高品质饮用水的思考以及苏州实践

作者: vch11602707
发布于: 2021-08-11 16:43
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202108

导读

介绍了高品质饮用水的概念,目前国内高品质饮用水的标准以及制定标准的思路。提出了实现高品质饮用水的几种模式,探讨了水厂不同深度处理工艺生产高品质饮用水的水质特点。同时介绍了苏州二次供水和分质水模式的高品质饮用水示范工程。

 

1 高品质饮用水水质的思考

仔细梳理各地的高品质饮用水标准,发现主要在表1所示的水质指标上进行了提升。对应国标,高品质饮用水在溶解性总固体和总硬度上进行了较大幅度的降低,这两项指标对口感的影响较大,300 mg/L左右的TDS口感最佳,因而将此指标减半,可有效改善饮用水的口感。浊度的降低不仅意味饮用水感官性能的改善,而且表明微生物风险的降低。2-MIB和GSM是嗅味有机物的典型代表,嗅味严重影响饮用水的味感,极易为饮水者所察觉,同时嗅味的存在也意味着水体受到污染。封闭水体如水库和湖泊嗅味有机物含量较高,从而影响饮用水水质,因而降低嗅味可有效改善饮用水的口感。高品质饮用水的另一个显著特点是有机物的指标低,耗氧指标低于国标的3 mg/L,各地的降低幅度不一。各地的高品质饮用水均将TOC作为有机物的指标。虽然国标也将TOC列入,但不作为强制性执行的指标。从表1可见,各地均将TOC定为3 mg/L,相比于国标的5 mg/L,有了较大幅度的降低。一些地方还修改了消毒副产物指标,其中的上海幅度最大,将三卤甲烷减半,而深圳不变。

 

表1 高品质饮用水水质标准

 

目前国家的水质标准采用耗氧指数作为有机物指标,总有机碳仅作为参考指标。将耗氧指数作为有机物指标主要是考虑到全国检测水平。图1为不同水源的两个水厂生物活性炭出水的有机物,X水厂的活性炭运行了3年,而Y水厂的运行了6年。两个水厂的耗氧指数均为1.5 mg/L,但TOC却有很大的差别,X水厂的TOC为2.5 mg/L,Y水厂的为3 mg/L。

 

图1 不同水厂TOC与CODMn随活性炭运行时间的变化

 

另外,不同水源的CODMn和TOC的比值也不同,如图2所示。Y水厂的CODMn/TOC为0.5,X水厂为0.6。国标的CODMn/TOC为0.6。这说明CODMn/TOC越低,相同的耗氧指标,TOC越高。这例子表明,TOC可全面反映水的有机物含量,而CODMn只能部分反映。应该将TOC作为高品质饮用水强制执行的水质指标。

 

图2 不同水源的TOC和CODMn的比较

 

相比于国标,高品质水有了一定程度的提高,但对标国际先进国家如日本,我们还有很大的差距。表2为日本东京都的水质指标,是日本的地方标准。从表2可以看出,它是以口感为目标来追求更高的饮用水品质。将表1与表2进行比较,可以看出我们的高品质水和日本的还有较大的差距。以TOC为例,日本将此列为影响口感的水质指标,东京都的标准是1 mg/L,而且完全能达到此标准。

 

表2 日本东京都饮用水水质标准

 

2 苏州地区高品质饮用水准则的制定

苏州地区的高品质饮用水实施按照高品质水标准研究和构建高品质水技术体系两条线展开工作,如图3所示。调查苏州地区出水和管网水水质,并参考国内外饮用水水质标准和现状,制定苏州地区高品质水准则。高品质水技术体系的构建按照水厂直接供应,二次供水保障和分质水供应的3种方式开展研究。水厂直接供应通过臭氧生物活性炭和纳滤膜的深度处理工艺,研究这两种工艺处理效果、出水水质等,是否满足高品质水准则的要求。通过研究苏州地区的管网水质变化规律,了解水厂出水到用户的水质变化情况,研究二次供水处理工艺,提升和保持水质,从而提供与水厂出水相同或略有提升的高品质饮用水。分质水是指根据居民的饮用水和其他用途水如洗涤、冲洗马桶等,按照不同的水质要求,分质供水。分质供水需要两套管网系统。分质供水的饮用部分供水用纳滤或反渗透制取,其余的直接用市政供水。

 

图3 高品质饮用水的技术路线

 

高品质饮用水标准与所在地区的水源水质,经济发展水平以及水厂处理工艺有着密切的关系。图4为高品质饮用水标准制定的大致技术路线。首先是寻找差距,针对国标以及对标国际的先进标准并考虑区域特征,筛选提升的水质指标,其次是评估原水水质特征,筛选特征污染物,从而确立提升和新增的水质指标,最后基于水厂的进出水水质,对拟提升和新增的水质指标进行可行性的复核。

 

图4 高品质水标准制定的技术路线

 

3 实现高品质饮用水的水厂处理工艺

实现高品质饮用水的水厂处理工艺主要为臭氧活性炭和纳滤。“十三五”水专项苏州课题组针对太湖水,对臭氧生物活性炭、纳滤及其组合,开展了长期中试,根据试验结果,提出了高品质饮用水可能的工艺组合,如图5所示。臭氧活性炭的处理工艺可分为常规臭氧活性炭,常规-臭氧活性炭-超滤和超滤-臭氧活性炭。常规-臭氧活性炭是目前国内最主流的深度处理工艺,该工艺的后面还可设置超滤,也可采用炭砂滤池,主要防止活性炭的微生物泄漏。还有一种新的深度工艺,将超滤置于臭氧活性炭的前面。由于超滤直接过滤会产生较为严重的膜污染,超滤可与在线混凝联用。十三五水专项的苏州课题的中试表明,在线混凝可有效控制膜污染,使超滤膜在较高通量下长期稳定运行。

 

图5 臭氧生物活性炭深度工艺

 

常规-臭氧活性炭和在线混凝/超滤-臭氧活性炭的去除比较如图6所示。图6表明,在线混凝/超滤去除藻密度和叶绿素明显优于常规,虽然超滤去除有机物的效果较常规的差,但后续的臭氧活性炭去除优于常规-臭氧活性炭。这说明,超滤能有效去除藻类,悬浮物和胶体,有助于提升臭氧活性炭的去除效果。在线混凝/超滤-臭氧活性炭去除AOC的效果也远优于常规-臭氧活性炭。

 

图6 常规-臭氧活性炭和在线混凝/超滤-臭氧活性炭的去除污染物效果比较

 

常规-臭氧活性炭和在线混凝/超滤-臭氧活性炭的出水水质比较如表3所示。由表3可见,除了BDOC外,对于其余的水质指标,在线混凝/超滤-臭氧活性炭均优于常规-臭氧活性炭。

 

表3 常规-臭氧活性炭和在线混凝/超滤-臭氧活性炭的出水水质比较

 

纳滤可有效去除水中的有机物,同时保留对人体有益的矿物质,因而是制取高品质水理想的膜技术。纳滤组合工艺的核心问题是如何防止纳滤膜的污染,从而决定纳滤的预处理以及组合工艺的组成。纳滤进水的水质有行业的SDI标准,应低于3。但是,SDI仅表征进水的悬浮固体和胶体,满足了SDI仅是防止膜进水通道的堵塞,而纳滤膜的污染,特别是有机污染如何造成,目前尚不清楚。虽然有许多的小试研究,但这些结果对实际的生产应用没有多少的参考价值,真正能说明问题的还应该是长期的中试。

 

纳滤的可能组合工艺如图7所示。常规-纳滤似乎是较为理想的组合,臭氧活性炭后面设置纳滤也是可能的组合工艺。法国的Mery-sur-Oise水厂是采用纳滤工艺的典型代表,该水厂虽然采用了臭氧以及孔径6 μm的微滤作为预处理,但纳滤膜仍然季节性的发生严重污染。苏州的中试研究表明,大分子的亲水性有机物是造成纳滤膜污染的主要因素,常规和臭氧活性炭深度工艺都无法完全去除这类有机物,因而不适合作为纳滤的预处理。超滤可完全截留大分子,因而最为适宜作为纳滤的预处理。

 

图7 纳滤膜深度工艺

 

4 臭氧生物活性炭和纳滤出水水质

臭氧生物活性炭是实现高品质饮用水的主流处理工艺,但随着运行时间,活性炭吸附的逐渐饱和,出水的有机物也逐渐上升。了解生物活性炭出水有机物的变化规律,可为高品质饮用水标准相关指标的制定提供依据。为此苏州课题组详细调查和分析了苏州不同运行年限的生物活性炭出水水质,如图8所示。由图8可见,随着运行时间,活性炭出水的TOC逐渐增加,对于NBDOC,在某个运行时间,出水的NBDOC与进水的几乎相同,说明活性炭的吸附作用几近丧失,而对于BDOC,活性炭依然保持一定的去除效果,说明后期的生物活性炭去除主要依靠微生物降解的作用。纵观活性炭长期运行的TOC变化,它是呈逐渐增加的趋势,因此,臭氧活性炭在长期运行过程是否一直满足高品质水的要求,存在不确定性。

 

图8 臭氧生物活性炭长期运行的有机物变化

 

纳滤去除有机物的效果如图9所示。由图9可见,纳滤出水的TOC稳定在05 mg/L以下,不随原水有机物的变化而变化,远优于臭氧生物活性炭。纳滤还可有效去除嗅味,如图10所示。两种典型的嗅味2-MIB和GSM,进纳滤的浓度变化在500~50 ng/L范围,出水的浓度均可低于5 ng/L。因此,纳滤可为我们稳定提供高品质饮用水。

 

图9 纳滤去除有机物的效果

 

图10 纳滤去除嗅味物质的效果

 

纳滤虽然能有效去除有机物,但它同时也会截留无机离子。纳滤出水的无机离子含量也是受到关注的。纳滤一般有两种类型,高脱盐和低脱盐。高脱盐纳滤膜对有机物和无机物,均有优异的去除效果,低脱盐的纳滤膜对无机物有较低的截留率,但仍保持较好的有机物的去除效果。图11为这两种纳滤膜去除无机离子的比较。由图11可见,高脱盐的纳滤膜对无机离子有很好的去除效果,无论一价还是二价离子,去除率均在90%左右,低脱盐的纳滤膜,除了硫酸根去除在90%,其余离子的去除均低于30%。不仅如此,低脱盐的纳滤膜仅需较低的驱动力,就可获得较高的通量,如图12所示。

 

 

图11 两种纳滤膜去除无机离子的比较

 

图12 两种纳滤膜驱动压力的比较

 

图12为两种纳滤膜在通量25 L/(m²·h)时的驱动压力情况,高脱盐的驱动压力基本在5 bar,而低脱盐的仅在2~3 bar。因此低脱盐的纳滤膜非常适合作为高品质水的制取。

 

为了尽量去除有机物同时保障水中存在一定的矿物质,可采用将超滤出水与纳滤出水混合的方式,混合的比例视所需的矿物质确定,如图13所示。

 图13 纳滤工艺出水的混合方式

 

5 二次供水模式下的高品质水

5.1 处理工艺的选择

二次供水保持水质模式是指自来水经过管网后,水质产生了变化,通过在二次供水设施内设置处理装置,将水质恢复至出厂时的状态甚至略有提升。膜无疑是最适合作为技术选择的。对于纳滤或超滤,由于纳滤膜会产生一定量的浓水,且驱动压力较大,还需要必要的预处理,虽然水质好,但并不适宜。超滤膜无需预处理,回收率高,产生的额外费用较低,因而非常适合作为二次供水的处理。图14为苏州某小区的二次供水处理装置。膜进水的压力驱动依靠市政管网的压力即可,膜出水后进入二次供水水箱,经紫外消毒后供水给小区居民。

 

图14 二次供水超滤处理工艺

 

5.2 管网的水质变化

出厂水经过管网,水质会有一定程度的变化,了解这种变化规律,可为我们二次供水处理提供依据。从水厂到示范小区间隔一定距离设置若干取样点,取样分析水质随管道距离的变化情况。图15为消毒副产物和余氯随管道距离的变化,由此可知,消毒副产物随管道距离呈增加趋势,而余氯呈下降趋势。这表明余氯在管道中还继续与有机物反应,产生消毒副产物。图16为可生物降解有机物随管道距离的变化,同样表明与消毒副产物相似的变化情况。

 

 图15 消毒副产物和余氯随管道长度的变化

  

 

图16 可生物降解有机物随管道长度的变化

 

5.3 处理效果

图17为苏州两个小区(A小区和B小区)二次供水超滤工艺去除消毒副产物的效果。B小区距离水厂远于A小区,因而管网水的消毒副产物含量高于A小区。A小区去除三氯甲烷,二氯一溴甲烷,一溴二氯甲烷和三溴甲烷的效果分别为8%,22.2%,34.6%和45.2%,B小区分别为34%,58.2%,52.4%和61.4%。三卤甲烷的去除率分别为A小区的31.16%和B小区的64.54%。

 

图17 示范工程去除消毒副产物的效果

 

图18为示范工程去除浊度和TOC的效果。浊度的去除效果最为显著,分别为A小区的42.6%和49.2%,对TOC也有一定的去除效果,分别为A小区的11.8%和10.6%。

 

图18 示范工程去除各种污染物的效果

 

5.4 紫外消毒效果

对于二次供水处理,为了保障居民水龙头的饮水安全,采用紫外消毒。图19为紫外消毒的效果。对于有否紫外消毒,整个流程均未检出细菌和微生物。由图19可见,当未开启紫外仅有余氯时,从市政进水到居民龙头,余氯持续下降;TOC经膜过滤后呈略增加趋势,三卤甲烷也呈相似的情况。当开启紫外时,经过水箱的TOC增加,但经紫外后明显下降。同时的余氯也明显下降。三卤甲烷在仅有余氯消毒时,水箱出水呈上升趋势;当开启紫外时,水箱出水的三卤甲烷下降。由此可见,紫外可有效去除TOC和抑制消毒副产物的增加。这是由于紫外和余氯的结合,产生高级氧化效果,增加了氢氧自由基,从而强化了有机物的去除。在二次供水中,紫外消毒可降低居民水龙头的有机物和消毒副产物,从而进一步保障居民的饮水安全。

 

 图19 紫外的消毒效果

 

二次供水的水质如表4所示,出厂水经过管网,浊度和消毒副产物有所上升,而有机物和铝有所下降,经超滤处理后,所有的水质指标都下降,居民水龙头的水质均优于出厂水。

 

表4 二次供水的水质

 

6 高品质水的分质供水模式

分质供水是指饮用和其他用途的用水采用不同的水质,后者直接使用市政供水,而前者需要进一步处理。图20为苏州某学校的分质供水处理工艺流程,为砂滤-活性炭-超滤-纳滤-紫外消毒。砂滤去除浊度,有利于后续的活性炭吸附,活性炭去除余氯,为避免纳滤的氧化,超滤为纳滤的长期稳定运行提供保障。

 

 图20 苏州某学校高品质水处理工艺

 

将表5与表4进行比较,可见分质水明显优于二次供水,这是由于分质水采用了纳滤膜的缘故。但是,纳滤的工艺较为复杂,要有超滤和活性炭等作为预处理,以保证纳滤膜的稳定运行。

 

表5 分质水的水质

 

7 结论

苏州市的供水水厂已经全面实现了臭氧生物活性炭的深度工艺,出厂水水质达到了高品质饮用水。但是,出厂水经过管网后,受管材、水龄、腐蚀结垢等的因素,导致水质变化,主要是浊度,消毒副产物的增加以及余氯的下降。改造管网,更换管材,以维持水质,由于投资巨大,并不适宜。因此,苏州要实现居民水龙头的高品质饮用水的目标,宜采用二次供水保持水质模式。苏州的“十三五”示范工程的实践表明,应用超滤处理来保持和提升水质,可有效保证居民水龙头的高品质饮用水,且投资和制水费用较低。分质水模式虽然水质更加优异,但采用纳滤膜,工艺复杂,水的回收率低,更适用于高档的商务楼和学校等的直饮水供应。

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