李奎白院士饮用水安全问题及净水技术发展.ppt
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1、饮用水安全问题及净水技术发展饮用水安全问题及净水技术发展20112011年年5 5月月1919日日上海上海李圭白李圭白哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学提纲提纲一、城市饮用水净化技术发展历程一、城市饮用水净化技术发展历程二、水源水质突发污染及净化技术对策二、水源水质突发污染及净化技术对策三、高锰酸钾及其复合剂净水技术的发展三、高锰酸钾及其复合剂净水技术的发展我国的水环境污染我国的水环境污染 我国的水环境污染比较严重,对城市饮用水安全性的影响,我国的水环境污染比较严重,对城市饮用水安全性的影响,主要有生物安全性和化学安全性两方面。主要有生物安全性和化学安全性两方面。 近年水源水质污染突发事件频发,几天
2、就有一起重大事件发近年水源水质污染突发事件频发,几天就有一起重大事件发生,对城市饮用水安全造成重大威胁。生,对城市饮用水安全造成重大威胁。 国内外随着水环境污染加剧,饮用水卫生标准相应提高。国内外随着水环境污染加剧,饮用水卫生标准相应提高。2006年颁布的国标年颁布的国标生活饮用水卫生标准生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)已将水质指标由已将水质指标由1986年国标的年国标的35项增加到项增加到106项。项。 不断恶化的水源水质与不断提高的水质标准形成巨大矛盾,不断恶化的水源水质与不断提高的水质标准形成巨大矛盾,推动着饮用水净化技术的发展。推动着饮用水净化技术的发展。第一代城市饮用水净
3、化工艺第一代城市饮用水净化工艺 社会需求是科学技术发展的强大动力。下面沿着历史的足迹社会需求是科学技术发展的强大动力。下面沿着历史的足迹考察饮用水净化技术的发展。考察饮用水净化技术的发展。 过去城市居民饮用水卫生安全性得不到保障,致使水介烈性过去城市居民饮用水卫生安全性得不到保障,致使水介烈性传染病(霍乱、痢疾、伤寒等)流行,这是人类面临的饮用传染病(霍乱、痢疾、伤寒等)流行,这是人类面临的饮用水第一个重大安全性问题,即生物安全性问题。水第一个重大安全性问题,即生物安全性问题。 20世纪初,研发出了混凝世纪初,研发出了混凝沉淀沉淀过滤过滤氯消毒净水工艺,氯消毒净水工艺,使颗粒物得到去除,使致病
4、细菌得到有效灭活,使传染病流使颗粒物得到去除,使致病细菌得到有效灭活,使传染病流行得到控制,可称为第一代工艺,又称常规工艺。行得到控制,可称为第一代工艺,又称常规工艺。第一代城市饮用水净化工艺 20世纪中叶,发生水介病毒性传染病流行。研究发现降低水的浊度即可控制疾病流行,从而极大地提高对浊度的重视和要求,推动了第一代工艺发展。 鉴于第一代工艺对人类的贡献,美国工程科学界将之从105项对20世纪作出重大贡献的工程技术中评出,且排名第4。第二代城市饮用水净化工艺第二代城市饮用水净化工艺 20世纪世纪70年代,饮用水中发现种类众多对人体有毒害的微量年代,饮用水中发现种类众多对人体有毒害的微量有机污染
5、物和氯化消毒副产物,这是又一个重大的安全性问有机污染物和氯化消毒副产物,这是又一个重大的安全性问题,即化学安全性问题。题,即化学安全性问题。 第一代工艺对水中天然有机物有一定去除作用,可一定程度第一代工艺对水中天然有机物有一定去除作用,可一定程度减少氯化消毒副产物的生成,但对水中有毒害的微量有机物减少氯化消毒副产物的生成,但对水中有毒害的微量有机物去除效果很差,所以有待于研发新的净水技术。去除效果很差,所以有待于研发新的净水技术。 研究发现臭氧氧化和活性炭吸附去除水中有毒害的微量有机研究发现臭氧氧化和活性炭吸附去除水中有毒害的微量有机污染物效果较好,即第一代工艺污染物效果较好,即第一代工艺+臭
6、氧臭氧+颗粒活性炭,使水中颗粒活性炭,使水中有毒害的微量有机物污染物得到去除,使氯化消毒副产物得有毒害的微量有机物污染物得到去除,使氯化消毒副产物得到有效控制,称为深度处理或第二代工艺。到有效控制,称为深度处理或第二代工艺。 在国外,第二代工艺已作为一种通用工艺推广,在我国第二在国外,第二代工艺已作为一种通用工艺推广,在我国第二代工艺也得到逐步推广。代工艺也得到逐步推广。 20世纪末叶,又出现了以“两虫”为代表的饮用水重大安全性问题新的生物安全性问题。 “两虫”贾第鞭毛虫和隐孢子虫是致病原生动物,广泛分布于自然界,可寄生于人体和动物体内。贾第虫包囊为卵圆形,长8-12m,宽7-10m;隐孢子虫
7、卵囊为球形,尺寸为4-6m。 上述包囊或卵囊随粪便排出使水源水遭到污染,当水厂水处理故障时包囊或卵囊能穿透滤层,其抗氯性很强,氯难以将之杀死,且致病性又很强。世界各地都有其疾病爆发记录。1993年美国密尔瓦基市发生隐孢子虫病爆发,病例达40万。新的生物安全性问题(一) 藻类问题:蓝、绿藻水华,使水生态系统遭到破坏;有的藻藻类问题:蓝、绿藻水华,使水生态系统遭到破坏;有的藻类能产生藻毒素,危害健康;有的能产生臭味。类能产生藻毒素,危害健康;有的能产生臭味。 有害水生物问题:剑水蚤、红虫大量繁殖。剑水蚤是能致病有害水生物问题:剑水蚤、红虫大量繁殖。剑水蚤是能致病的地那拉线虫的宿主。的地那拉线虫的宿
8、主。 水的生物稳定性问题:水厂合格出厂水在输送和贮存过程发水的生物稳定性问题:水厂合格出厂水在输送和贮存过程发生微生物繁殖现象,为不具有生物稳定性的水。生微生物繁殖现象,为不具有生物稳定性的水。“细菌总数细菌总数”规定规定1mL水中不超过水中不超过100CFU(菌落数)便认为是安全的,但(菌落数)便认为是安全的,但只是相对安全的。所以水中微生物愈多,水的生物安全性便只是相对安全的。所以水中微生物愈多,水的生物安全性便愈低。随着水中微生物增多,水的生物安全性随之下降。愈低。随着水中微生物增多,水的生物安全性随之下降。 第二代工艺的颗粒活性炭层中繁殖大量微生物,其出水微生第二代工艺的颗粒活性炭层中
9、繁殖大量微生物,其出水微生物显著增多,即第二代工艺提高了水的化学安全性,但水的物显著增多,即第二代工艺提高了水的化学安全性,但水的生物安全性却降低了。生物安全性却降低了。新的生物安全性的问题(二)新的生物安全性的问题(二) 第一代和第二代工艺难以根本解决新的生物安全性问题,有待于开发新一代净水工艺。 水中致病生物的尺寸:病毒20nm至数百nm,细菌数百nm至数m,原生动物数m至数十m,藻类数m至数百m。 微滤膜孔为100nm至200nm,不足以完全截留细菌和病毒。超滤膜孔径为10nm左右,纳滤膜为1nm左右,能将水中微生物几乎全部除去,是提高生物安全性最有效的方法。建议用于饮用水的超滤膜孔径不
10、大于20nm. 纳滤膜价格贵,能耗高。超滤膜价格已降至可接受的水平,目前最适于城市水厂大规模应用; 采用超滤可以几乎完全去除水中的微生物,极大地提高水的生物安全性,必将引起饮用水净化工艺重大变革。膜过滤与饮用水生物安全性取代第一代工艺:取代第一代工艺: 水源水水源水 超滤超滤 消毒消毒 出水出水对浊度较高的水源水,设于第一代工艺之后:对浊度较高的水源水,设于第一代工艺之后: 水源水水源水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤过滤 超滤超滤 消毒消毒 出水出水对于微污染水源水,可投加粉末活性炭及高锰酸钾及其复合对于微污染水源水,可投加粉末活性炭及高锰酸钾及其复合剂。剂。水源水水源水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤
11、过滤 超滤超滤 消毒消毒 出水出水可在第二代工艺后设置超滤单元:可在第二代工艺后设置超滤单元:水源水水源水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤过滤 臭氧臭氧 颗粒活性炭颗粒活性炭 超滤超滤 消毒消毒 出水出水超滤在城市水厂中的应用超滤在城市水厂中的应用粉末活性炭粉末活性炭KMnO4及其复合剂及其复合剂超滤的经济膜通量和零污染通量超滤的经济膜通量和零污染通量 任何工程都要求技术上是可行的,经济上是合理的。膜通任何工程都要求技术上是可行的,经济上是合理的。膜通量关系到工程的建设费,也关系到工程的运行费。膜通量量关系到工程的建设费,也关系到工程的运行费。膜通量愈高,建设费愈小,但运行费(电费、物理清洗费、化学
12、愈高,建设费愈小,但运行费(电费、物理清洗费、化学清洗费等)便愈高,反之亦然。使在资金偿还期内建设费清洗费等)便愈高,反之亦然。使在资金偿还期内建设费和运行费之和为最低的膜通量,就是最经济的膜通量。和运行费之和为最低的膜通量,就是最经济的膜通量。 零污染通量,就是在此通量下长期运行,跨膜压差不增大零污染通量,就是在此通量下长期运行,跨膜压差不增大。超滤在零污染通量下工作,可不对膜进行化学清洗,使。超滤在零污染通量下工作,可不对膜进行化学清洗,使运行大为简化,费用大为降低。运行大为简化,费用大为降低。超滤的经济膜通量和零污染通量超滤的经济膜通量和零污染通量 城市水厂的水处理量大,常达数万至数十万
13、城市水厂的水处理量大,常达数万至数十万m3/d,特别要,特别要求工艺过程的稳定性。应尽量降低膜通量,使超滤在接近求工艺过程的稳定性。应尽量降低膜通量,使超滤在接近零污染通量下工作,增加工艺的稳定性,即宜采用低水头零污染通量下工作,增加工艺的稳定性,即宜采用低水头低通量的策略,这也特别有利于常规工艺改造。低通量的策略,这也特别有利于常规工艺改造。 山东东营南郊水厂超滤工程(山东东营南郊水厂超滤工程(10万万m3/d ),在常规工艺),在常规工艺后设超滤,采用后设超滤,采用30L/m2. h 通量,通量,2009年年12月月5日投产,至日投产,至今已今已18个月,只在初期进行过一次维护性化学清洗,
14、至今个月,只在初期进行过一次维护性化学清洗,至今未进行化学清洗,膜通量已接近零污染通量。未进行化学清洗,膜通量已接近零污染通量。 生物安全性是饮用水安全保障的首要任务,近年来新发生物安全性是饮用水安全保障的首要任务,近年来新发展起来的超滤已成为当前保障饮水生物安全性最有效的展起来的超滤已成为当前保障饮水生物安全性最有效的技术。技术。 超滤能去除颗粒物和微生物,但对溶解性物质(无机物超滤能去除颗粒物和微生物,但对溶解性物质(无机物、中小分子有机物、氨氮等)去除效果较差,需增设膜、中小分子有机物、氨氮等)去除效果较差,需增设膜前处理和膜后处理单元,构成组合工艺。为解决新的重前处理和膜后处理单元,构
15、成组合工艺。为解决新的重大生物安全性问题而发展起来的第三代工艺大生物安全性问题而发展起来的第三代工艺以超滤为以超滤为核心技术的组合工艺:核心技术的组合工艺: 原水原水 膜前处理单元膜前处理单元 超滤处理单元超滤处理单元 膜后处理膜后处理单元单元 优质水优质水 第三代城市饮用水净化工艺第三代城市饮用水净化工艺以超滤为核心技术的组合工艺以超滤为核心技术的组合工艺 针对水中不同污染物,膜前可采用混凝、吸附、化学氧化针对水中不同污染物,膜前可采用混凝、吸附、化学氧化、生物处理等不同处理方法。、生物处理等不同处理方法。 超滤能将水中微生物几乎全部去除,所以原则上对膜后出超滤能将水中微生物几乎全部去除,所
16、以原则上对膜后出水不必再进行消毒,但为防止二次污染,尚需向水中投加水不必再进行消毒,但为防止二次污染,尚需向水中投加少量消毒剂,从而使消毒副产物的生成量显著减少。少量消毒剂,从而使消毒副产物的生成量显著减少。第三代城市饮用水净化工艺第三代城市饮用水净化工艺以超滤为核心技术的组合工艺以超滤为核心技术的组合工艺 水源突发污染有天然与人为两类,人为突发污染反映政府水源突发污染有天然与人为两类,人为突发污染反映政府监管不到位。监管不到位。 水厂净水工艺都按常年水质(三类以上)选定,且现水厂净水工艺都按常年水质(三类以上)选定,且现95%为常规工艺。水源突发污染,污染物及其浓度以及变化、为常规工艺。水源
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