地下水处理技术

反渗透水处理技术反渗透水处理技术摘要由于人类的生产及生活活动,地下水受到不同程度的污染,严重危害着人们的健康,制约着经济的发展。关键词：地下水反渗透全球可饮用的淡水有97%是储藏在地下蓄水层中。地下水的最直接而且又是最重要的方面,是其作为饮用水供水水源。由于原生地质条件和人类生产活动中诸多不合理因素,越来越多的地下水受到了不同程度的污染,进一步加剧了城市水资源短缺的矛盾。国际水文地质学家协会主席米歇尔奈特指出,全球地下水源有一半正在受到污染,因此21世纪人们将为保护水源而斗争。1991--1992年我国城市地下水的环境状况调查显示:几乎98%的城市地下水均遭受到不同程度的污染。例如,由于某石化公司的一系列生产装置建在水源地上,致使该地区地下水不同程度地受到石油化工污染物的污染。研究表明,在水源地56km2的开采面积上,大部分地区地下水存在石油类污染物,其中重污染区地下水中油含量较高,最高达每升几十毫克,既不适于饮用,也不能用于工业生产。这就造成“水质型”缺水,严重制约着齐鲁化学工业区及附近地区的进一步发展。20世纪70年代初,西欧、北美等发达国家开始研究工业化学物质对地下水的污染。1973年以来多次召开地下水污染的国际学术会议,对重金属、硝酸盐、石油化学物质等造成的地下水污染问题进行了大量研究,提供了一些受污染地下水控制的有效事例,国外在这方面的研究分为2个阶段:20世纪70年代初期,以认识地下水污染机理及其危害为主要方向,大量开展受污染地下水检测方法、评价方法、迁移转化规律的研究,建立了地下水污染研究的技术方法;20世纪70年代末至80年代初,转入以治理为主的研究方向,并且地下水污染研究从无机污染转向有机污染。同时从治理的观点研究各种措施,对已受污染和原生劣质地下水进行治理。目前,受污染地下水的处理技术可分为原位置处理技术、抽出处理技术2种方法。原位置处理是利用物理化学方法或生物法在地下含水层直接净化的技术。这种方法比较新,已经吸引了很多研究注意力,而且应用的实例也在增加。地下水的原位生物修复法,主要依靠土著微生物的作用,将污染物质分解为无毒无害物质。该技术最初被用于修复碳氢化合物污染的地下水。近几年,逐步被用于修复其他类型污染的地下水。原位生物修复法包括生物通风技术、曝气技术、液体输送技术、可渗透反应器。生物通风技术指把空气注入受有机污染的包气带土层,促进有机污染物的挥发及好氧生物降解,这是一种治理包气带有机污染的技术。该技术去除污染物的主要机理是挥发和生物降解。研究表明,好氧生物降解是生物通风技术的主要贡献者。因为空气中的氧为微生物提供好氧环境,为污染物提供电子受体从而促进污染物的好氧生物降解。该技术设备费用低,不受外界气温影响等特点。但是难于控制质量,需频繁检测。曝气技术处理地下水有机污染特别是石油烃污染很有效。石油烃在地下水中主要以吸附态和残余液态存在:吸附态的吸附在介质颗粒表面,残余液态的被截留在部分空隙里。这两种形式的石油烃不随水流动。该技术的主要机理为挥发、好氧生物降解和增加有机物的溶解。在去除地下水中石油烃方面,该技术比传统的抽出处理法更有效,但只适用于易挥发又能生物降解的石油烃,还必须严格控制空气注入速度,以防止挥发性物质转移到大气中。液体输送技术与传统的污水处理有类似之处,电子受体通常是氧气,并加入营养物质,以强化生物反应器中污染物降解过程。该技术在污染地区注入压缩空气和营养盐,微生物在含有营养盐的富氧地下水中,通过新陈代谢作用将污染物降解;在地下水流向的下游地区,用泵将地下水抽出地面,可以用其溶解营养盐再回灌到地下水中,如需要时也可对其进行进一步处理。其优点为:可以处理沉积物吸附和夹带的污染物、避免污染沉积物的迁移。但是该方法也可能导致微生物的过分生长,造成含水层的堵塞,致使后期的营养物无法注入。可渗透反应器是一个填充有活性反应材料的被动反应区,当受污染地下水通过时,污染物能被降解或固定。污染物靠自然水力传输通过预先设计好的介质时,溶解的有机物、金属、氮磷等污染物被降解、吸附、沉淀或去除。屏障中含有降解挥发性有机物的还原剂、固定金属的络(螯)合剂、微生物生长繁殖所需要的营养物和氧气,用以增强生物处理。多孔处理墙就是一种可渗透反应器,将混合介质以一定厚度填到地下水水位以下,形成多孔墙体,该墙体与地下水水流垂直,污染物流经处理墙时经生物或化学作用而去除。在地下水位较浅地区以锯末和泥土混合,就能构成一道松散多孔的脱氮墙,锯末降解缓慢,可以为反硝化菌创造厌氧环境,并提供碳源。地下水中的NO3-流经脱氮墙时,通过生物和化学作用而得以去除,实地试验表明反硝化菌是完成脱氮的主要因素。使用该种方法的前提,是必须先了解地下水中污染物的种类和数量,以保证投入的反应物或吸附质能有效地发挥作用;同时又不会因反应物或吸附质投加过量,而引入新的污染物。目前较为常用的地下水净化技术,依然是传统的抽出处理法。在这一过程中,污染的地下水被从蓄水层抽出来,然后通过地上处理设施处理,使溶于水中的污染物得以去除。抽出处理技术也主要分为物理化学处理、生物处理法等。物理化学方法主要包括空气吹脱、炭吸附、化学氧化等技术。吹脱方法早期应用于去除水中溶解的CO2、H2S、NH3等气体,同时增加水中的溶解氧来氧化水中的金属。在20世纪70年代中期,这项技术开始用于受低浓度挥发性有机物污染的水处理。但该法把水中有机物转移到空气中,需要尾气处理装置,增加了处理成本,否则又会造成新的污染。活性炭吸附是目前利用微孔吸附原理,去除有机污染应用最为广泛的方法之一。早在19世纪60年代,伦敦就开始利用动物炭用于饮用水来去除色度和味;20世纪20~30年代粉末活性炭用于食品和饮料工业生产超纯水。1966年,美国马萨诸塞州的第一座砂滤-粉末活性炭串联过滤设备的建立,将颗粒活性炭运用于饮用水除污染处理系统中。此外,活性炭是微生物生长的良好载体,只要合理运作,活性炭上的微生物对提高水处理效果,特别是延长活性炭使用周期都会起到积极的作用,这种活性炭与微生物的协同技术成为生物活性炭。目前,已得到很多应用。但是采用该法时,应避免预氯化处理,否则微生物就不会在活性炭上生长,因而失去生物活性炭的生物氧化作用。化学氧化被广泛应用于地下水污染物的去除方面,在地下水处理中比其他方法有更大的优点。近来,化学法的改进使得这种方法在地下水处理中越来越广泛。其中三种化学氧化物质在工业和地下水处理方面被广泛的应用(即Cl2、O3、H2O2),还有氧气用于去除地下水中的铁和锰。氯气氧化虽然成本较低,但是会产生“三致”副产物。其他化学氧化法虽然降解有机污染物的能力较强,但又存在成本过高问题。膜过滤法是新兴的高效分离、浓缩、提纯、净化技术,系用高分子薄膜作介质,以附加能量为推动力,对双组分或多组分溶液进行表面过滤分离的物理处理方法。膜过滤技术是解决目前饮用水水质不佳的有效途径之一,但在目前情况下,其成本及操作维护费用太高,限制了其推广使用。1748年AbbleNelki发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀肤内,首次揭示膜分离现象。由于当时人们认知能力和科技条件的限制,直到1864年Traunb才成功研制出人类历史上第一张人造膜一亚铁氰化铜膜。随后,虽有GibbS的渗透压理论以及其他热力学理做基础,由于没有可靠的膜可供利用,该方面的研究一直没能有更大的突破。直到20世纪中叶,由于物理化学、生物学,聚合物学、医学等学科的深入发展,新型膜材料及制膜技术的不断开拓,各种膜分离技术才-相继出现和发展,并渗入到研究和工业生产的各个领域。反渗透膜的发展史严格意义上说应该是始于20世纪50年,1953年初,美国佛罗里达(Florida)大学的教授里德(Reid)首先发现醋酸纤维素具有良好的半透性,但是透水率却非常小。不久,1960年位于洛杉矶(LosAngeles)的加里福尼亚(Califomia)大学教授洛布(Leob)和索里拉金〔sourirajan)等对膜材料进行了广泛的筛选,也发现了乙酸纤维素具有特殊的半透性,他们采用氯酸镁水溶液为添加剂,经过反复试验,制成了第一张高性能非对称的乙酸纤维素反渗透膜，该膜具有高通量，高脱盐率，而且膜厚仅为100pm，为反渗透和超滤膜分离技术奠定了基础。随着第一张高性能反渗透膜的制成,反渗透开始作为经济实用的海水和苦咸水淡化技术进入实用和装置的研制阶段。20世纪70年代初,杜邦公司的芳香族聚酸胺中空纤维膜反渗透器“PermasePB一90”问世,该产品获得1971年美国Kirkpatrick化学工程最高奖,使反渗透膜的性能有了大幅度的提高。20世纪80年代初,全芳香族聚酞胺复合膜及其卷式膜问世并逐渐工业化。20世纪90年代中超低压全芳香族聚酞胺复合膜开始进入市场,从此反渗透技术进入了快速发展和应用的阶段。反渗透目前已成为海水和苦咸水淡化最为经济的技术。反渗透是利用反渗透膜选择性的透过溶剂(通常是水)而截留离子物质的性质,以膜两侧静压差为推动力,克服溶剂的渗透压,使溶剂通过反渗透膜来实现对液体混合物进行分离的膜过程。因此,反渗透过程必须满足两个条件:一是有一种高选择性和高透过率(一般是透水)的选择性透过膜;二是操作压力必须高于溶液的渗透压。在实际的反渗透过程中膜两边的静压差还必须克服透过膜的阻力。随着我国地下水开采量的增加,地下水污染问题日益严重。硝酸盐是地下水中普遍存在的一种污染物,特别是我国的北方地区,地下水中硝酸盐含量大面积超标。由于很多超标地区居民直接饮用地下水,地下水硝酸盐污染严重影响到了当地居民的饮水安全，去除地下水中硝酸盐的方法有很多,常用的有离子交换法、反渗透法以及生物法等。用离子交换法脱除地下水中的硝酸盐,会产生含盐量很高的再生废液。生物反硝化虽然具有脱氮完全、运行成本低等特点,但生物法的脱氮效果易受环境因素影响,运行管理人员必须掌握一定的生物技术，因此,生化反硝化脱氮技术不宜在农村饮用水处理工程中应用;反渗透技术具有处理效果好、效率高、工艺简单等优点,并且可以实现自动化,运行管理比较方便,当然,反渗透处理过程中也有浓水产生,通过控制合适的产水率,浓水可以用于农田灌溉或者养殖。因此关于反渗透技术脱除地下水中硝酸盐的研究逐渐增多。地下水中的硝酸盐是以离子状态存在的,利用反渗透技术可以将地下水中的硝酸盐和其他离子一起转移到浓缩液中,从而达到去除硝酸盐的目的。反渗透技术在处理苦咸水领域应用较早,在大部分苦咸水中都含有硝酸盐,由于反渗透技术自身的特点,在处理苦咸水的过程中,硝酸盐和其他离子一起从水中去除。反渗透工艺包括混凝过滤、盘式过滤器、超滤膜过滤装置、杀菌处理、高压泵、阻垢剂和还原剂、保安过滤器、反渗透元件与装置、系统控制等。由于地下水受到下雨等外在因素的影响很大，水中常夹带大量泥沙，浊度变化较大，易造成反渗透预处理系统运转不稳定，故在预处理中要加入混凝过滤，目的在去除地下水中胶体、悬浮杂质，降低浊度。在反渗透处理中通常用污染指数（SDI）来计量，要求进入反渗透设备的给水的SDI＜4。由于地下水悬浮物较多，且随下雨等因素影响较大，故预处理系统常选用聚合氯化铝作为混凝剂，矾花快速形成并成网状结构，沉降速度较快。超滤膜系统主要是去除水中的悬浮物（SS），保证反渗透的进水SDI＜4。通常情况下超滤膜的出水SDI非常小，在2左右。另外由于超滤膜系统前有盘式过滤器，所以超滤膜系统的进水中不会泥沙的出现和悬浮物的过量情况，在运行过程中不会出现“断丝”的情况，从而保证了反渗透进水对SDI的要求。超滤膜的材质一般选用聚偏氟乙烯（PVDF），孔径在20nm左右。通常情况下，超滤膜过滤装置后会加个水箱，用来存放超滤膜过滤水，为了防止水箱中有微生物滋生，会添加些杀菌剂进行杀菌处理，常用的杀菌剂为次氯酸钠（NaClO）。高压泵是为反渗透装置提供能量的必须的设备，高压泵的型号通常根据反渗透系统设计软件中的流量和压力来选型，高压泵的扬程和进水盐含量有很大关系，另外也受到进水温度等因素的影响。由于地下水的硬度和碱度都是非常高，为了使得反渗透系统能够更好的运行，系统始终在没有结垢的情况