饮用水中污染物质及处理工艺的研究进展

饮用水中污染物质及处理工艺的研究进展左金龙/崔福义(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)AReviewofStudiesonPollutantsandTreatmentTechniquesDevelopmentinWaterSupplyZUOJin_long,CUIFu_yi(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)【摘要】分析源水中污染物质及其去除技术，国内外饮用水处理工艺采用全流程、多级安全保障技术，包括水源保护与水体修复，原水安全输送，水厂内安全净化，管网水安全输配等，以期将污染物质降至水质标准以下，确保饮用水安全。【关键词】饮用水；处理工艺；水质安全中图分类号：R123.1文献标识码：A文章编号：1004－616X(2007)03－0174－07【ABSTRACT】Thispapersummarizesthepollutantsinrawwaterandtheirremovaltechniques,thewatertreatmentprocessputsemphasesonfull_processandmulti_layersafetybarriertechniques,includingwaterresourceprotectionandwaterbodyrestoration,rawwatersafetransport,safepurificationinwaterworks,safedistributioninpipeetc.Drinkingwatersafetycanbeensuredbyadoptingmulti_layersafetybarriertechniquetomeetstricterdrinkingwaterqualitystandards.【KEYWORDS】drinkingwater;treatmentprocess;waterqualitysafe1水污染对水处理工艺及水质标准的影响随着经济的快速发展，环境污染使饮用水原水水质日益恶化，与此同时饮用水水质标准却日益严格，因此，加快饮用水工艺的研究，以保证生产出符合卫生标准的饮用水具有非常重要的意义。1.1水污染对水处理工艺目前，在我国淡水资源本来十分短缺的情况下，随着经济的快速发展而导致水质污染日益加重，自来水厂被迫使用受污染的水源水生产饮用水，对常规净水工艺效果影响极大[1]，主要有：①水中有机污染物大多是带负电荷的化合物，使水的电位升高，要保证一定的出水水质，需要投加大量的混凝剂和预氧化剂，从而增加了水处理成本。②现有的常规工艺对有机物的去除率一般为20％～40％，对氨氮的去除率仅为15％左右，出水中有机物含量仍然很高，加氯消毒后产生新的有机污染物，具有致癌、致畸、致突变(三致)的特性。③有机污染物被输水管管壁上附着的微生物所利用，在配水管网形成非稳定的水，具有三致特性。1.2水质标准的变化趋势饮用水水质标准状况是与生产力和分析手段的发展相适应的，标准直接反映了国家的研究现状和对饮用水水质认识水平。国际上主要的饮用水水质标准有世界卫生组织(WHO）《饮用水水质准则》、欧洲共同体(EC）《饮用水水质指令》、美国环保署USEPA《美国饮用水水质标准》，这3部标准是目前国际上公认的先进、安全的水质标准，也是其他各国制定标准的基础或参照。这3部标准各具特点，在原标准的基础上作了大量修订，突出表现在水质指标数量的增加、微生物和有机物种类、浓度的严格限制。通常水中的污染物质主要分为有机物、无机物、微生物和放射性物质4大类。我国目前水处理行业实际实施的是2001年的卫生部的《生活饮用水卫生规范》(96项）和2005年建设部的《城市供水水质标准》(101项），新的《生活饮用水卫生标准》国家标准(106项）将从2007年7月1日起执行，上述标准在总体指标上接近国际先进水平，对水厂的投资、设计、运行提出了高要求。1.3水厂的升级改造目前我国的主流饮用水处理工艺是“混凝_沉淀_过滤_消毒”的常规处理工艺，其主要目的是去除水中的悬浮物、胶体和杀灭细菌，对于日益污染的原水水质，常规工艺出厂水质无法满足新的水质标准[2]。因此，供水企业必须采取适宜的升级改造措施或开发新工艺，保证对原水中各种污染物质的去除。2国内外水处理技术的研究现状2.1有机物污染近年来，世界经济的持续发展，有机化合物的产量和种类不断增加，对水源造成了极大的危害，有机物污染问题已成为当今水环境质量控制的主要问题和研究热点。2.1.1常规指标常规指标中有氨氮和高锰酸盐指数。现有的常规工艺对高锰酸盐指数的去除率为20％～40％，对氨氮的去除率仅为15％左右。氨氮不仅与饮用水受近期污染有关，而且与饮用水中细菌指标相关。水源中过量氨氮等存在易使藻类大量滋生，消毒时投氯量加大，一些自养性细菌在水处理设备中的滋生，对水的气味有不良的影响。臭氧_生物活性炭(O3/BAC）炭滤池对NH3_N去除率接近30％。目前去除氨氮的最好方法是生物预处理技术。水温对氨氮的去除效果有一定影响，水温低于5℃去除率下降较快。此法在北方冬季应用受限。高锰酸盐指数是水体中有机污染综合指标，目前国内外通常采用生物预处理、强化混凝、臭氧活性炭等控制方法，可将高锰酸盐指数的去除率提高到40％～60％。2.1.2持久性有机污染物目前国内外对持久性有机污染物(persistentorganicpollutants,POPs）的处理技术主要有以下几种：①对于数量较多且较集中的PCBs污染物，一般采用热分解技术。日本物质工学工业技术研究所将PCBs、水和1％氢氧化钠加到反应温度为450℃和反应压力为300个大气压的超临界反应器中成功地使99.99％多氯联苯分解。②非热技术主要利用化学试剂、微生物和电磁场等来实现POPs的处理或销毁，非热技术主要包括：化学脱氯技术、紫外光解技术、溶剂萃取技术、吸附技术、生物降解技术、化学降解技术、γ射线分解技术等。目前，报道较多的是二英在水中紫外光或与臭氧联用降解，在TiO2固相表面上的催化光降解。日本仓纺公司正在开发采取紫外线和臭氧联用分解水中二英的装置，可去除水中99.9％的二英。也有研究报道，可把二英直接聚合成更高分子量的低毒或无毒化合物，从而达到处理的目的。国内研究发现一种新型的吸附剂，由活性炭载体和含有天然甘油三油酸酯的醋酸纤维素膜构成，该吸附剂对饮用水中微量的狄氏剂(一种POPs）去除效果好，可用于吸附痕量POPs[3]。除DDT在生活饮用水标准中列有指标外，POPs的相关环境浓度标准十分缺乏。由于世界各国都已经采取了禁产禁用的措施，因此研究重点是从环境中清除的办法，其主要研究集中在微生物降解、光催化氧化等方法。2.1.3环境激素直译为内分泌干扰物，也称环境荷尔蒙。是指释放到环境中能导致内分泌障碍的化学物质，可以干扰人体正常内分泌功能。在全球约1000万种各类化学物质中，已有70种被确认为环境激素类物质。其中67种均为有机化合物，另外3种为镉、铅、汞金属类物质。常规工艺对环境激素去除效果不佳，现在多采用吸附法和高级氧化法。研究表明臭氧_活性炭，臭氧催化氧化工艺去除水中微量环境激素，去除率可达80％以上。2.1.4硝基苯硝基苯类化合物是1类强致癌、致突变性的有毒有机污染物，被美国环境保护署(EPA）列为环境优先控制污染物，全世界每年排入环境中的硝基苯类化合物约为3万吨。硝基苯BOD5/COD比值较低，一般在0～0.1，是生物难降解化合物。硝基苯类化合物的分子结构中具有强电子基团——硝基，一般化学氧化手段很难破坏硝基苯类化合物，臭氧、O3/UV、光催化氧化、光催化芬顿试剂、超临界氧化已经应用，但这些方法费用高、效率低。通过化学还原手段可将硝基苯还原生成苯胺，反应速度很快，且苯胺易于被生物降解[4]。硝基苯对菌种及降解酶要求严格，降解中间产物繁多且具有毒性，因此上述研究仅局限于废水处理[5]。我国去年发生的松花江水硝基苯污染，研究发现常规处理工艺基本上没有去除作用，混凝沉淀去除率仅2％～5％，单纯增加混凝剂的投量没有改善作用；采用化学氧化剂高锰酸钾、臭氧都不能将其氧化；水厂实际研究证明硝基苯容易被活性炭吸附，所以在水厂实际运行中采用粉末活性炭吸附法应对硝基苯污染。不过这只是应急处理措施，以保证水质安全达标。但对分离出的硝基苯如何处理，避免二次污染还有待深入研究。对于水源的硝基苯污染，单一技术无法解决问题，今后物理化学法_生物法联用技术可能会在根治硝基苯污染中发挥重要作用。2.1.5藻毒素近年来富营养化水体水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势，在藻体大量死亡分解的过程中，不但散发恶臭，破坏景观，同时释放藻毒素，危害人类饮用水安全。淡水水华已检测到藻毒素特点如表1所示。微囊藻毒素(microcystins，MC）由于毒性较大，分布广泛，是目前研究较多的一族有毒化合物。此毒素是蛋白磷酸酶_1和蛋白磷酸酶_2A的强烈抑制剂，是迄今已发现的最强的肝肿瘤促进剂[6]。流行病学调查显示饮水中的MC_LR与肝癌的发病率高度相关。美国Carmichael等[7]于1996～1997年间对美国和加拿大的部分市政供水水质的研究发现：水中65％的微囊藻毒素未被去除，1/3的阳性样本超过WHO规定的MC低于1.0μg/L的浓度标准。由此可见，去除藻类后，水中仍残留有溶解的藻毒素，要去除这些藻毒素必须对现有水处理工艺进行改造。Himberg等[8]对饮用水处理工艺去除微囊藻、颤藻的肝毒素进行了较为系统的研究：工艺1：水样_Al2(SO4）3_砂滤_PAC_氯化_出水工艺2：水样_O3_Al2(SO4）3_砂滤_氯化_出水工艺1混凝去除部分有机物、藻毒素，活性炭发挥吸附藻毒素的高效性。工艺2为O3氧化一部分藻毒素和有机物，然后通过混凝、砂滤彻底去除藻毒素。两种工艺都可取得100％的去除率。上述表明单元工艺对藻毒素的去除有限，若要达到较高的去除效率，必须通过工艺组合来实现。2.1.6消毒副产物饮用水中消毒副产物(disinfectionby_products）的形成是由于消毒剂在消毒灭菌的同时，与水中的有机污染物反应，生成对人类健康有害的物质。1974年Rook发现加氯消毒后的水中发现三卤甲烷以来，又在加氯消毒后的水中发现了卤乙酸、卤代酮、卤代腈等多种具三致特性的消毒副产物，这使得氯的使用日渐受到质疑，同样的加氯量条件下，作为预氧化时比作为消毒剂时要产生更多的消毒副产物[9]。我国对消毒副产物的研究主要集中在三卤甲烷(trihalomethanes,THMs）测定和生成机制上，对HAAs等其它消毒副产物研究均处于起步阶段，亟待深入展开。为控制消毒副产物，世界各国都加大研究力度，现在可行方法有：①从水处理各环节去除消毒副产物及其前体物。美国EPA提出最有效的技术之一是活性炭技术。我国主要采用高锰酸钾或臭氧预氧化，破坏水中消毒副产物前质，降低后氯化过程中消毒副产物生成量。还可以利用后续的生物处理(如生物活性炭）来进一步削减THMs生成能力，出水效果极佳。不少生产性试验的结果也证实了该措施的可行性。②更换消毒剂品种。采用替代消毒剂氯氨、臭氧、二氧化氯、UV等，氯氨可以大幅度降低消毒副产物产生量，保持管网持续消毒能力；二氧化氯不会与有机物反应产生三卤甲烷、卤乙酸等DBPs，消毒效果好。但只能现场制备，运行管理及成本较高，其副产物为亚氯酸离子(ClO2－）和氯酸离子(ClO3－）；臭氧设备复杂、投资大、耗电量高，无持续消毒能力，存在甲醛及氧化中间产物等副产物；紫外线消毒无需化学药品，不会产生THMs类消毒副产物。但其没有持续的消毒作用，目前只是适用于小水量处理。2.2无机物污染2.2.1重金属由于工业废水没有治理或没有有效处理，许多水源已经监测到重金属浓度，现在研究较多的有汞、镉、铬、铅等重金属。汞及其化合物属于剧毒物质,可在体内蓄积，进入水体的无机汞离子可转变为