未来水厂应对突发性水源污染的应急技术探索研究

未来水厂应对突发性水源污染的应急技术探索研究

李杰芦小山

佛山市雅洁源科技股份有限公司广东省佛山市528000

摘要：城市供水的水质安全十分重要，为了应对水源水质突发性污染的威胁，保证供水水质，应考虑给水厂储备应急供水单元。试验选取三类具有代表性的、水源污染中常见的有毒有害有机污染物作为模拟污染物，通过光催化氧化技术和反渗透技术小试试验研究，为未来水厂应对突发性水源污染的应急技术进行了初步的探索研究。

关键词：饮用水；应急供水；光催化氧化；反渗透技术

前言

近年来，随着工业的飞速发展，以及农业化学品种类和数量的增加，我国大部分城镇饮用水源已受到不同程度的污染。特别是自然灾害、化学品泄漏、工业事故排放以及不法商贩对污染物的肆意偷排等原因造成的突发性水污染事件频率逐年上升，与工业废水、生活污水、农业面源污染等常规污染一起，成为威胁城市饮用水安全的主要来源。尤其是突发性水源污染，具有发生时间不可预见、持续时间短、污染物不确定、污染物浓度高等特点。因此，在水源污染应急状态下的饮用水处理已成为一项非常重要和迫切的新课题。

1饮用水技术发展现状与趋势

饮用水常规处理工艺在20世纪初就已形成，并在实践中不断完善。常规处理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体物质和病原微生物等。它由混凝、沉淀或澄清、过滤、消毒等组成。该工艺目前仍为世界上大多数水厂采用，我国也不例外。但当前饮用水的污染物去除不仅仅局限于此，在水源水体流域上游的任何潜在污染物都可能导致水源水质污染。有污染物的控制不力，持续的向水体排放污染物，导致水源水体污染；还有一些突发性的事故、自然灾害、人为破坏等原因导致的，且污染物种类复杂，涉及领域范围广，更具有不可控性，面对如此复杂的水源水体污染现状，为我们的供水公司提供了很大的技术难题。

自来水处理工艺在100多年的发展历史过程中，也经历了不同的升级工艺：

第一代就是基于混凝、沉淀、过滤和消毒的四段法工艺，该工艺主要以去除原水中的悬浮物、浊度、色度和病原菌为主，对溶解性有机物去除能力有限。但其高效的水体净化效率和较低的处理成本，在水源水体满足要求的情况下，绝对是饮用水处理技术的首选；

第二代是以臭氧、活性炭为核心的深度氧化技术，起源于上世纪70年代，它在第一代去除效果的基础上，有效控制了毒微量有机物及加氯消毒副产物的危害问题。缺点是活性炭的饱和、再生以及二次污染问题，因此以这种技术处理的饮用水的安全性仍受到质疑，应用不是很广泛；

第三代是以李圭白院士为代表极力倡导的超滤膜组合工艺，上世纪90年代开始应用，相比第一代工艺，具有有效减少氯代前驱物，且出水的浊度始终保持在极低的水平，对细菌、藻类等水生生物的去除率可达100%，对病毒同样具有很好的去除效率。但该工艺的致命缺点是对有机物的去除没有太大帮助，且成本相对比较高，运行控制较为复杂。

综合来看，针对目前我国复杂的水源污染问题，彻底解决该问题还不现实，但为了减少可能的突发性水污染问题，一方面要加强水源地保护法律法规的制定和突发性水污染的监测；另一方面要在现有工艺设施能力的基础上，考虑增加必要的应急设施。

2应急供水存在的问题

根据相关部门的分析判断，我国在今后一二十年内水源水受污染、污染事故频发的威胁无法根本消除，应急供水将成为我国大部分水厂的一项长期工作。在松花江、北江、无锡水危机等重大事件的处理过程中，通过有关各方的共同努力，城市应急供水工作取得了胜利，但从全国范围看，城市供水行业在应对突发性水污染事件的应急供水方面仍然存在一些问题：

（1）目前城市供水行业普遍不具备应对水源突发性污染事件的应急处理能力。传统饮用水厂工艺系统都是按常规情况设计的，当水源受到有机物污染时，常规工艺对有机物的去除率较低，难以满足要求。近年来，随着水源水污染的加重，许多水厂采用了预处理或深度处理技术，提高了对有毒有害物质的去除能力。但仍然存在一些问题：这些水厂一般可应对持续性的、常规的、微污染的水源水质情况，对突发性的特定污染物去除能力较差，没有足够的技术储备应对突发污染。突发的污染物往往具有爆发时间短、有毒有害、难处理的特点，一般来说现有水厂工艺体系是难以应对的［1］。

（2）缺乏系统全面的应对突发性水源污染的城市供水应急处理技术。应急处理技术应该与水厂现有工艺与设备相结合，实现“平战结合”，减少投资，技术特点明显，便于紧急启动。

3应急供水的技术措施

突发性污染物种类繁多、性质复杂，因此，常规应对思路有：降低水处理系统负荷、增加预处理或深度处理单元、储备一些药剂类投加设施等。目前应用较为广泛以储备药物投加为主，有粉末活性碳吸附、化学沉淀等。除此之外，根据“平战结合”的思路，建设并储备应急特殊处理单元，也不失为一项有效的技术措施。

（1）粉末活性碳吸附

活性炭是具有多孔性结构的非结晶物质，比表面积很大，呈现出很强的吸附作用。粉末活性炭吸附水中溶质分子是一个十分复杂的过程，是由分子间力、化学键力和静电引力所形成的物理吸附、化学吸附和离子交换吸附综合作用的结果。

傅金祥等研究了粉末活性炭应急处理水源水苯酚污染的可能性，结果显示粉末活性炭对苯酚的吸附性能符合Freundlich吸附等温线，在苯酚的平衡质量浓度为0.002mg/L时，粉末活性炭对其吸附容量为1.46mg/g，粉末活性炭吸附20min即达到吸附容量的90%以上[2]。蒋晓风等以乐果、邻苯二甲酸二乙酯、苯和甲醛为目标有机物，研究了粉末活性炭对目标污染水源水的处理效果，结果发现粉末活性炭对前三种污染物的去除效果较好，而对于甲醛类极性小分子即使增加粉末活性炭的投量也不能达到理想的去除效果[3]。

（2）化学沉淀

化学沉淀法是基于重金属应急而言，通过投加化学试剂，使目标污染物形成难溶解的物质从水中沉降并分离的方法。因其具有成本低廉，工艺简单，沉降速度快，处理效果好等特点而被广泛应用。

马萌等将进水pH值调整到9.3，对饱和澄清石灰水去除Pb2+、Cr6+等重金属进行了研究，结果显示石灰水对两种重金属的去除率可分别达到62.5%和30%[4]。胡小芳等研究了化学沉淀法对钼、钴的应急处理效果，发现将原水pH调整到7.0～7.6，可有效去除超过《生活饮用水卫生标准》限值10倍的钼；采用三氯化铁和聚合氯化铝作混凝剂时，将原水pH值分别调整到9.6～10.0和9.25～9.5，均可有效去除钴，且最大可应对超标100倍的钴[5]。

在实际应用当中，有时形成的重金属沉淀颗粒细小，沉降速度慢，加入混凝剂可促进沉淀，在去除水中原有的悬浮物和胶体颗粒物的同时，使化学沉淀法产生的重金属沉淀得以从水中有效的分离[1]。

（3）储备应急特殊处理单元

应急特殊处理单元的建设必须具备以下几项内容：（1）水质在线监控数据分析预警；（2）应急系统PLC在线工艺控制；（3）应急处理单元的建设。

根据城镇居民生活用水定额，生活饮用水水量约占生活总用水量的2%。以肇庆水务集团永安水厂为例，该自来水厂设计水量50000m3/d，应急储备特殊处理单元工程建设规模确定为1000m3/d较为合适，满足居民在应急状态下的基本饮水需求，但应急状态下如何将水供给居民的问题还尚待进一步探讨。

4应急处理小试试验研究

本研究来源于广东省战略新兴产业核心技术攻关项目，“高效处理水源水中重金属、有毒有机微量污染物的应急技术及成套装备工程示范”（项目编号：2012A032300010），项目具体实施单位：肇庆市水务集团有限公司永安水厂。

为了提高水厂应对突发性水污染事件的应急处理能力，对水厂的改造和示范工程的建设提供技术上的支持，解决居民在应急状态下最基本的饮水需求。本研究根据水源污染特点，分别采取两种思路进行技术研究及探索。主要有：（1）光催化氧化技术；（2）反渗透处理技术。研究选取常见传统有机污染物、新兴污染物环境药物和无机污染物三类具有代表性污染物进行小试研究，分别为：苯酚、诺佛沙星和氨氮（以硝酸铵为例）。

图3-2反渗透技术试验样机

4.1光催化氧化技术

4.1.1苯酚的降解实验

实验选取苯酚浓度（10、8、6、4、2和1PPM）验证催化氧化效果。实验结果如图3-3所示，随着苯酚的浓度的降低，苯酚降解所需要的时间也迅速降低。当苯酚的浓度为10PPM时完全降解需要100min左右的时间。而随苯酚浓度的降低，完全降解苯酚需要更短的降解时间，降解8PPM苯酚时，需要80min左右，降解6PPM苯酚时，需要70min左右，如降解4PPM苯酚时，需要时间约60min左右，而苯酚浓度为2或1PPM时，该反应装置分别需要50min和35min的时间左右。

图3-4诺佛沙星光催化氧化降解

4.1.2诺佛沙星的降解实验

环境药物是一类新型污染物，目前虽然还没有国标发布规定该类污染物在水体中污染浓度限值，但该类环境激素类事件也常见诸于报端。我们根据肇庆水务集团端州三榕水厂和永安水厂水样环境药物的污染浓度，平均污染浓度仅在0.1PPM左右。而在本实验中则选择更高浓度（10、8、6、4、2和1PPM）诺佛沙星做为环境药物的代表，系统评价了催化装置对环境药物的催化净化去除效果。实验结果如图3-4所示，由图可以看出该催化反应装置完全去除10PPM诺佛沙星则需要超过120min的时间，而去除4、6和8PPM诺佛沙星则分别需要80、100、120min左右，而完全去除2或1PPM的诺佛沙星需要处50或40min左右。由图可以看出，随着诺佛沙星的浓度的降低，诺佛沙星降解所需要的时间也迅速降低。

4.1.3氨氮的氧化去除

本实验中则实际选择氨氮浓度为4、3、2和1和0.5PPM（氨氮标准物选择为硝酸铵），评价了该催化装置对氨氮的去除效果。实验结果如图3-5所示，随着氨氮的浓度的降低，氨氮降解所需要的时间也迅速降低。而当反应催化装置工作180min时，浓度分别为4、3、和2PPM的氨氮的去除率只有70%、80%和85%左右，要完全去除体系总氨氮则需要更长的工作时间。而将1或0.5PPM的氨氮完全去除需要则可以在180或160min的工作时间内完全降解完全。

图3-6混合苯酚、诺佛沙星和硝酸铵光催化氧化降解

4.1.4氨氮和两种有机污染物的共降解去除

实验中将苯酚（1PPM）、诺佛沙星（1PPM）和氨氮（1PPM，以硝酸铵为例）的混合溶液，评价了该催化装置对该混合溶液的去除效果，实验结果见图3-6所示。苯酚可以在该装置工作50min左右完全去除，诺佛沙星需要在工作80min左右完全去除，而该装置工作120min时，氨氮（硝酸铵为标准物）的去除率达到90%以上。

4.2反渗透处理技术

根据污染物的特点，尤其是对有机污染物，传统处理工艺具有一定难度。反渗透技术是当今最精密、最节能、效率最高的分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的压力下，借助于只允许水分子透过的反渗透膜的选择截留作用，将溶液中的溶质与溶剂分离，从而达到净化水的目的。反渗透膜是由具有高度有序矩阵结构的聚合纤维素组成的。它的孔径约为0.1nm（相当于大肠杆菌大小的千分之一，病毒的百分之一）。该技术广泛应用于海水、苦咸水淡化；造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理；医药、电子等行业用水的前期制备；锅炉补给水除盐软水；纯净水、蒸馏水制备等等，是目前非常成熟、先进的水处理技术，在应急净水处理领域具有广阔的前景；

本研究采用反渗透装置对苯酚、诺佛沙星和氨氮三类污染物分别进行试验研究，都取得了很好的去除效果，去除效率分别为95%，96%，和85%。并通过调节反渗透装置中浓缩水流速来控制反渗透的压力，考察去除效果，去除效果基本没有变化。在设备调试正常情况下，1-2min就可以产水，停留时间短，去除效率比较理想。

2014年7月广西贺江发生铊污染，由佛山市雅洁源科技股份有限公司研制的一体化反渗透大型可移动应急饮水设备在现场实施救援，通过第三方检测部门对水质检测：原水Ti含量：0.21μg/L，设备出水Ti含量0.01

μg/L，完全满足《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006对Ti的控制限值0.1μg/L，去除率达95%以上。说明反渗透技术设备对重金属的去除效率同样比较理想。

5结论

（1）为了防范突发性水源水质污染，城市给水厂建立饮水应急预案是非常必要的；

（2）根据“平战结合”的思路，储备应急特殊处理单元具有见效快、安全稳定、投资省的特点，应作为给水厂饮水应急预案之一；

（3）实验选择苯酚、诺佛沙星和氨氮（以硝酸铵为例）为污染物代表，评价了光催化氧化装置与反渗透处理装置对上述三种污染物的去除效果，结果表明：光催化氧化装置对苯酚和诺佛沙星有着较好的去除效果，而对氨氮彻底去除的停留时间较长；

（4）反渗透技术对上述三类具有代表性的污染物和重金属Ti的去除效果都比较理想，在系统调试正常情况下，一般1-2min就可以产水，停留时间短。在水厂应急特殊处理单元建设及现场应急救援方面具有很好的推广价值。

参考文献：

[1]李荣光，饮用水应急处理技术集成研究，2011。

[2]傅金祥，王峰，由昆等。粉末活性炭吸附工艺应急处理苯酚污染[J]。沈阳建筑大学学报（自然科学版，2008，24（4）：633-636。

[3]蒋晓风，朱斌，盛梅。有机污染水源水的粉末活性炭处理技术研究[J]。工业水处理，2009，29（4）：74-76。

[4]马萌，魏永宁，张胜利等。石灰水预处理垃圾渗滤液的研究[J]。工业安全与环保，2008，34（3）：7-8。

[5]胡小芳，丁卫，张建国等。化学沉淀法对水中钼、钴金属污染物的应急处理技术研究[J]。供水技术，2010，4（1）：21-24。