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饮用水处理简史及~三代净水技术介绍
作者来源:宇源净水 发布时间:2017-06-27 8:32:14 来源:蒸汽流量计

饮用水处理简史
2000BC:在古希腊和古印度出现有文字记录的早的饮用水处理.。人们通过砂滤、煮沸来处理饮用水。
公元前1500年:古埃及人首先发现混凝沉淀原理,用明矾去除水中颗粒物。
公元300年:罗马建造了世界上大的个城市供水系统Aqueducts。
500—1500年:随着罗马帝国的衰落,城市规模变小,出现小型城市供水系统。
1804年:RobertThom 设计了个真正意义上的城市饮用水处理厂,在英国建成。水厂的处理工艺为慢速砂滤。开始采用马车送水,三年后安装了条自来水管
1854年:JohnSnow 发现霍乱可以通过饮用受污水污染的饮用水传播。
1864年:LousPasteur 提出疾病的微生物理论,建立了微生物和传染病之间的关系。
1890s:GEORGE Fuller 发现混凝沉淀和快速砂滤池结合使用可以更好地去除病原微生物。美国一些水厂开始采用混凝沉淀和快速砂滤来确保饮用水安全。
1900年:英、美等国开始对饮用水进行氯消毒,杀灭病原微生物。

代净水技术:常规处理
常规处理通常由混凝、沉淀、过滤和消毒组成,早于19世纪在欧洲开始得到应用,到20世纪在全世界得到十分广泛的应用,目前仍然是全世界的主流饮用水净化工艺,其主要去除对象为水中悬浮物、胶体物和部分大分子有机物,并杀灭水中绝大部分细菌和病毒,保证饮用水的基本安全性。因常规处理工艺的应用对控制水媒传染病的爆发、保障人体健康和公共安全作出的杰出贡献,美国工程院于2004年评选20世纪对人类生活贡献大的二十项重大科技成果时将饮用水的常规净化工艺列在第四位(前三位分别为电、汽车和飞机)。


1平流沉淀池
2斜管沉淀池
3移动罩滤池
4重力式无阀滤池
5虹吸滤池
6普通快滤池
7V型滤池

第二代净水技术:臭氧活性炭深度处理
 活性炭吸附可有效地去除嗅味、色度、氯化有机物、农药、放射性污染物及其它人工合成有机物。但用活性炭做吸附剂的价格较贵,对大部分极性短链含氧有机物如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除,而且活性炭在应用一定的周期后其吸附能力丧失,需要再生后才能重新应用。因此单纯活性炭的应用受到很大局限。

臭氧与活性炭联用有以下优势:
(1)臭氧氧化能力较强,可以将大分子有机物分解成小分子有机物,从而增加后续活性炭对有机物的吸附能力。
(2)臭氧分解为氧气后增加了水中溶解氧浓度,加上臭氧氧化有机物后水中可生物利用有机物增加,有利于活性炭上微生物的生长,因此活性炭变成生物活性炭,利用活性炭上微生物对有机物的降解作用,提高了对有机物的去除效率的效率和活性炭的使用周期。
(3)臭氧消毒反应迅速,杀菌效率高。
(4) 臭氧活性炭能够减少水中氯代消毒副产物的生成量。


 但臭氧活性炭的应用在21世纪受到新的挑战,主要原因有:
(1)臭氧化副产物问题。采用臭氧氧化工艺,将产生一些臭氧化副产物,主要可分为两类,一类是溴酸盐和次溴酸盐。其中溴酸盐具有强致癌性。另一类是臭氧化有机物后产生的小分子有机物,如醛类、脂肪酸、羧酸、酮类、AOC等,这些有机物有些具有较强的生物毒性。
(2)生物安全性问题。
(3)氧化藻类分泌藻毒素的问题。

第三代净水技术:膜技术
目前常见的膜法有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发、液膜等。从膜滤法的功能上看,反渗透能有效去除水中的农药、表面活性剂、消毒副产物、THMs、腐殖酸和色度等。纳滤膜用于分子量在300以上的有机物去除。超滤通常孔径为0.01或0.04微米,能去除分子量大于1000以上的有机物、微生物,包括两虫、细菌和病毒。微滤通常孔径比超滤要大,因此过滤效率不如超滤。因为两虫即隐孢子虫和贾第虫具有抗氯性,是目前饮用水处理中倍受关注的致病微生物。因此超滤对两虫的去除可以有效保证饮用水的微生物学安全性。同时超滤可以充分保证浊度物质的去除,解决目前常规处理对浊度去除不充分的问题,而且超滤可以减少占地面积,节约土地资源。因此,综合考虑技术特点和成本因素,目前超滤是饮用水净化中的主流技术。


消毒剂及其发展

1897年英国首次使用氯气对给水管网消毒以来,氯气用于自来水消毒已经经历了100多年的历史。目前,我国大多数城市仍然采用氯气消毒法。氯加到水中后生成次氯酸HOCl和次氯酸根,其中次氯酸是很小的中性分子,容易扩散到带负电的细菌表面,并通过细菌壁到细菌内部,因氧化作用破坏了细菌的酶系统,从而使细菌死亡;次氯酸根也具有杀菌能力,但因带有负电,不容易接近带负电的细菌表面,杀菌能力比HOCl差得多。 

氯消毒主要受到加氯量、氯与水的接触时间、水的浊度、水的pH值、水温、氨氮含量等因素的影响。 
(1) 液氯消毒
采用氯瓶贮存液氯进行消毒,在常温下,当按规定打开 氯阀时,液态氯变成气态氯,氯气是一种氧化能力很强的黄绿色有毒气体,是一种具有特殊强烈刺鼻味的窒息性气体。 加氯气消毒的原理:当水中无氨氮存在时,起消毒作用的主要是次氯酸;当水中存在氨氮时,会生成氯胺,且随着加氯量的不断增加,氯胺的性质产生变化,分别生成一氯胺、二氯胺 、三氯胺。氯胺的消毒作用比次氯酸要慢的多。 

(2) 次氯酸钠消毒
次氯酸钠内的有效氯,因容易受日光、温度的影响而分 解,所以采用次氯酸钠发生器就地制造、应用。次氯酸钠发生器利用钛阳极电解食盐水而产生次氯酸钠,反应式为: 
NaCl+ H2O → NaClO +H2
次氯酸钠在水溶液中的反应式为: 
NaCIO +H2O → HOCl +Na++0H- 
由发生器生产出的次氯酸钠,是淡黄色透明液体,次氯酸钠的灭菌原理主要是水解形成次氯酸进行消毒。 

(3) 氯胺消毒
当原水有机物较多,含氨量高,给水管网中藻类和细菌有再生长的可能,要达到出厂水全部都是游离氯确实有困难,或者需要减轻或避免自来水中的氯酚臭味时,可以考虑使用氯胺消毒。氯胺消毒是同时向水中加氯和加氨,氨可以是液氨、硫酸铵或氯化铵溶液;一般重量比控制在氨:ɡ氯=1:3或1:6,在水温高时可取1:3,在水温低时取1:6;除了控制加氯量和加氨量外,还要注意投药的顺序,一般是 “先氯后氨”。氯和氨作用后生成氯胺,如果天然水中含有氨氮,也可和氯反应生成氯胺。氯胺消毒的杀菌持续时间长,所以当给水管和给水管网很长时,可防止细菌在管网中再度生长,但氯胺是逐渐放出次氯酸,其杀菌能力远比游离氯差,所以需要有2 h以上的接触时间。

(4) 漂白粉消毒 
漂白粉是氯气和石灰加工而成,其组成复杂,含氯量为25%~30%,漂白精的分子式为Ca(OCl)2,含氯量为50%~60%,易受光、热和潮气作用而分解,含氯量随之降低,贮藏在干燥和通风处。漂白粉与水作用的反应式为:
 Ca(OCl) 2 +2H2O- 2HOCl+Ca(OH)2 +CaCl2
消毒原理与氯相同。
(5)  二氧化氯
近年来, 自来水厂陆续采用了二氧化氯发生器,由发生器生产出的二氧化氯溶液对自来水进行消毒,二氧化氯是黄绿色气体有一种辛辣的气味,在水溶液中相当稳定,可作为消毒剂安全使用。它的水溶液颜色和浓度有关,低浓度时为黄绿色,高浓度时为桔红色。是一种高效氧化剂,有的去色和漂白能力。 二氧化氯发生器,是一种运行成本很低、药物投加准确、消毒效果极佳的设备,不含制氯厂出品的那些复杂甚至有害的成份,使用氯酸钠与盐酸定量滴定,控制反应生成量的办法来实现,其总反应表达如下: 

NaClO + 2HCl- NaCl+Cl2 + 0.5ClO2+ 2H2O

对经水传播的病原微生物,包括病毒、牙孢及水路系统中的异养菌、硫酸盐还原菌和真菌均有很好的消毒效果。它主要的作用是对细胞壁有较好的吸附和透过性,可有效地氧化细胞内含基的酶,并可快速地控制微生物蛋白质的合成。二氧化氯先同水发生反应产生亚氯酸HClO2 ,亚氯酸是一种相当弱的弱酸,具有氧化漂白作用。

二氧化氯被认为是氯消毒剂的理想替代品。二氧化氯的消毒机理主要是通过吸附、渗透作用,进入细胞体,氧化细胞内酶系统和生物大分子,较好地杀灭细菌、病毒,且不对动、植物产生损伤,杀菌作用持续时间长,受PH影响不敏感。二氧化氯与水中有机物的反应为氧化作用,而氯则以取代反应为主。

(6) 臭氧
臭氧一种强氧化剂,可自动分解为氧气,属易燃易爆品。臭氧常用空气作为原料制备,空气须先经过净化和干燥处理以提高臭氧生产率,防止设备积垢和降低能量消耗。臭氧在水中的溶解度有限,必须有臭氧和水的接触室,以及尾气回收利用和处置设备,才能提高使用效率。但由于臭氧制取设备复杂,投资大,运行费用高,一直没有得到普遍推广。臭氧的消毒机理包括直接氧化和产生自由基的间接氧化,与氯和二氧化氯一样,通过氧化来破坏微生物的结构,达到消毒的目的。因此消毒效果与其氧化还原电位直接相关。由于臭氧分子不稳定,易自行分解,在水中保留时间很短,因此不能维持管网持续的消毒效率,而且臭氧消毒产生溴酸盐、醛、酮等副产物,其中溴酸盐在水质标准中有规定,醛、酮等副产物部分是有害健康的化合物,部分使管网水生物稳定性下降,因此臭氧消毒在使用中受到一定的限制。对于大、中型管网系统,采用臭氧消毒时必须依靠氯来维持管网中持续的消毒效果。 

(7) 紫外线
氯、二氧化氯和臭氧消毒是化学法消毒,而紫外线则是物理消毒,紫外线是指电磁波波长处于200~380 nm的光波,紫外线消毒机理与其它氧化剂不同,是利用波长254 nm及其附近波长区域对微生物DNA的破坏,阻止蛋白质合成而使细菌不能繁殖。由于紫外线对隐孢子虫的高效杀灭作用和不产生副产物,紫外线消毒在给水处理中显示了很好的市场潜力。因为氯消毒不能有效杀灭隐孢子虫卵囊,而紫外线对隐孢子虫卵囊有很好杀灭效果。而且在常规消毒剂量范围内紫外线消毒不产生有害副产物,但紫外线消毒不能维持管网内持续的消毒效果,在大型水厂的应用必须跟氯结合,其使用目前还受到一定限制。
各种消毒技术的优缺点及其适用条件见下表

优  点
缺  点
适用条件
液氯
1. 对细菌有较强灭活能力,具有持续消毒作用;
2. 运输、储存方便,成本较低;
3. 操作简单,投量准确;
4. 积累了大量安全运行经验
1. 原水有机物高时会产生有机氯化消毒副产物;
2. 原水含酚时会产生氯酚味;
3. 对病毒、两虫灭活能力差;
4. 氯气有毒,安全性交差
液氯供应方便的地点
氯胺
1.能降低三卤甲烷和氯酚产生
2.能延长管网中余氯持续时间
3.减轻氯酚味或氯味
1.消毒作用比氯慢,需较长接触时间
2.需增加加氨设备,操作管理较麻烦
3.氨气有毒,安全性比氯消毒差
原水中有机物多,一级配水管线较长时
漂白粉或漂白精
1.      具有余氯的消毒作用
2.      投加设备简单
3.      价格低廉
4.      使用方便
1.     产生有机氯化物和氯酚味
2.     易分解失效
3.     漂白粉溶解和调制不便
4.     漂白粉含氯量低,用量大
漂白粉适用小型水厂,漂白精一般在水质突变时临时投加
次氯酸钠
1.      具有余氯的持续消毒作用
2.      操作简单,比投加液氯安全方便
3.      成本较液氯高,但较漂白粉低
1.      不能储存,须要现场制取
2.      耗用一定电能及食盐
适用于小型水厂或管网中途加氯
二氧化氯
1.      不会生成有机氯化物
2.      较自由氯杀菌效果好,能杀灭两虫等病原微生物
3.      可除臭、去色、氧化铁锰
4.      投加量少,接触时间短,余氯保持时间长
1.      成本较高
2.      一般需现场制取
3.      需控制氯酸盐和亚氯酸盐等副产物
适用有机污染严重时
紫外线
1.      杀菌广谱,效果好,所需接触时间短
2.      不产生有毒有害物质,不会增加损害管网水质生物稳定性的AOC、BDOC等
3.      占地面积小,设备成套,操作方便
1.      无持续消毒作用,需与氯配合使用
2.      灯管管壁易结垢,降低消毒效果
3.      电耗较高,灯管寿命还有待提高,废弃灯管的回收问题没有很好解决

臭氧
1.      消毒效果好,用量少,接触时间短
2.      能除臭、去色及去除铁锰和部分微量有机物
3.      能除酚,无氯酚味
4.      不会生成有机氯化物
1.      基建投资大,电耗高
2.      无持续消毒作用
3.      与溴离子反应生成溴酸盐,与有机物反应生成醛酮等副产物
4.      设备复杂、管理要求高
适用有机污染严重、供电方便处,可结合氧化用作预处理
组合消毒
氯和氯胺;紫外和氯;二氧化氯和氯

适用范围广
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