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飲用水處理簡史及~三代淨水技術介紹
作者來源:宇源淨水 發布時間:2017-06-27 8:32:14 來源:蒸汽流量計

飲用水處理簡史
2000BC:在古希臘和古印度出現有文字記錄的早的飲用水處理.。人們通過砂濾、煮沸來處理飲用水。
公元前1500年:古埃及人首先發現混凝沉澱原理,用明礬去除水中顆粒物。
公元300年:羅馬建造了世界上大的個城市供水係統Aqueducts。
500—1500年:隨著羅馬帝國的衰落,城市規模變小,出現小型城市供水係統。
1804年:RobertThom 設計了個真正意義上的城市飲用水處理廠,在英國建成。水廠的處理工藝為慢速砂濾。開始采用馬車送水,三年後安裝了條自來水管
1854年:JohnSnow 發現霍亂可以通過飲用受汙水汙染的飲用水傳播。
1864年:LousPasteur 提出疾病的微生物理論,建立了微生物和傳染病之間的關係。
1890s:GEORGE Fuller 發現混凝沉澱和快速砂濾池結合使用可以更好地去除病原微生物。美國一些水廠開始采用混凝沉澱和快速砂濾來確保飲用水安全。
1900年:英、美等國開始對飲用水進行氯消毒,殺滅病原微生物。

代淨水技術:常規處理
常規處理通常由混凝、沉澱、過濾和消毒組成,早於19世紀在歐洲開始得到應用,到20世紀在全世界得到十分廣泛的應用,目前仍然是全世界的主流飲用水淨化工藝,其主要去除對象為水中懸浮物、膠體物和部分大分子有機物,並殺滅水中絕大部分細菌和病毒,保證飲用水的基本安全性。因常規處理工藝的應用對控製水媒傳染病的爆發、保障人體健康和公共安全作出的傑出貢獻,美國工程院於2004年評選20世紀對人類生活貢獻大的二十項重大科技成果時將飲用水的常規淨化工藝列在第四位(前三位分別為電、汽車和飛機)。


1平流沉澱池
2斜管沉澱池
3移動罩濾池
4重力式無閥濾池
5虹吸濾池
6普通快濾池
7V型濾池

第二代淨水技術:臭氧活性炭深度處理
 活性炭吸附可有效地去除嗅味、色度、氯化有機物、農藥、放射性汙染物及其它人工合成有機物。但用活性炭做吸附劑的價格較貴,對大部分極性短鏈含氧有機物如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除,而且活性炭在應用一定的周期後其吸附能力喪失,需要再生後才能重新應用。因此單純活性炭的應用受到很大局限。

臭氧與活性炭聯用有以下優勢:
(1)臭氧氧化能力較強,可以將大分子有機物分解成小分子有機物,從而增加後續活性炭對有機物的吸附能力。
(2)臭氧分解為氧氣後增加了水中溶解氧濃度,加上臭氧氧化有機物後水中可生物利用有機物增加,有利於活性炭上微生物的生長,因此活性炭變成生物活性炭,利用活性炭上微生物對有機物的降解作用,提高了對有機物的去除效率的效率和活性炭的使用周期。
(3)臭氧消毒反應迅速,殺菌效率高。
(4) 臭氧活性炭能夠減少水中氯代消毒副產物的生成量。


 但臭氧活性炭的應用在21世紀受到新的挑戰,主要原因有:
(1)臭氧化副產物問題。采用臭氧氧化工藝,將產生一些臭氧化副產物,主要可分為兩類,一類是溴酸鹽和次溴酸鹽。其中溴酸鹽具有強致癌性。另一類是臭氧化有機物後產生的小分子有機物,如醛類、脂肪酸、羧酸、酮類、AOC等,這些有機物有些具有較強的生物毒性。
(2)生物安全性問題。
(3)氧化藻類分泌藻毒素的問題。

第三代淨水技術:膜技術
目前常見的膜法有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透蒸發、液膜等。從膜濾法的功能上看,反滲透能有效去除水中的農藥、表麵活性劑、消毒副產物、THMs、腐殖酸和色度等。納濾膜用於分子量在300以上的有機物去除。超濾通常孔徑為0.01或0.04微米,能去除分子量大於1000以上的有機物、微生物,包括兩蟲、細菌和病毒。微濾通常孔徑比超濾要大,因此過濾效率不如超濾。因為兩蟲即隱孢子蟲和賈第蟲具有抗氯性,是目前飲用水處理中倍受關注的致病微生物。因此超濾對兩蟲的去除可以有效保證飲用水的微生物學安全性。同時超濾可以充分保證濁度物質的去除,解決目前常規處理對濁度去除不充分的問題,而且超濾可以減少占地麵積,節約土地資源。因此,綜合考慮技術特點和成本因素,目前超濾是飲用水淨化中的主流技術。


消毒劑及其發展

1897年英國首次使用氯氣對給水管網消毒以來,氯氣用於自來水消毒已經經曆了100多年的曆史。目前,我國大多數城市仍然采用氯氣消毒法。氯加到水中後生成次氯酸HOCl和次氯酸根,其中次氯酸是很小的中性分子,容易擴散到帶負電的細菌表麵,並通過細菌壁到細菌內部,因氧化作用破壞了細菌的酶係統,從而使細菌死亡;次氯酸根也具有殺菌能力,但因帶有負電,不容易接近帶負電的細菌表麵,殺菌能力比HOCl差得多。 

氯消毒主要受到加氯量、氯與水的接觸時間、水的濁度、水的pH值、水溫、氨氮含量等因素的影響。 
(1) 液氯消毒
采用氯瓶貯存液氯進行消毒,在常溫下,當按規定打開 氯閥時,液態氯變成氣態氯,氯氣是一種氧化能力很強的黃綠色有毒氣體,是一種具有特殊強烈刺鼻味的窒息性氣體。 加氯氣消毒的原理:當水中無氨氮存在時,起消毒作用的主要是次氯酸;當水中存在氨氮時,會生成氯胺,且隨著加氯量的不斷增加,氯胺的性質產生變化,分別生成一氯胺、二氯胺 、三氯胺。氯胺的消毒作用比次氯酸要慢的多。 

(2) 次氯酸鈉消毒
次氯酸鈉內的有效氯,因容易受日光、溫度的影響而分 解,所以采用次氯酸鈉發生器就地製造、應用。次氯酸鈉發生器利用鈦陽極電解食鹽水而產生次氯酸鈉,反應式為: 
NaCl+ H2O → NaClO +H2
次氯酸鈉在水溶液中的反應式為: 
NaCIO +H2O → HOCl +Na++0H- 
由發生器生產出的次氯酸鈉,是淡黃色透明液體,次氯酸鈉的滅菌原理主要是水解形成次氯酸進行消毒。 

(3) 氯胺消毒
當原水有機物較多,含氨量高,給水管網中藻類和細菌有再生長的可能,要達到出廠水全部都是遊離氯確實有困難,或者需要減輕或避免自來水中的氯酚臭味時,可以考慮使用氯胺消毒。氯胺消毒是同時向水中加氯和加氨,氨可以是液氨、硫酸銨或氯化銨溶液;一般重量比控製在氨:ɡ氯=1:3或1:6,在水溫高時可取1:3,在水溫低時取1:6;除了控製加氯量和加氨量外,還要注意投藥的順序,一般是 “先氯後氨”。氯和氨作用後生成氯胺,如果天然水中含有氨氮,也可和氯反應生成氯胺。氯胺消毒的殺菌持續時間長,所以當給水管和給水管網很長時,可防止細菌在管網中再度生長,但氯胺是逐漸放出次氯酸,其殺菌能力遠比遊離氯差,所以需要有2 h以上的接觸時間。

(4) 漂白粉消毒 
漂白粉是氯氣和石灰加工而成,其組成複雜,含氯量為25%~30%,漂白精的分子式為Ca(OCl)2,含氯量為50%~60%,易受光、熱和潮氣作用而分解,含氯量隨之降低,貯藏在幹燥和通風處。漂白粉與水作用的反應式為:
 Ca(OCl) 2 +2H2O- 2HOCl+Ca(OH)2 +CaCl2
消毒原理與氯相同。
(5)  二氧化氯
近年來, 自來水廠陸續采用了二氧化氯發生器,由發生器生產出的二氧化氯溶液對自來水進行消毒,二氧化氯是黃綠色氣體有一種辛辣的氣味,在水溶液中相當穩定,可作為消毒劑安全使用。它的水溶液顏色和濃度有關,低濃度時為黃綠色,高濃度時為桔紅色。是一種高效氧化劑,有的去色和漂白能力。 二氧化氯發生器,是一種運行成本很低、藥物投加準確、消毒效果極佳的設備,不含製氯廠出品的那些複雜甚至有害的成份,使用氯酸鈉與鹽酸定量滴定,控製反應生成量的辦法來實現,其總反應表達如下: 

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

對經水傳播的病原微生物,包括病毒、牙孢及水路係統中的異養菌、硫酸鹽還原菌和真菌均有很好的消毒效果。它主要的作用是對細胞壁有較好的吸附和透過性,可有效地氧化細胞內含基的酶,並可快速地控製微生物蛋白質的合成。二氧化氯先同水發生反應產生亞氯酸HClO2 ,亞氯酸是一種相當弱的弱酸,具有氧化漂白作用。

二氧化氯被認為是氯消毒劑的理想替代品。二氧化氯的消毒機理主要是通過吸附、滲透作用,進入細胞體,氧化細胞內酶係統和生物大分子,較好地殺滅細菌、病毒,且不對動、植物產生損傷,殺菌作用持續時間長,受PH影響不敏感。二氧化氯與水中有機物的反應為氧化作用,而氯則以取代反應為主。

(6) 臭氧
臭氧一種強氧化劑,可自動分解為氧氣,屬易燃易爆品。臭氧常用空氣作為原料製備,空氣須先經過淨化和幹燥處理以提高臭氧生產率,防止設備積垢和降低能量消耗。臭氧在水中的溶解度有限,必須有臭氧和水的接觸室,以及尾氣回收利用和處置設備,才能提高使用效率。但由於臭氧製取設備複雜,投資大,運行費用高,一直沒有得到普遍推廣。臭氧的消毒機理包括直接氧化和產生自由基的間接氧化,與氯和二氧化氯一樣,通過氧化來破壞微生物的結構,達到消毒的目的。因此消毒效果與其氧化還原電位直接相關。由於臭氧分子不穩定,易自行分解,在水中保留時間很短,因此不能維持管網持續的消毒效率,而且臭氧消毒產生溴酸鹽、醛、酮等副產物,其中溴酸鹽在水質標準中有規定,醛、酮等副產物部分是有害健康的化合物,部分使管網水生物穩定性下降,因此臭氧消毒在使用中受到一定的限製。對於大、中型管網係統,采用臭氧消毒時必須依靠氯來維持管網中持續的消毒效果。 

(7) 紫外線
氯、二氧化氯和臭氧消毒是化學法消毒,而紫外線則是物理消毒,紫外線是指電磁波波長處於200~380 nm的光波,紫外線消毒機理與其它氧化劑不同,是利用波長254 nm及其附近波長區域對微生物DNA的破壞,阻止蛋白質合成而使細菌不能繁殖。由於紫外線對隱孢子蟲的高效殺滅作用和不產生副產物,紫外線消毒在給水處理中顯示了很好的市場潛力。因為氯消毒不能有效殺滅隱孢子蟲卵囊,而紫外線對隱孢子蟲卵囊有很好殺滅效果。而且在常規消毒劑量範圍內紫外線消毒不產生有害副產物,但紫外線消毒不能維持管網內持續的消毒效果,在大型水廠的應用必須跟氯結合,其使用目前還受到一定限製。
各種消毒技術的優缺點及其適用條件見下表

優  點
缺  點
適用條件
液氯
1. 對細菌有較強滅活能力,具有持續消毒作用;
2. 運輸、儲存方便,成本較低;
3. 操作簡單,投量準確;
4. 積累了大量安全運行經驗
1. 原水有機物高時會產生有機氯化消毒副產物;
2. 原水含酚時會產生氯酚味;
3. 對病毒、兩蟲滅活能力差;
4. 氯氣有毒,安全性交差
液氯供應方便的地點
氯胺
1.能降低三鹵甲烷和氯酚產生
2.能延長管網中餘氯持續時間
3.減輕氯酚味或氯味
1.消毒作用比氯慢,需較長接觸時間
2.需增加加氨設備,操作管理較麻煩
3.氨氣有毒,安全性比氯消毒差
原水中有機物多,一級配水管線較長時
漂白粉或漂白精
1.      具有餘氯的消毒作用
2.      投加設備簡單
3.      價格低廉
4.      使用方便
1.     產生有機氯化物和氯酚味
2.     易分解失效
3.     漂白粉溶解和調製不便
4.     漂白粉含氯量低,用量大
漂白粉適用小型水廠,漂白精一般在水質突變時臨時投加
次氯酸鈉
1.      具有餘氯的持續消毒作用
2.      操作簡單,比投加液氯安全方便
3.      成本較液氯高,但較漂白粉低
1.      不能儲存,須要現場製取
2.      耗用一定電能及食鹽
適用於小型水廠或管網中途加氯
二氧化氯
1.      不會生成有機氯化物
2.      較自由氯殺菌效果好,能殺滅兩蟲等病原微生物
3.      可除臭、去色、氧化鐵錳
4.      投加量少,接觸時間短,餘氯保持時間長
1.      成本較高
2.      一般需現場製取
3.      需控製氯酸鹽和亞氯酸鹽等副產物
適用有機汙染嚴重時
紫外線
1.      殺菌廣譜,效果好,所需接觸時間短
2.      不產生有毒有害物質,不會增加損害管網水質生物穩定性的AOC、BDOC等
3.      占地麵積小,設備成套,操作方便
1.      無持續消毒作用,需與氯配合使用
2.      燈管管壁易結垢,降低消毒效果
3.      電耗較高,燈管壽命還有待提高,廢棄燈管的回收問題沒有很好解決

臭氧
1.      消毒效果好,用量少,接觸時間短
2.      能除臭、去色及去除鐵錳和部分微量有機物
3.      能除酚,無氯酚味
4.      不會生成有機氯化物
1.      基建投資大,電耗高
2.      無持續消毒作用
3.      與溴離子反應生成溴酸鹽,與有機物反應生成醛酮等副產物
4.      設備複雜、管理要求高
適用有機汙染嚴重、供電方便處,可結合氧化用作預處理
組合消毒
氯和氯胺;紫外和氯;二氧化氯和氯

適用範圍廣
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