产物控制技术;余铝控制理论和技术;水质营养、活性与人体健康的研究等。
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